Биохимические основы энергообеспечения мышечной деятельности. Зоны энергообеспечения. Лактатная система ресинтеза АТФ

В. Н. Селуянов
ПНИЛ, РГАФК, Москва

Соревновательная деятельность в борьбе продолжается 5-9 мин. и завершается, как правило, предельным утомлением спортсмена. В циклических видах спорта такая деятельность может быть сопоставлена с соревновательной деятельностью бегуна на 1500-3000 м. Поскольку этот вид деятельности хорошо изучен в физиологии, то достаточно легко найти экспериментальные данные и физиологические механизмы, объясняющие результативность такой деятельности.

Например, возьмем данные B. Saltin et al. (Onset of exercise // Simposium. — Toulouse. — 1972. — P. 63-76.) В этой работе представлены данные об изменении АТФ, КрФ, гликогена, лактата в мышце (латеральной головке четырехглавой мышцы бедра), и лактата в крови при выполнении педалирования на велоэргометре с мощностью МПК.

Механизм энергообеспечения такой работы может быть описан следующим образом. В начале, для преодоления внешнего сопротивления, которое составляет около 40 % от МАМ, должны быть рекрутировано около 40 % МВ. Эти мышечные волокна являются окислительными. В них начинается трата молекул АТФ и ресинтез их за счет энергии молекул КрФ. Свободные Кр и неорганический фосфат активизируют деятельность гликолиза и окисления жиров одновременно. Через 10-15 с после начала упражнения запасы АТФ и КрФ в рекрутированных МВ значительно снижаются, поэтому мощность работы этих мышечных волокон падает в 2-3 раза. Это заставляет спортсмена рекрутировать новые МВ в количестве, необходимом для поддержания заданной мощности. Следовательно, следующие 10-15 с работа поддерживается за счет аэробных процессов в ранее рекрутированных МВ и энергии АТФ и КрФ в новых МВ. Затем, описанный механизм рекрутирования МВ, продолжает развиваться. Начинают подключаться к работе гликолитические МВ, которые после исчерпания запасов АТФ и КрФ начинают работать в анаэробном гликолизе с образованием лактата и ионов водорода. По данным B. Saltin et al. (1972) интенсивный рост концентрации лактата в мышце начинается после минуты работы. Продолжительность работы рекрутированных гликолитических МВ не превышает одной минуты, поскольку закисление МВ приводит к потере силы и мощности их функционирования. Поэтому работа с заданной мощностью будет продолжаться до тех пор, пока есть что рекрутировать. В момент исчерпания всех МВ заданная мощность уже не может больше поддерживаться. В этот момент мышцы предельно закисляются, потребление кислорода, ЧСС и легочная вентиляция достигаю также предельных величин. Испытуемый испытывает тяжелое физиологическое состояние и отказывается от продолжения работы. Если работа продолжалась 6 мин., то за это время потребление кислорода мышцами составит: V(О 2) АнП × 6 мин. = 4 л/мин х 6 мин. = 24 л/мин. Если мощность работы составила 400 Вт или 5,3 л О 2 /мин, то кислородный запрос упражнения составит 5,3 × 6 мин. = 32 л О 2 . Дефицит кислорода составил 8 л, из него 2-3 л приходится на АТФ и КрФ, а на анаэробный гликолиз 5-6 л.

Следовательно, основным механизмом энергообеспечения является аэробный (24/32 × 100 % = 75 %, алактатный 2/32 × 100 % = 6,3 %, анаэробный гликолиз 6/32 × 100 % = 18,7 %). Эта оценка в целом согласуется с данными многих авторов.

Заметим также, что с ростом потребления кислорода на уровне АнП, когда он приближется по своей величине к МПК, наблюдается увеличение продолжительности работы на уровне МПК, снижается степень закисления мышц и крови. В целом вклад в запрос кислорода аэробных процессов растет и может достигать 90 %.

Отсюда следует приоритет в развитии аэробного механизма энергообеспечения у спортсменов, выполняющих предельную мышечную работу в пределах 5-9 мин.

Единственным специалистом, результаты которого вошли в противоречие с общеустановленными представлениями является В. В. Шиян (1997). На основании исследования соревновательной деятельности различных видов борьбы он пришел к выводу о приоритете анаэробного механизма энергообеспечения.

На основе анализа биоэнергетических характеристик у спортсменов различных видов спорта им было установлено, что «у борцов существенно меньше показатели бионергетических функций, чем у представителей других видов спорта». Например, борцы имеют аэробную мощность (МПК) 58 мл/мин/кг, тогда как у бегунов на дистанцию 800 м и более длинные более 70 мл/мин/кг. Автор предположил, что отставание в развитии борцов связано с отставанием в теории и методике подготовки высококвалифицированных борцов по сравнению с другими видами спорта.

Эта аргументация поверхностная, а обнаруженное явление легко объяснить, если придерживаться концепции о периферическом лимитирующем факторе МПК. В этом случае потребление кислорода определяется массой митохондрий потребляющих кислород в активных мышцах ног, сердце и дыхательных мышц. При педалировании на велоэргометре основную работу выполняют только мышцы ног, поэтому при делении на массу тела, в которую входят у борцов существенно гипертрофированные и массивные мышцы спины, живота и рук, при равных абсолютных величинах МПК относительные величины МПК у борцов окажутся ниже при сравнении с представителями других видов спорта без существенной гипертрофии мышц пояса верхних конечностей.

Другим аргументом В. В. Шияна стали данные факторного анализа, из которых следовало, что вклад в общую дисперсию аэробных способностей борцов составил только 10 %, а основная дисперсия пришлась на анаэробные возможности — более 90 %. Следовательно, «подготовка борца высокой квалификации (особенно этап подготовки к соревнованиям), должна быть направлена на максимальное развитие преимущественно анаэробноых возможностей спортсменов». Такая аргументация не выдерживает следующей критики. При изучении однородных выборок спортсменов наиболее важные для достижения высоких спортивных результатов показатели у всех спортсменов должны быть примерно равными, следовательно, должны мало варьировать. Показатели, которые существенно варьируют, не имеют принципиального значения для данного вида спорта. Из этого следует, что именно анаэробные показатели не имеют принципиального значения при оценке уровня подготовленности борцов высокой квалификации.

Подтверждение нашей аргументации можно найти при анализе соревновательной деятельности борцов. Например, по данным В. В. Шияна (1997) активность победителей и надежность технических действий выше чем у побежденных на 30-50 %, а закисление у победителей либо меньше, либо статистически достоверно не различались (рН = 7,158, б = 0,077). Из этого следует, что более высокая активность борцов победителей определялась их более высокой аэробной подготовленностью.

Другим важным аргументом в пользу важности аэробной подготовленности борцов являются данные о тестировании и норме специальной выносливости борцов. В. В. Шиян (1997) использовал в своих исследованиях тест — педалирование на велоэргометре, три раза по одной минуте предельной нагрузки. После тестирования на 3-5 мин. бралась кровь из мочки уха, для определения рН. По данным тестирования по формуле определяли гликолитическую эффективность:

АнГЭ = ΣАi/(100 х ΔpH)

Где ΣАi сумма трех работ, выполненных в одноминутных предельных упражнениях, ΔpH — изменение степени закисления крови по данным анализа крови до и после тестирования.

Аналогичная формула использовалась для оценки специальной выносливости (коэффициент специальной выносливости):

КСВ = 100/(Σti х ΔpH),

Σti — сумма трех работ, выполненных в виде серий по 15 бросков чучела, с.

Анализ этих уравнений показывает, что при равном объеме выполненной работы уменьшение степени закисления крови ведет к росту специальной выносливости. Следовательно, показатели АнГЭ и КСВ характеризуют уровень аэробных возможностей спортсмена. К сожалению результаты, получаемые по этим формулам, получили некорректную интерпретацию. В. В. Шиян (1997) предположил, что одноминутная работа связана преимущественно с анаэробным механизмом энергообеспечения — анаэробным гликолизом, поэтому показатель КСВ должен характеризовать анаэробную гликолитическую мощность. При такой интерпретации ведущим фактором роста специальной выносливости становится анаэробный гликолиз.

Вывод

Литература

В. В. Шиян Совершенствование специальной выносливости. — М.: ФОН, 1997. — 166 с.

B. Saltin et al. Onset of exercise //Simposium. — Toulouse. — 1972. — P. 63-76.

Сегодня мы поговорим про энергообеспечение мышечной деятельности . Как вы знаете для работы любых систем нашего организма необходима энергия, давайте подробно разберемся в механизме энергообеспечение мышц.

Источником энергии в нашем организме является молекула АТФ (аденозинтрифосфат). Количество молекул АТФ ограничено, поэтому требуется постоянный их ресинтез.

Энергообеспечение мышц на деле

Достаточно теории, давайте рассмотрим энергообеспечение мышц на примере какого-нибудь вида спорта.

Расщепление креатинфосфата

Это самый первый источник восстановления молекулы АТФ. Вы сможете выполнять работу где-то 10 секунд, после 30 секунд запасы креатинфосфата снизятся до 50%. Немного поразмыслив, можно с уверенностью сказать, что этот способ энергообеспечения работает в пауэрлифтинге или тяжелой атлетике, где стоит задача поднять максимально большой вес.

Анаэробный гликолиз

Гликолиз включается в работу где-то через 30 секунд после начала подхода и может ресинтезировать энергию несколько минут. Этот бескислородный способ энергообеспечения больше заметен в бодибилдинге. Как раз быстрые мышечные волокна работают в этот момент. Быстрые мышечные волокна обладают большими размерами, это объясняет, почему бодибилдеры тренируются в такой манере.

Окисление

Окисление – аэробный (кислородный) путь получения энергии, он самый дешевый, но требует много времени, так как кислород нужно ещё получить и кроме этого его надо усвоить. Этот способ энергии можно увидеть у марафонцев. Окисление обеспечивает работу медленных мышечных волокон , марафонцы не показывают мощности, они работают в легком темпе на протяжение долгого времени, что характерно для медленных волокон.

P.S.

Я думаю сегодняшней информации будет достаточно. Вы поняли, как работает система энергообеспечения мышечной деятельности. Конечно возникнет много вопросов, но это уже другие темы, которые были здесь затронуты. Ждите новых статей.

Работающим мышцам необходима энергия. Следовательно, любая физическая нагрузка требует поставки энергии. В нашем организме существуют разные системы энергообеспечения, каждая из которых имеет свои особенности. Составление оптимальной тренировочной программы возможно только при хорошем знании принципов энергообеспечения.

Если прислушаться к своему организму, то можно достаточно точно установить, какая именно из систем в данный момент задействована для снабжения работающих мышц энергией. Однако, на практике, многие спортсмены не прислушиваются к сигналам своего организма, в соответствии с которыми они могли бы вносить изменения в свою тренировочную программу. Многие спортсмены тренируются слишком интенсивно или слишком однообразно, некоторые тренируются с чрезмерно низкой интенсивностью. Как бы то ни было, ни те, ни другие, никогда не смогут достичь желаемых результатов. Установить оптимальную тренировочную интенсивность можно двумя способами: при помощи замеров уровня лактата (молочной кислоты) в крови или при помощи регистрации частоты сердечных сокращений (ЧСС). Используя оба или один из этих методов, спортсмены часто добиваются более высоких результатов даже при меньшем объеме и интенсивности тренировок.

Энергетические системы

В организме человека существует такое высокоэнергетическое химическое вещество как аденозинтрифосфат (АТФ), которое является универсальным источником энергии. Во время мышечной деятельности АТФ распадается до аденозинфосфата (АДФ). В ходе этой реакции высвобождается энергия, которая непосредственно используется мышцами для энергии.

АТФ -> АДФ + энергия

организме поддерживается относительное постоянство этого вещества, что позволяет мышцам работать без остановки.

Выделяют три основных системы ресинтеза АТФ: фосфатную, лактат-ную и кислородную.

Фосфатная система

Фосфатный механизм ресинтеза АТФ включает использование имеющихся запасов АТФ в мышцах и быстрый ее ресинтез за счет высокоэнергетического вещества креатинфосфата (КрФ), запасы которого в мышцах ограничиваются 6-8 с интенсивной работы. Реакция ресинтеза АТФ с участием КрФ выглядит следующим образом:

КрФ + АДФ → АТФ + креатин

Фосфатная система отличается очень быстрым ресинтезом АТФ из АДФ, однако она эффективна только в течение очень короткого времени. При максимальной нагрузке фосфатная система истощается в течение 10 с. Вначале в течение 2 с расходуется АТФ, а затем в течение 6-8 с - КрФ. Такая последовательность наблюдается при любой интенсивной физической деятельности. Фосфатная система важна для спринтеров, футболистов, прыгунов в высоту и длину, метателей диска, боксеров и теннисистов, то есть для всех взрывных, кратковременных, стремительных и энергичных видов физической деятельности.

Скорость ресинтеза КрФ после прекращения физической нагрузки также очень высока. Запасы высокоэнергетических фосфатов (АТФ и КрФ), израсходованных во время нагрузки, восполняются в течение нескольких минут после ее завершения. Уже через 30 с запасы АТФ и КрФ восстанавливаются на 70%, а через 3-5 мин восстанавливаются полностью.

Для тренировки фосфатной системы используются резкие, непродолжительные, мощные упражнения, чередующиеся с отрезками отдыха. Отрезки отдыха должны быть достаточно длительными, чтобы успевал происходить ресинтез АТФ и КрФ (график 1).

Уже через 8 недель спринтерских (скоростных) тренировок значительно увеличивается количество ферментов, которые отвечают за распад и ре-синтез АТФ. Если АТФ распадается быстрее, то, следовательно, и высвобождение энергии происходит быстрее. Таким образом, тренировка не только повышает запасы АТФ и КрФ, но и ускоряет процесс распада и восстановления АТФ. Такая адаптация организма (увеличение запасов АТФ/КрФ и повышение ферментативной активности) достигается путем сбалансированной тренировочной программы, включающей как аэробные, так и спринтерские тренировки.

Фосфатная система называется анаэробной, потому что в ресинтезе АТФ не учавствует кислород, и алактатной, поскольку не образуется молочная кислота.

Кислородная система

Кислородная, или аэробная, система является наиболее важной для спортсменов на выносливость, поскольку она может поддерживать физическую работу в течение длительного времени.

Кислородная система обеспечивает организм, и в частности мышечную деятельность, энергией посредством химического взаимодействия пищевых веществ (главным образом, углеводов и жиров) с кислородом. Пищевые вещества поступают в организм с пищей и откладываются в его хранилищах для дальнейшего использования по необходимости. Углеводы (сахар и крахмалы) откладываются в печени и мышцах в виде гликогена. Запасы гликогена могут сильно варьироваться, но в большинстве случаев их хватает как минимум на 60-90 мин работы субмаксимальной

интенсивности. В то же время запасы жиров в организме практически неисчерпаемы.

Углеводы являются более эффективным "топливом" по сравнению с жирами, так как при одинаковом потреблении энергии на их окисление требуется на 12% меньше кислорода. Поэтому в условиях нехватки кислорода при физических нагрузках энергообразование происходит в первую очередь за счет окисления углеводов. Поскольку запасы углеводов ограничены, ограничена и возможность их использования в видах спорта на выносливость. После исчерпания запасов углеводов к энергообеспечению работы подключаются жиры, запасы которых позволяют выполнять очень длительную работу.

Вклад жиров и углеводов в энергообеспечение нагрузки зависит от интенсивности упражнения и тренированности спортсмена. Чем выше интенсивность нагрузки, тем больше вклад углеводов в энергообразование. Но при одинаковой интенсивности аэробной нагрузки тренированный спортсмен будет использовать больше жиров и меньше углеводов по сравнению с неподготовленным человеком. Таким образом, тренированный человек будет более экономично расходовать энергию, так как запасы углеводов в организме небезграничны.

Производительность кислородной системы зависит от количества кислорода, которое способен усвоить организм человека. Чем больше потребление кислорода во время выполнения длительной работы, тем выше аэробные способности. Под воздействием тренировок аэробные способности человека могут вырасти на 50%.

Окисление жиров для энергии происходит по следующему принципу:

Жиры + кислород + АДФ → углекислый газ + АТФ + вода

Полученный в ходе реакции окисления углекислый газ выводится из организма легкими.

Распад углеводов (гликолиз) протекает по более сложной схеме, в которой задействуются две последовательные реакции:

Первая фаза:

глюкоза + АДФ → молочная кислота + АТФ

Вторая фаза:

молочная кислота + кислород +АДФ → углекислый газ +АТФ + вода

Моя статья о работе энергетических систем будет полезной тем, кто ходит на семинары инструкторов тренажёрного зала или групповых программ. Многие эту тему не понимают или понимают неправильно. Ниже я вкратце попытался разъяснить принцип включения различных систем в энергообеспечение физических нагрузок.

Д.А.Жабкин
РАБОТА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОРГАНИЗМА ПРИ АЭРОБНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

Общая характеристика энергетических систем организма

Для любого физиологического процесса в организме, требуется энергия. При мышечной деятельности происходит процесс преобразования химической энергии в механическую работу. Универсальным источником энергии в живом организме является молекула АТФ. Под действием фермента Ca 2+ -АТФ-азы АТФ гидролизуется, отсоединяя фосфатную группу в виде ортофосфорной кислоты, и превращается в АДФ, при этом высвобождается энергия.

АТФ + H 2 O → АДФ + H 3 PO 4 + 7,3 ккал (или 30 кДж)

Запас молекул АТФ в мышце ограничен (около 5 ммоль*кг-1 сырой массы ткани), что может обеспечить выполнение интенсивной работы в течение очень короткого времени (0,5-1,5 секунды или 3-4 одиночных сокращения максимальной силы). Поэтому расход энергии при работе мышцы требует постоянного его восполнения.

Дальнейшая мышечная работа происходит благодаря быстрому ресинтезу АТФ из продуктов её распада и такого количества энергии, которое выделилось при распаде:

АДФ + H 3 PO 4 + 7,3 ккал → АТФ

Мышца имеет 3 основных источника воспроизводства энергии:

1. Богатые энергией фосфатосодержащие вещества, которые присутствуют в тканях (АДФ, креатинфосфат);

2. Богатые энергией фосфатосодержащие вещества, которые образуются в процессе катаболизма гликогена, жирных кислот и других энергетических субстратов (дифосфоглицериновая кислота, фосфопировиноградная кислота и др.);

3. Энергия протонного градиента на мембране митохондрий, образующаяся в результате окисления различных веществ.

В зависимости от того, с помощью какого биохимического процесса поставляется энергия для получения молекул АТФ, выделяют 4 механизма ресинтеза АТФ в тканях или энергетические системы организма.

Для того, чтобы понять основные отличия энергетических систем, пользуются следующими характеристиками:

Ёмкость энергетической системы – это количество АТФ, способное образоваться за счёт данной системы.

Мощность энергетической системы – это количество АТФ, производимое системой за единицу времени.

Скорость развёртывания – время достижения максимальной мощности системы от начала работы.
Метаболическая эффективность – та часть энергии, которая накапливается в макроэргических связях АТФ. Она определяет экономичность выполняемой работы и оценивается коэффициентом полезного действия.

Таблица 1. Общая характеристика энергетических систем

Данные в таблице 1 получены путём измерения данных показателей у высококвалифицированных спортсменов. У нетренированных людей данные значения ниже.

Теперь остановимся поподробнее на отдельных энергетических системах.

Креатинфосфатная (фосфогенная, алактатная) система

АТФ в этой системе образуется в результате реакции Ломана, которая происходит в присутствии фермента креатинфосфаткиназы.

АДФ + КреатинФосфат → АТФ + креатин

Запасы креатинфосфата в волокне в 3-4 раза выше, чем АТФ. Но этого количества хватает для использования его в качестве источника энергии только на начальном этапе работы мышцы в первую минуту, до момента активизации других более мощных источников. По окончании работы мышцы реакция Ломана идет в обратном направлении, и запасы креатинфосфата в течение нескольких минут восстанавливаются.

Эта система определяет алактатную работоспособность мышц.

Максимальная алактатная мощность зависит от:

1. концентрации и активности фермента креатинфосфаткиназа (переносящего фосфатную группу с креатинфостфата на АДФ).

2. концентрации креатинфосфата.

Длительность удержания максимальной алактатной мощности составляет 6-12 секунд.
Алактатная емкость зависит от запасов креатинфосфата в мышце.

Эффективность креатинфосфаткиназной реакции очень велика (76%), так как реакция протекает непосредственно между двумя веществами на миофибриллах.

Лактатная (гликолитическая, лактацидная) система

Гликолиз – это процесс распада одной молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты с выделением энергии, достаточной для фосфорилирования двух молекул АТФ, протекает в саркоплазме под воздействием 10 ферментов.

C 6 H 12 O 6 + 2H 3 PO 4 + 2АДФ → 2C 3 H 6 O 3 + 2АТФ + 2H 2 O

Гликогенолиз – это процесс распада гликогена.

N + 3H 3 PO 4 + 3АДФ → 2C 3 H 6 O 3 + n-1 + 3АТФ + 2H 2 O

Для работы этой системы используются в основном внутримышечные запасы гликогена, а также глюкоза, поступающая из крови.

Гликолиз протекает без потребления кислорода и способен быстро восстанавливать запасы АТФ в мышце. Достигает максимума через 30-40 секунд интенсивной работы.

Эта система определяет лактатную работоспособность мышц.

Максимальная лактатная мощность определяется главным образом концентрацией и активностью ключевых ферментов гликолиза, которые зависят от:

1. устойчивости ферментов гликолиза к повышению кислотности среды, которая ингибирует их активность.

2. устойчивости кислотно-щелочного равновесия внутренней среды мышц, в условиях усиленной выработки молочной кислоты.

Время удержания максимальной мощности данного метаболического процесса составляет 60-180 секунд.

Гликолитическая емкость определяется главным образом запасами гликогена в мышцах, гликоген печени для процессов гликолиза не обладает достаточной мобильностью.

Метаболическая эффективность гликолиза оценивается значениями КПД порядка 0,35-0,52. Это означает, что почти половина всей выделяемой энергии превращается в тепло и не может быть использована в работе.

Умеренный сдвиг pH в кислую сторону активирует работу ферментов дыхательного цикла в митохондриях и усиливает аэробное энергообразование.

Значительное накопление молочной кислоты, появление избыточного СО 2 , изменение рН и гипервентиляция лёгких, отражающие усиление гликолиза в мышцах, обнаруживаются при увеличении интенсивности нагрузки более 50% максимальной аэробной мощности. Этот уровень нагрузки обозначается, как порог анаэробного обмена (ПАНО). Чем раньше он будет достигнут, тем быстрее вступит в действие гликолиз, сопровождающийся накоплением молочной кислоты и последующим развитием утомления работающих мышц.

Величина ПАНО является важным показателем эффективности энергообразования в мышцах, роста степени тренированности, который широко используется при биохимическом контроле функционального состояния спортсмена. С ростом степени тренированности на выносливость ПАНО увеличивается, т.е. наступает при более интенсивной работе.

Миокиназная реакция

«Аварийный» путь ресинтеза АТФ:

АДФ + АДФ → АТФ + АМФ

Происходит в мышцах при значительном увеличении концентрации АДФ в саркоплазме. Такая ситуация возникает при выраженном мышечном утомлении, когда другие пути ресинтеза АТФ уже не справляются.

Эта реакция так же обратима и используется для поддержания постоянного уровня АТФ в мышцах.

Аэробная (кислородная, окислительная) система.

В обычных условиях аэробный механизм ресинтеза АТФ обеспечивает около 90% общего количества АТФ, ресинтезируемой в организме.

Окисление протекает в митохондриях под воздействием специальных ферментов и требует затрат кислорода, а соответственно и времени на его доставку. Такие процессы называются аэробными. Окисление происходит в несколько этапов, сначала идет гликолиз (см. выше), но образовавшиеся в ходе промежуточного этапа этой реакции две молекулы пирувата не преобразуются в молекулы молочной кислоты, а проникают в митохондрии, где окисляются в цикле лимонной кислоты до углекислого газа и воды, давая энергию для производства еще 36 молекул АТФ.

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38АДФ + 38H 3 PO 4 → 6CO 2 + 44H 2 О + 38АТФ

Итого распад глюкозы по аэробному пути дает энергию для восстановления 38 молекул АТФ. Т.е. окисление в 19 раз эффективнее гликолиза. Если во время гликолиза организм усваивает в виде АТФ лишь 3% энергии, заложенной в молекуле глюкозы, то при аэробном окислении этот показатель равен 55% (включая те самые 3%). К тому же аэробное окисление может использовать более энергоемкие субстраты, такие как жиры, которые дают в 2 раза больше энергии, чем то же количество углеводов.

Субстратами окисления являются любые органические вещества: белки, жиры, углеводы. Долевое участие будет зависеть от характера работы:

Эта система определяет аэробную работоспособность мышц.

Максимальная аэробная мощность зависит главным образом от:

1. плотности митохондрий в мышечных волокнах;

2. концентрации и активности окислительных ферментов;

3. скорости поступления кислорода вглубь волокна.

Объем кислорода доступного для окислительных реакций лимитируется:

1. состоянием кардио-респираторной системы;

2. капилляризация мышц;

3. концентрация миоглобина;

4. диаметр мышечного волокна (чем меньше диаметр волокна, тем лучше оно снабжается кислородом и тем выше его относительная аэробная мощность).

Показатель количества кислорода, усваиваемого единицей массы тела за единицу времени – МПК (максимальное потребление кислорода).

Скорость производства АТФ за счет окисления достигает максимальных значений на 2-3-й минуте работы, что связано с необходимостью развертывания множества процессов, обеспечивающих доставку кислорода к митохондриям. Время удержания максимальной аэробной мощности составляет примерно 6 минут, в дальнейшем аэробная мощность снижается по причине усталости всех активно работающих систем организма.

Аэробная ёмкость очень высокая, т.к. для окисления используются любые органические вещества.
Метаболическая эффективность этого механизма – около 50%. Она определяется по ПАНО: у нетренированных людей ПАНО наступает при потреблении кислорода примерно 50% от МПК, а у высокотренированных на выносливость – при 80-90% от МПК.

Общая характеристика аэробных физических нагрузок

В спортивный практике к упражнениям аэробного характера относят длительные физические упражнения, где относительный вклад аэробного процесса в затратах энергии превышает 70%.

К аэробным циклическим упражнениям (по Я.М.Коцу, 1986) относятся:

1. упражнения максимальной аэробной мощности (3-10 минут);

2. упражнения близкой к максимальной аэробной мощности (10-30 минут);

3. упражнения субмаксимальной аэробной мощности (30-80 минут);

4. упражнения средней аэробной мощности (80-120 минут);

5. упражнения малой аэробной мощности (более 120 минут).

Аэробный механизм является основным при таких видах спорта, как: бег на дистанции 5-25 км, велогонки, плавание на 800-1500 м, бег на коньках на 5-10 км и др.

Ёмкость аэробного механизма, которая в значительной степени определяется запасами гликогена в скелетных мышцах и печени, а также уровнем утилизации кислорода мышцами, существенно повышается уже в течение 1,5-2 месяцев тренировки на выносливость.

Мощность аэробного механизма, которая зависит от МПК и активности окислительных ферментов, также увеличивается в процессе адаптации к мышечной деятельности через 2-3 месяца тренировок.
Аэробная направленность физических нагрузок происходит, как правило, в зоне умеренной мощности. При этом упражнения выполняются при максимуме аэробного производства энергии.

Кислородный запрос может достигать 500-1500 л, кислородный долг не превышает 5 л (до 10%). Содержание молочной кислоты в крови составляет 0,6-0,8 г*л-1. В ходе работы она может извлекаться тканями и аэробно окисляться в них.

Вследствие усиленного использования запасов гликогена в печени, содержание глюкозы в крови становится ниже 0,8 г*л-1. В моче в значительном количестве появляются продукты распада белков. Отмечается потеря организмом воды и минеральных солей.

Основными упражнениями для развития аэробных процессов энергообеспечения будут физические нагрузки, относящиеся к зоне большой и умеренной мощности с интенсивностью работы на уровне ПАНО и 100% МПК.

Работа энергетических систем во время аэробной физической нагрузки

Для большей вариабельности рассмотрим несколько вариантов аэробной физической нагрузки.
При беге на длинные дистанции (5 и 10 км) аэробное окисление углеводов является основным механизмом энергообеспечения работы, так как на его долю приходится до 87% общих затрат энергии на дистанции 5 км и 97% на дистанции 10 км.

Вклад анаэробных источников на этих дистанциях также достаточно большой. Он может достигать 15% общих затрат энергии и играет важную роль при финишном ускорении, приносящем победу при беге на длинные дистанции.

Наиболее значительным фактором, влияющим на выносливость, является кислородное снабжение работающих мышц, поскольку потребление кислорода во время бега поддерживает максимальную скорость окисления углеводов. Порог анаэробного обмена у стайеров при работе достигается при 75-90% МПК.

При марафонском беге затраты энергии восполняются исключительно за счёт аэробного процесса. Погашение этих затрат невозможно только за счёт окисления углеводов из-за недостаточности запасов гликогена в работающих мышцах спортсмена, поэтому значительная часть энергии образуется за счёт окисления жиров, на долю которых может приходится от 10 до 50% общих затрат энергии.

Вклад жиров на длинных и сверхдлинных дистанциях у высокотренированных бегунов с большими запасами гликогена в работающих мышцах составляет 12-20%, у нетренированных бегунов – более 80%. Всего на дистанции марафонского бега окисляется около 300 г жиров.

Использование жиров в качестве источника энергии менее эффективно по сравнению с окислением углеводов, так как происходит с более низкой скоростью и с большим потреблением кислорода.

Рис 2. Механизмы энергообеспечения бега на 10 000 м и марафонского бега (пунктирная черта показывает момент исчерпания запасов гликогена)

При длительной работе наряду с увеличением использования в энергетическом обмене жиров может происходить новообразование углеводов из веществ неуглеводной природы (глюконеогенез).
Основным субстратом глюконеогенеза являются аминокислоты, часть которых накапливается в мышце при работе в результате распада тканевых белков.

Рассмотрим, как включаются в работу энергетические системы во время аэробных физических нагрузок.

Таблица 2. Вклад различных источников энергии в обеспечение ресинтеза АТФ при беге в аэробном режиме работы (в %).

При переходе из состояния покоя к мышечной деятельности потребности в кислороде возрастает в несколько раз, но сразу она не может быть удовлетворена. Необходимо время, чтобы усилилась деятельность кардиореспираторной системы, чтобы кровь, обогащённая кислородом смогла дойти до работающих мышц. По мере усиления активности работы этих систем постепенно увеличивается потребление кислорода в работающих мышцах. Скорость потребления кислорода увеличивается до тех пор, пока не наступит истинное устойчивое состояние метаболических процессов, при котором потребление кислорода в данный момент времени точно соответствует потребности организма в нём (кислородному запросу).

До этого момента потребность организма в энергии обеспечивается большей частью за счёт работы анаэробных энергетических систем. Как мы уже отмечали выше, скорость развёртывания креатинфосфатной системы до полной мощности – доли секунды, лактатной – около половины минуты. В зависимости от того, какой кислородный запрос работы имеет нагрузка, кислородный дефицит на начальном её этапе восполняется за счёт разного участия анаэробных систем, но в любом случае развёртывания этих систем на полную мощность при нагрузках аэробного характера не требуется. В результате происходит накопление в организме недоокисленных продуктов анаэробного распада.

Рис 3. Кислородный приход, кислородный дефицит и кислородный долг при аэробной работе (а) лёгкой, (б) тяжёлой интенсивности. 1 – быстрый, 2 – медленный компоненты кислородного долга.

При работе в устойчивом состоянии часть анаэробных метаболитов может окисляться за счёт усиления аэробных реакций в процессе работы, а другая их часть устраняется после работы.

При выполнении работы с уровнем запроса около 50% МПК прирост концентрации молочной кислоты невелик (до 0,4-0,5 г/л), а при выполнении продолжительных нагрузок с уровнем запроса 50-85% МПК, возрастает до 1-1,5 г/л. Концентрация молочной кислоты значительно возрастает в первые 2-10 минут работы, а затем либо остаётся на прежнем уровне, либо снижается. То есть максимальная концентрация молочной кислоты в крови наблюдается до тех пор, пока не установилось устойчивое состояние, создающее условия для аэробного её окисления.

Для восстановления энергетических источников и окисления недоокисленных продуктов требуется дополнительное количество кислорода, поэтому некоторое время после окончания работы потребление его продолжает оставаться повышенным по сравнению с уровнем покоя. Этот излишек потребления кислорода в период восстановления получил название «кислородный долг».

Кислородный долг всегда больше кислородного дефицита. Чем больше интенсивность и продолжительность работы, тем кислородный долг выше.

После работы в устойчивом состоянии кислородный долг наполовину восполняется уже за 30 секунд, а полностью через 3-5 минут. После интенсивной работы «погашение» долга происходит в две фазы.

Быстрый (алактатный) компонент кислородного долга включает то количество кислорода, которое необходимо для ресинтеза АТФ и креатинфосфота. Он характеризует вклад креатинфосфатной энергетической системы в обеспечении выполненной работы.

Медленный (лактатный) компонент кислородного долга включает то количество кислорода, которое необходимо для окисления образовавшейся молочной кислоты при выполнении работы. Его величина характеризует участие лактатной энергетической системы, а при длительной работе – и других процессов, долю которых оценить весьма затруднительно. Медленный компонент устраняется наполовину за 15-25 минут, а полностью – за 1,5-2 часа.

Подводя итог, хочется отметить следующее:

Во время аэробной физической нагрузки работают все энергетические системы организма, но подавляющую роль играет аэробная система;

Все системы начинают работать одновременно с началом нагрузки, но за счёт разной скорости развёртывания процессов энергообразования, аэробная система полностью обеспечивает кислородный запрос не сразу, и на начальном этапе (несколько минут) кислородный приход компенсируют анаэробные энергетические системы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков Н.И., Несен Э.Н., Осипенко А.А., Корсун С.Н. Биохимия мышечной деятельности – Киев: Олимпийская литература, 2000
2. Граевская Н.Д., Долматова Т.И. Спортивная медицина: Курс лекций и практические занятия. В 2х частях. – М.: Советский спорт, 2004
3. Ким Н.К., Дьяконов М.Б. Фитнес. Учебник – М.: Советский спорт, 2006
4. Макарова Г.А. Медицинский справочник тренера – М.: Советский спорт, 2004
5. Руненко С.Д. Фитнес: мифы, иллюзии, реальность – М.: Советский спорт, 2005
6. Протасенко В.А. Думай! Или "Супертренинг" без заблуждений, - журнал «Мускуляр», 2001
7. Хоули Э., Дон Френкс Б. Руководство инструктора оздоровительного фитнеса – Киев. Олимпийская литература, 2004

Если работоспособность во время деятельности спринтерского характера определяется возможностями анаэробной системы энергообразования, то работоспособность на выносливость обуславливается способностью синтезировать АТФ в аэробном режиме. Следовательно, потенциальные возможности для выполнения аэробной работы в большей степени определяются наличием кислорода.

Интенсивность и продолжительность нагрузки имеет обратную взаимосвязь. То есть, когда дистанция или время работы увеличиваются, спортсмен снижает свою интенсивность или скорость. Например, бегун не может бежать марафон (42,2 км) так же быстро, как 10000 м. Для каждой заданной дистанции или продолжительности нагрузки вы можете работать только с определенной интенсивностью, выражаемой в процентах от вашего МПК.

Использование аэробной и анаэробной систем при различных видах физической деятельности

Схема 12-3. Если спринтерский бег на 100 м считается чисто анаэробным упражнением, а марафон чисто аэробным, то большинство других видов физической активности используют АТФ из обеих систем. Спортсменам следует тренировать обе системы в соответствии с требованиями их вида спорта.

Аэробная система не может поддерживать одинаковый уровень интенсивности на всех дистанциях. Хорошо подготовленный бегун на средние и длинные дистанции может бежать 1500 м с интенсивностью 100% от своего МПК. На дистанции 5000 м он способен работать с интенсивностью 95% МПК. На дистанции 10 км - с интенсивностью 90% МПК.

Существует еще одна причина, почему во время длительного упражнения на выносливость организм не способен работать близко к своей аэробной мощности на протяжении всей дистанции. При длительной работе, длящейся более 90-120 минут, запасы гликогена в мышцах постепенно снижаются, в связи с чем падает и интенсивность нагрузки.

Факторы, влияющие на вид используемого топлива при физической нагрузке Какой источник энергии будут использовать ваши мышцы во время нагрузки определяется целым рядом факторов. К ним относятся интенсивность нагрузки,

продолжительность нагрузки, а также уровень тренированности.

Мышечный гликоген является основным источником углеводов в организме человека (300-400 г углеводов или 1200-1600 ккал), следом идет печень (75-100 г или 300-400 ккал), а затем глюкоза крови (25 г или 100 ккал).

Интенсивность нагрузки

Интенсивность нагрузки играет очень важную роль в выборе источника энергии для ваших мышц. Высокоинтенсивная и кратковременная работа (бег на 100-200м) поддерживается благодаря анаэробной системе энергообразования. В этом случае в качестве источника энергии может быть использована только глюкоза, полученная главным образом из распада мышечного гликогена.

При анаэробном распаде глюкозы мышечный гликоген утилизируется в 18 раз быстрее, чем при аэробном. Более стремительный распад мышечного гликогена будет происходить также во время высокоинтенсивной нагрузки (свыше 70% МПК), когда в помощь к аэробной системе ресинтеза АТФ подключается анаэробная.

Длительная смешанная анаэробно-аэробная работа (футбол, баскетбол, интервальные нагрузки в беге или плавании) также приводит к быстрому распаду мышечного гликогена.

Мышечный гликоген и кровяная глюкоза обеспечивают половину всей энергии во время аэробной работы умеренной интенсивности (60% МПК или ниже) и обеспечивают почти всю энергию во время интенсивной работы (свыше 80% МПК).

Работа низкой и умеренной интенсивности (до 60% МПК) может практически полностью поддерживаться за счет аэробной системы. Гормональные изменения, которые происходят при физической нагрузке - повышение уровня адреналина и снижение уровня инсулина - стимулируют ваши мышцы и жировую ткань к расщеплению жира на жирные кислоты. Жирные кислоты, извлекаемые из внутримышечного жира и жировой ткани, обеспечивают около половины энергии при физической работе низкой и умеренной интенсивности. Остальная часть энергии освобождается из гликогена

и глюкозы.

Существует несколько причин, почему жир не может использоваться в качестве источника энергии во время высокоинтенсивной нагрузки (около 70% МПК). Во-первых, расщепление жира до АТФ - это медленный процесс, который не способен образовывать АТФ так быстро, чтобы обеспечить энергией высокоинтенсивную нагрузку.

Во-вторых, глюкоза дает больше калорий на литр кислорода, чем жиры. Глюкоза поставляет 5,10 ккал на литр кислорода, а жиры - 4,62 ккал. При нехватке кислорода во время высокоинтенсивной нагрузки использование глюкозы приносит мышцам явное преимущество, поскольку для синтеза энергии требуется меньше кислорода.

Переход от использования жиров к использованию глюкозы по мере нарастания интенсивности нагрузки также частично связан с накоплением молочной кислоты. Молочная кислота затрудняет утилизацию жиров мышцами во время высокоинтенсивной нагрузки. Таким образом, мышцам приходится больше полагаться на гликоген для синтеза энергии.

Продолжительность нагрузки

Продолжительность нагрузки также определяет источник энергии, который будет использоваться во время физической работы. Чем дольше вы упражняетесь, тем больше вклад жира в общее энергообразование. При нагрузке умеренной интенсивности, длящейся от 4 до 6 часов, на долю жира может приходиться до 60-70% всех потребностей в энергии.

С увеличением длительности нагрузки интенсивность неминуемо снижается

в связи с уменьшением поставки гликогена из мышц. При снижении запасов гликогена жиры дают основную часть энергии, необходимую для поддержания работы. Однако использование жира в качестве источника энергии ограничено при интенсивности нагрузки свыше 60% МПК. Кроме того, высвобождение энергии из жиров (сжигание жира) невозможно без расщепления определенного количества углеводов. То есть, в этом смысле, "жир сгорает в углеводном огне".

Исходя из вышесказанного, следует, что мышечный гликоген является доминирующим источником энергии для большинства типов физической нагрузки. Необходимо, по меньшей мере, 20 минут для того, чтобы жир стал использоваться мышцами как источник энергии в форме свободных жирных кислот. Большинство людей тренируются не достаточно долго, для того чтобы сжигать значительное количество жира во время самой тренировки. Кроме того, люди тренируются и соревнуются с интенсивностью 70% от МПК или выше, что ограничивает возможности использования жира в качестве источника энергии.

Однако это вовсе не означает, что вы должны тренироваться подолгу, чтобы терять жир. Когда тренировка создает калорийный дефицит, организм уже после нее вытягивает энергию из имеющихся жировых запасов, чтобы восполнить этот дефицит.

Уровень тренированности

Уровень подготовки спортсмена также влияет на выбор источника энергии для физической работы. Аэробные тренировки на выносливость повышают МПК, что, в свою очередь, приводит к более высокой утилизации жира, поскольку большой показатель МПК дает возможность при том же самом абсолютном уровне нагрузки в большей степени задействовать аэробный механизм для энергопроизводства.

Тренировки на выносливость повышают также анаэробный порог, при котором начинает накапливаться молочная кислота. Молочная кислота ускоряет распад гликогена, препятствуя использованию жира как источника энергии. Высокий анаэробный порог дает вам возможность при том же самом абсолютном уровне нагрузки больше использовать жир и меньше гликоген.

Тренировки на выносливость вызывают также несколько важных адаптационных изменений в мышцах, которые способствуют более высокой утилизации жира. Сжигая больше жира, вы тратите меньше гликогена. Эффект "гликогеновой экономии" крайне выгоден, поскольку запасы мышечного гликогена ограничены, а запасы жира практически неисчерпаемы.

Наконец, тренировки на выносливость увеличивают способность мышц запасать гликоген. Таким образом, тренировки на выносливость дают двойную выгоду - в начале нагрузки вы имеете более высокие запасы гликогена, а в ходе нагрузки расходуете их медленнее.