Физиология мышечной деятельности

Креатинфосфат

Скажем, бегун рванул со старта стометровки. Это какие-то секунды работы. Но чтобы обеспечить эти секунды мощной работы, необходимо восстановление (или, как говорят, ресинтез АТФ). Причем этот  ресинтез, это энергообеспечение мышечной деятельности происходит при отсутствии кислорода (в т.н. анаэробном режиме) – ведь «транспортная система» просто-напросто не успела еще доставить его к работающим мышцам. За счет чего он происходит?

Оказывается, за счет специального энергетического вещества креатинфосфата, химическая формула которого приведена ниже. Беда в одном – его очень мало, хватает на 10 – 15 секунд мощной мышечной деятельности. Собственно, здесь и ответ на вопрос, почему нельзя в спринтерском темпе пробежать, скажем, два километра.

Креатинфосфата — вещество, за счет которого происходит синтез АТФ

Повторим, эта работа – тоже очень высокой интенсивности – происходит в так называемом анаэробном режиме, когда тот самый ресинтез АТФ идет при условии острого дефицита кислорода.

Энергообеспечение мышечной деятельности

Для сокращения / расслабления / статического сокращения мышц необходим лишь один источник энергии – АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). АТФ – это высокоэнергетическое соединение, которого по умолчанию в мышцах находиться очень мало. Когда его запасы исчерпываются (после нескольких движений) для дальнейшего сокращения мышц необходимо восстановить АТФ.

В научной литературе это называется ресинтезом. Поэтому основная цель всех механизмов энергообеспечения мышечной деятельности это ресинтез АТФ. Таких механизмов известно 5:

• Креатинфосфокиназный механизм ресинтеза АТФ, его еще называют креатинфосфатным (КрФ). • Анаэробный гликолитический. • Миокиназный. • Аэробный гликолитический. • Липолитический.

Первые три относятся к безкислородным, или анаэробным, остальные функционируют при участии кислорода. Для всех механизмов энергообеспечения мышечной деятельности характерны такие свойства как емкость (время работы), мощность и скорость развертывания (скорость выхода на максимальную мощность). Также немаловажную роль для их протекания играют функциональные системы, т.е. органы (если говорить грубо), к примеру, обеспечивающие транспорт кислорода к тканям для аэробных систем

Для анаэробных большую важность будет иметь соотношение мышечных волокон разного типа, а также мощность буферных систем. По уровню функционирования этих систем во время выполнения специальных тестов можно судить об эффективности предшествующей тренировки по направленности

Но сейчас речь идет о другом.

Первый механизм ресинтеза АТФ – креатинфосфатный (можно встретить как алактатный, поскольку молочная кислота не образуется). Назван он в честь соединения креатина и фосфора, которое, при наличии АДФ (двуфосфорного соединения) и специального фермента, отдает ей свой фосфор, вследствие чего образуется новая молекула АТФ и свободный креатин. Этот механизм имеет самые большие мощность и скорость развертывания, поскольку его реакция очень простая, но самую маленькую емкость – креатинфосфата в мышцах очень мало, у обычного человека его запасов хватит всего на 10 с максимально-интенсивной работы. У спортсменов содержание КрФ в мышцах увеличено, особенно много его у спринтеров и тяжелоатлетов. Соответственно мощность и емкость этого механизма будут ограничивать результаты спортсменов продолжительность выступлений которых не превышает 20 секунд.

Энергообмен в процессе бега

Естественно, что для разной по интенсивности и продолжительности работы, необходим разный запас и мощность энергии. Например, благодаря аэробным процессам, в результате которых выделяется вода, углекислый газ и энергия, человек может выполнять длительную монотонную работу. Именно поэтому огромное значение в подготовке марафонца имеет создание крепкой аэробной базы.

Утилизация жирных кислот позволяет продержаться в самом конце марафона, когда на последнем отрезке дистанции от бегуна требуется энергия либо на достижение скорости, либо на преодоление расстояния до финиша. И здесь спортсмену очень пригодятся скоростно-силовые тренировки.

Синтетическая функция

В головном мозге глутамат является предшественником других веществ, также необходимых для его нормальной работы. С помощью фермента с мудреным названием глутаматдекарбоксилаза, он превращается в γ-аминомасляную кислоту, сокращенно называемую ГАМК.  Фермент отщепляет один из кислотных хвостов, и активатор превращается в тормоз.

Природа очень мудро придумала: если глутамат – это основной возбуждающий медиатор, то ГАМК –  основной тормозный, и глушит его сигналы. Реакция идет опять же в присутствии пиридоксальфосфата – витамина В — 6, куда же без него.

Большие дозы глутамата вредны для клеток нервной системы, постоянное возбуждение, в которое они приходят, может проявляться как повышенная раздражительность, немотивированная агрессивность, навязчивые мысли, навязчивые внутренние диалоги, а также судороги. В нормальных условиях все эти неприятности убирает ГАМК, но чтобы произошел волшебный процесс превращения, необходима добрая фея – витамин В-6. Так что если вы внезапно  заметили, что мир ополчился против вас, есть смысл погрызть кедровые орешки, возможно, мир станет к вам гораздо дружелюбнее.

Дальнейшие превращения ГАМК идут в митохондриях в присутствии кислорода и обеспечивают энергией нервные клетки.

Под действием фермента трансаминазы ГАМК претерпевает волшебное превращение: фермент отсекает аминную голову и вместо нее приставляет кислород, так получается янтарный полуальдегид.

Янтарный полуальдегид вступает в дыхательную цепь, улучшая утилизацию энергетических полуфабрикатов: пировиноградной кислоты (пирувата), яблочной кислоты (малата), молочной кислоты (лактата), глутаминовой кислоты и жирных кислот. Таким образом клетка освобождается от кислых продуктов, которые накапливаются в ней при интенсивной работе и недостатка кислорода и могут послужить причиной ее гибели.

Янтарный полуальдегид способен окисляться далее до янтарной кислоты (сукцината).

 Сукцинат является мощным источниками энергии для нервных клеток. В условиях гипоксии (недостатка кислорода) дыхательные процессы в митохондриях переключаются на его утилизацию, вырабатывая необходимую клетке энергию в виде АТФ.

 Любая чрезмерная нагрузка на организм: интенсивная работа, как физическая, так и умственная, заболевания, травмы, стрессы вызывает дополнительную потребность мозга в кислороде, возникает относительная гипоксия, т.е. для интенсивной нагрузки кислорода не хватает, и мозг начинает получать энергию через т.н. аминобутиратный шунт.

Название он получил по второму, номенклатурному наименованию ГАМК – γ-аминобутират.

Глутаминовая кислота перегоняется на ГАМК, а та в митохондриях через янтарный полуальдегид превращается в сукцинат, который дает дополнительную энергию. В условиях стресса, которым является любая интенсивная работа, потребность мозга в глутамате резко возрастает, и его достаточное количество оказывает антистрессорное действие, позволяя организму выдерживать нагрузки.

Глутаминовая кислота участвует в синтезе другого нейромедиатора – ацетилхолина через захват аммиака и превращение в глутамин. Из глутамата через глутатион образуются регуляторные пептиды мозга. Замыкаясь в циклическую форму – пироглутамат, он участвует в синтезе нейропептидов:

• люлиберина – гормона, стимулирующего выработку женских половых гормонов,
• тиролиберина – стумулирующего выработку гормонов щитовидной железы,
• нейротензина – гормоноподобного вещества, снижающего артериальное давление, регулирующего уровень сахара в крови и стимулирующего выработку веществ, которые в свою очередь заставляют яичники вырабатывать женские половые гормоны,
• бомбезина – гормоноподобного вещества, повышающего артериальное давление, стимулирующего выработку желудком и поджелудочной железы пищеварительных соков.

Энергетическая функция

Глутаминовая кислота – вещество, которое наряду с глюкозой служит источником питания для клеток головного мозга.  Проникая в митохондрии – энергетические станции клетки, глутамат окисляется с помощью ферментов, превращаясь в α-кетоглутарат, который сжигается  в дыхательной цепи с выходом энергии, запасаемой в виде АТФ.  Эта реакция идет в присутствии пиридоксальфосфата – витамина В-6, и если недостатка глутамата в питании не бывает, то гиповитаминоз – дело обычное, в результате чего головному мозгу может тупо не хватать энергии на работу, а человек, вместо того чтобы возместить недостающий витамин, ругает себя за лень или того не лучше, считает себя неспособным к интеллектуальному труду. Хорошая мысль: во время повышенной учебной или мозговой нагрузки питаться продуктами, содержащими в больших количествах пиридоксальфосфат для обеспечения энергией работающую с высокой нагрузкой нервную систему.  Это в первую очередь кедровые орехи, а также грецкие орехи и  фундук, фасоль, рыба – тунец, скумбрия. Помните: мозг питается не только глюкозой, но и глутаматом, однако без витамина В-6 он не сможет переварить эту еду: зуб неймет. Так что не морите свою рабочую лошадку голодом, дайте ей питание: и это вовсе не сладкие пастилки, а орехи и жирная рыбка.

Аэробно-анаэробная (смешанная) зона.

Способ обеспечения энергией — совместный аэробно-анаэробный. Помимо аэробного окисления, которое поставляет основное количество АТФ, активизируется гликолиз. Выполнение двигательных задач происходит за счёт совместной работы ММВ и БМВ типа А, и в меньшей степени БМВ типа Б. БМВ типа Б подключаются к работе около верхней границы зоны, где потребление кислорода примерно соответствует МПК. Так как БВМ типа Б не способны окислять лактат, то его концентрация в мышцах и, как следствие, в крови повышается, что приводит к интенсификации лёгочной вентиляции и формированию кислородного долга. На данном этапе выполнения упражнения наступает порог анаэробного обмена (ПАНО), обозначающий переход обеспечения энергией на преимущественно анаэробные реакции.

ЧСС ДО 180?185 уд/мин. Лактат в крови до 10 ммоль/литр, потребление кислорода — 80?100 % МПК. Субстрат — преимущественно гликоген и глюкоза. В результате тренировок в этой зоне развивается специальная и силовая выносливость в смешанных режимах. Это актуально для развития комплексных форм выносливости для различных видов спорта — игровых и прикладных. Систематические тренировочные занятия в данной зоне способны также по современным представлениям менять соотношение БМВ типа А и типа Б в мышечной системе тренирующегося. Это происходит за счёт механизмов биохимической (изменение ферментной базы) и нейральной адаптации.

Методы тренировок — непрерывные циклические (разной интенсивности) и интервальные. В зависимости от продолжительности выполнения одного упражнения в данной зоне могут наступать изменения как в количестве миофибрилл (при продолжительной работе “до отказа”), так и в массе митохондрии (в случае работы до лёгкого утомления). Время выполнения упражнений в зависимости от направленности тренировочного процесса определяется двумя подгруппами этой зоны: аэробно-анаэробная смешанная зона подтип 1 — от 10 минут до получаса (на окислительных и смешанных типах энергообеспечения) и аэробно-анаэробная зона подтип 2 — от 30 минут до двух часов (в основном окислительный ресинтез).

Реакции, которые происходят на этой стадии, и их использование

Примером химических реакций, которые проходят на этой стадии, можно назвать самую распространенную — спиртовое брожение. Это процесс расщепления глюкозы либо фруктозы под воздействием специальных ферментов, при котором выделяется углекислый газ и этиловый спирт, а также образуются молекулы АТФ. Уравнение данной химической реакции выглядит так: С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + СО2 + 2АТФ. Именно организмы, использующие такую реакцию для получения необходимой энергии, применяются в промышленности для изготовления спиртных напитков. В результате процесса, который используют для получения энергии молочнокислые бактерии, образуется молочная кислота. Уравнение выглядит следующим образом: С6Н12О6 = С3Н6О3 + 2АТФ. В клетках животных и грибов распространена реакция, в результате которой выделяется пировиноградная кислота. Этот процесс выглядит так: С6Н12О6 = 2С3Н4О3 + (4Н) + 2АТФ.

Гликолиз

Давайте продолжим рассказ на примере бегуна. Теперь он бежит двухкилометровую дистанцию. Здесь уже организм для энергообеспечения мышечной деятельности добывает АТФ, используя процесс гликолиза – превращения углеводов, в результате которого, опять-таки, происходит ресинтез АТФ, и образуются конечные кислые продукты – молочная кислота (лактат) и пировиноградная кислота.

Молочная и пировиноградная кислоты

В гликолизе используется глюкоза (моносахарид), которая содержится в крови, и гликоген (основной запасной углевод человека), содержащийся в мышцах и печени. С одной стороны, их запасы истощаются довольно быстро, с другой – накопление конечных продуктов гликолиза (тех самых кислот, о которых было сказано в предыдущем абзаце) приводит к нежелательному сдвигу среды организма в кислотную сторону – именно из-за этого появляется усталость. Впрочем, не будем сильно углубляться, тем более, что судя по приведенным ниже формулам глюкозы и гликогена, этим имеет смысл заниматься имея соответствующее образование. Основная, нужная нам информация: гликолиз обеспечивает мышечную деятельность организма в течение двух – четырех минут.

Глюкоза

Таким образом, и первый (креатинфосфатный), и второй (гликолиз) пути «добычи» энергии существуют, но дают ее слишком немного. Так в каком же механизме заложен основной ее источник? Что же, такой механизм есть. Он осуществляется при аэробном режиме работы. То есть при таком режиме, когда запросы организма в кислороде полностью удовлетворяются.

Гликоген

Подготовительный этап энергетического обмена

На этой фазе совершается распад больших пищевых полимеров на более мелкие образования. В желудочно-кишечном тракте многоклеточных существ осуществляется ферментативный пищеварительный распад, в то время как у существ одноклеточных он происходит при помощи лизосом (клеточных органоидов, ответственных за расщепление биополимеров).

В это же время полисахариды (высокомолекулярные углеводы) распадаются на дисахариды и моносахариды. Затем белки превращаются в аминокислоты, а жиры в чистый глицерин и прочие жирные соединения.

В результате описанных выше преобразований образуется определенное количество энергии в виде тепла. АТФ при этом еще не образуется. Зато полученные мономеры могут участвовать в метаболизме для синтеза веществ, необходимых для получения силы.

Живая материя использует, прежде всего, углеводы, в то время как жиры, будучи источником энергии первого резерва, исчерпываются по окончании углеродного запаса. Исключением выступают скелетные мышцы, в них предпочтение отдается наличию жиров, а не глюкозе. Белки при этом расходуются гораздо позже, уже после исчерпания запасов углеводов и жиров.

Обмен энергии (анатомия человека)

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Она освобождается в
процессе диссимиляции сложных органических соединений: белков, жиров и
углеводов, потенциальная энергия которых при этом переходит в
кинетические виды энергии, в основном в тепловую, механическую и
частично в электрическую. Расщепление идет путем присоединения кислорода
— окисления. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал
тепла, 1 г углеводов — 4,1 ккал, 1 г белка — 4,1 ккал1. То
количество тепла, которое выделяется при окислении в организме 1 г
вещества, называется теплотой сгорания. Часть освобождающейся энергии
используется для синтетических процессов — восстановления изнашиваемых и
построения новых клеток и тканей, часть потребляется в процессе
функционирования органов и тканей: сокращения мышц, проведения нервных
импульсов, синтеза ферментов и гормонов и др. Большая часть химической
энергии переходит в тепло, которое идет на поддержание постоянной
температуры тела.

1()

Основной обмен. Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен,
складывается из основного обмена и рабочей прибавки. Если человек
находится в состоянии возможного полного мышечного покоя: лежа с
расслабленной мускулатурой, натощак (через 14 ч после последнего приема
пищи), при температуре комфорта (18 — 22°С), то расход энергии
составляет примерно 1700 ккал в сутки и называется основным обменом. В
условиях основного обмена энергия расходуется на поддержание
жизнедеятельности организма, работу внутренних органов (сердце,
дыхательный аппарат и др.), а также на поддержание температуры тела.
Основной обмен характеризует интенсивность процессов окисления,
свойственных данному организму. Величина его зависит от пола, возраста,
массы тела и роста. У женщин основной обмен на 5 — 10% ниже, чем у
мужчин тех же массы и роста. У детей он выше, чем у взрослых. К старости
основной обмен снижается.

Основной обмен нарушается при заболевании эндокринных желез. При
гиперфункции щитовидной железы (базедова болезнь) он может повышаться до
150%, при этом человек много ест, но неудержимо худеет; при
недостаточности гипофиза основной обмен понижается — наступает
гипофизарное ожирение. На основной обмен влияют также половые гормоны;
после удаления половых желез (например, у кабанов) усиливается отложение
жира.

В клинике для определения основного обмена пользуются простым и быстрым
способом Крога. Так как освобождение энергии происходит при окислении
кислородом белков, жиров и углеводов, то количество образовавшегося
тепла пропорционально объему поглощенного кислорода. В опытах
установлено, что при потреблении 1 л О₂в
организме животных и человека освобождается 4,8 ккал тепла. Это
количество тепла является калорическим коэффициентом О₂. Если
определить объем потребленного испытуемым О₂, то, помножив
его на 4,8 (калорический коэффициент О₂), можно рассчитать
расход энергии за 1 мин, за 1 ч и за сутки.

Рабочая прибавка. Повышение энергетического обмена сверх основного
обмена называют рабочей прибавкой. Факторами, повышающими расход
энергии, являются прием пищи, низкая или высокая (выше 30°С) внешняя
темпера тура и мышечная работа.

Прием пищи увеличивает расход энергии в покое в среднем до 2200 ккал
(белки до 30%, углеводы и жиры на 4 — 15%). Эта способность пищи
повышать энергозатраты называется специфически динамическим действием
пищи. Механизм его до сих пор неясен, однако его нельзя объяснить только
работой пищеварительного тракта.

При понижении окружающей температуры возрастает теплоотдача тела и
соответственно увеличивается выработка тепла, необходимого для
сохранения постоянства температуры тела. Если окружающая температура
выше 30°С, энергия расходуется на охлаждение тела (потоотделение,
усиление кожного кровообращения). Мышечная работа значительно
увеличивает расход энергии.

Умственный труд не сопровождается большой затратой энергии. Если
спокойно лежащего человека заставить решать в уме трудные математические
задачи, то расход энергии возрастет всего на несколько процентов. Таким
образом, общий расход энергии зависит от профессии человека и характера
его отдыха (занятия спортом, туризмом). Люди умственного труда расходуют
около 3000 ккал в сутки, а выполняющие тяжелую мышечную работу
(грузчики, пильщики) — свыше 4000 ккал (табл. 2). При спортивных
состязаниях (велогонки, плавание) расход энергии может достигать 7000
ккал.

Таблица 2. Потребность в килокалориях в сутки для лиц разной
категории труда

   .. 

60 

61

62 

63 

64 

65 

66 

67 

68 

69   
..