Проекты

Определение лактата и мочевины в кожном экскрете

Работа победителя конкурса проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Анатомия и физиология человека»

Направление работы: Микробиология
Авторы работы: ГБОУ Школа в Капотне
Предметы: Биология
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Старт в медицину» открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» 2021 года

Актуальность

Кожа наряду с почками является важнейшим органом выделения, через неё удаляются различные метаболиты обмена веществ, в том числе лактат (молочная кислота) и мочевина. Изучение состава экскрета кожи интересно по двум причинам: во-первых, кожный экскрет легкодоступен, его взятие – совершенно неинвазивный, безболезненный процесс; во-вторых, содержание различных продуктов метаболизма в нём может колебаться в зависимости от времени суток, пола, возраста и уровня физических нагрузок. Таким образом, можно отслеживать состав и уровень содержания метаболитов в кожном экскрете, что, по сути, является отражением процессов метаболизма, протекающих в организме.

Цель

Проследить зависимость концентрации лактата и мочевины в кожном экскрете от различных факторов.

Задачи

1. Познакомиться с научной литературой по теме исследования.

2. Экспериментально определить наличие мочевины и лактата в кожных экскретах.

3. Установить относительное содержание исследуемых веществ в смывах кожи по степени насыщенности цвета раствора.

4. Определить зависимость содержания лактата и мочевины в экскрете кожи от различных факторов: длительности физических нагрузок, пола исследуемых, степени их тренированности.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Набор для взятия смывов

• Фотоаппарат

• Приложение Color Grab

• Химическая посуда (мерные стаканчики, мерные цилиндры, пипетки, пробирки)

• Водяная баня

• Химические реагенты (дистиллированная вода, 1% водный раствор FeCl3, 1% спиртовой раствора диметилглиоксима, 25% раствор серной кислоты)

• Кожный экскрет

Описание

Автор выдвинул гипотезу о том, что концентрация мочевины и лактата в кожном экскрете будет отличаться у групп исследуемых в зависимости от ряда факторов.

В исследовании приняли участие 15 условно здоровых обучающихся 10-го класса школы в Капотне (возраст 16–17 лет): 5 девушек и 5 юношей, которые занимаются на уроках физкультуры 3 часа в неделю и не имеют никаких дополнительных физических тренировок, и 5 юношей из спортивного класса, которые занимаются на футбольных тренировках каждый день по 1,5 часа. 

1-й этап. У обследуемых трижды осуществлялось взятие кожного экскрета: до физической нагрузки, после небольшой физической нагрузки (10 мин. бега) и после длительной физической нагрузки (40-минутного урока физкультуры) на следующий день.

Смывы брались следующим образом. В мерный стаканчик налили дистиллированную воду, опустили три фаланги пальцев, тщательно ополаскивая их водой в течение 3 мин. При этом молочная кислота (лактат) и мочевина, находящаяся на поверхности кожи, переходили в раствор.

2-й этап. В полученных смывах кожи как можно быстрее проводилось определение лактата и мочевины с последующей фотосъёмкой получившегося результата.

Обнаружение лактата в полученном растворе проводили с помощью 1% водного раствора FeCl3 – наблюдали появление светло-жёлтой окраски (реакция Берга), свидетельствующей о наличии в исходном растворе молочной кислоты.

Для обнаружения мочевины в раствор кожного экскрета добавили 1% спиртовой раствор диметилглиоксима и 25% серную кислоту. Затем пробу перемешали и поставили в кипящую водяную баню на 5–10 мин. до появления ярко-жёлтого окрашивания. В присутствии серной кислоты диметилглиоксим довольно быстро разрушается с образованием диацетила.
3-й этап. Полученные фотографии обрабатывались и загружались в приложение Color Grab для установления насыщенности цвета раствора (S) по цветовой системе HSL. По методике В.В. Меньшикова и др., концентрацию раствора можно определить по насыщенности его цвета.

Полученные результаты обрабатывались в программе Microsoft Excel и затем анализировались. Сравнивали показатели относительного содержания лактата и мочевины в кожном экскрете в 3-х разных группах:

1 группа: у 5 девушек и 5 юношей из обычного класса до физической нагрузки и после неё (10 мин. бега) прослеживали зависимость от пола;

2 группа: у 5 юношей после небольшой физической нагрузки (10 мин. бега) и 5 юношей после длительной физической нагрузки (40-минутный урок физкультуры) прослеживали зависимость содержания от интенсивности физической нагрузки;

3 группа: у 5 юношей из обычного класса и 5 юношей из спортивного класса до нагрузки и после неё (40-минутный урок физкультуры) прослеживали зависимость содержания метаболитов от степени натренированности человека.

Результаты фиксировались в соответствующих таблицах.

Результаты

1. В пробах на лактат после физической нагрузки наблюдалась более интенсивная окраска, что свидетельствует о большом содержании молочной кислоты, значит концентрация лактата в экскрете кожи меняется в зависимости от физической нагрузки. Скорее всего, это происходит из-за большей интенсивности гликолиза во время физической активности.

2. Были построены диаграммы зависимости насыщенности цвета раствора (проба с лактатом) от времени физических нагрузок.

3. Повышение показателя насыщенности цвета раствора происходило во всех трёх группах. Первоначальное значение лактата было схожее (28,6% у девушек, 25% у юношей и 29% у юношей-спортсменов). После физической активности насыщенность раствора у девушек была несколько выше как после небольшой нагрузки, так и после длительной по сравнению с юношами своего класса. Это говорит о том, что после физических упражнений уровень лактата у девушек повышается больше, чем у юношей.

Если сравнить показатели у юношей из обычного класса и у юношей из спортивного класса, то можно отметить, что изменения уровня насыщенности цвета раствора у спортсменов практически не происходит, но всё равно отмечается некоторая тенденция к его возрастанию. Такое незначительное изменение, по сравнению с уровнем насыщенности у группы обычных юношей, говорит о том, что в этих пробах отмечалось более низкое содержание лактата, что указывает на более высокий уровень натренированности спортсменов. Автор предположил, что это может указывать на более активную работу ферментной системы лактатдегидрогеназы, которая превращает лактат обратно в пуруват, и/или на более высокий запас миоглобина (белок в мышцах, который запасает кислород) у спортсменов из-за тренировок. Так как основной источник лактата в организме – это гликолиз, можно сказать, что интенсивность гликолиза определяется физической натренированностью человека.

4. Определили в пробах кожных смывов мочевину. Визуально наблюдалась более интенсивная окраска раствора в пробах после физической нагрузки, что говорит о большем содержании мочевины в них. После небольшой физической активности произошло небольшое повышение насыщенности раствора во всех трёх группах (в среднем с 18,1% до 27%). Разницы в пробах между 10 мин. и 40 мин. нагрузки практически не было (у девушек и спортсменов значение даже немного уменьшилось). Таким образом, после небольшой физической нагрузки в пробах всех трёх групп увеличился уровень мочевины, что говорит о повышении интенсивности азотистого обмена во время физических нагрузок.

В то же время нужно отметить, что при продолжении физической активности показатели насыщенности раствора больше не возрастали. Несколько выше отмечалась насыщенность раствора у юношей по сравнению с девушками как до нагрузки, так и после неё.

Выводы

1. Увеличение содержания лактата происходит при увеличении длительности физической активности – чем длиннее была физическая активность, тем больше было содержание лактата в пробе, что доказывает, что во время физической нагрузки происходит интенсивный гликолиз.

2. У девушек содержание лактата в пробах после нагрузок имеет более сильную тенденцию к увеличению по сравнению с юношами.

3. У тренированных юношей возрастание содержания лактата незначительное. Это может указывать на более активную работу ферментной системы лактатдегидрогеназы и/или на более высокий запас миоглобина у спортсменов из-за каждодневных тренировок, то есть интенсивность процессов гликолиза определяется физическим состоянием организма.

4. Увеличение содержания мочевины происходит только после краткосрочной нагрузки, что, по предположению автора, связано с большей интенсивностью азотистого обмена во время физических нагрузок, но при увеличении её длительности до 40 мин. количество мочевины оставалось примерно таким же для всех групп исследуемых.

5. Различий в содержании мочевины от степени тренированности у юношей не выявлено.

Перспективы использования результатов работы

Работа может быть использована для наглядных физиологических опытов в разделе «Метаболизм» на уроках биологии.
Результаты исследования позволят ученикам спортивных классов простыми способами отслеживать свою степень натренированности.