БИОЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

БИОЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ. Обе фазы мышечной деятельности - сокращение и расслабление - протекают при обязательном использовании энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ]. Однако запасы АТФ в мышечных клетках незначительны (в покое концентрация АТФ в мышцах около 5 ммоль/л) и их достаточно для мышечной работы в течение 1-2 с. Поэтому для обеспечения более продолжительной мышечной деятельности в мышцах должно происходить пополнение запасов АТФ. Образование АТФ в мышечных клетках непосредственно во время физической работы называется ресинтезом АТФ и идет с потреблением энергии.

В зависимости от источника энергии выделяют несколько путей ресинтеза АТФ. Для количественной характеристики различных путей ресинтеза АТФ обычно используются следующие критерии: а) максимальная мощность, или максимальная скорость это наибольшее количество АТФ, которое может образоваться в единицу времени за счет данного пути ресинтеза.

Измеряется максимальная мощность в калориях или джоулях, исходя из того, что 1 ммоль АТФ (506 мг) соответствует в физиологических условиях примерно 12 кал или 50 Дж (1 кал =4,18 Дж). Поэтому данный критерий имеет размерность кал/мин*кг мышечной ткани или соответственно Дж/мин*кг мышечной ткани; б) время развертывания - это минимальное время, необходимое для выхода ресинтеза АТФ на свою наибольшую скорость, т.е. для достижения максимальной мощности.

Этот критерий измеряется в единицах времени (с, мин); в) время сохранения или поддержания максимальной мощности - это наибольшее время функционирования данного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью.

Единицы измерения - с, мин, ч; г) метаболическая емкость - это общее количество АТФ, которое может образоваться во время мышечной работы за счет данного пути ресинтеза АТФ. В зависимости от потребления кислорода пути ресинтеза делятся на аэробные и анаэробные. Аэробный путь ресинтеза АТФ (тканевое дыхание) - это основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород, доставляемый кровью в мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счет энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез трех молекул АТФ. Скорость аэробного пути ресинтеза АТФ контролируется содержанием в мышечных клетках АДФ, который является активатором ферментов тканевого дыхания.

В состоянии покоя, когда в клетках почти нет АДФ, тканевое дыхание протекает с очень низкой скоростью. При мышечной работе за счет интенсивного использования АТФ происходит образование и накопление АДФ. Появившийся избыток АДФ ускоряет тканевое дыхание, и оно может достигнуть максимальной интенсивности. Другим активатором аэробного пути ресинтеза АТФ является CO2. Возникающий при физической работе в избытке углекислый газ активирует дыхательный центр мозга, что в итоге приводит к повышению скорости кровообращения и улучшению снабжения мышц кислородом.

Аэробный путь образования АТФ характеризуется следующими критериями: Максимальная мощность составляет 350-450 кал/мин*кг. По сравнению с анаэробными путями ресинтеза АТФ тканевое дыхание обладает самой низкой величиной максимальной мощности. Это обусловлено тем, что возможности аэробного процесса ограничены доставкой кислорода в митохондрии и их количеством в мышечных клетках. Поэтому за счет аэробного пути ресинтеза АТФ возможно выполнение физических нагрузок только умеренной мощности.

Время развертывания - 3-4 мин (у хорошо тренированных спортсменов может быть около 1 мин). Такое большое время развертывания объясняется тем, что для обеспечения максимальной скорости тканевого дыхания необходима перестройка всех систем организма, участвующих в доставке кислорода в митохондрии мышц. Время работы с максимальной мощностью составляет десятки минут. Как уже указывалось, источниками энергии для аэробного ресинтеза АТФ являются углеводы, жиры и аминокислоты, распад которых завершается циклом Кребса.

Причем для этой цели используются не только внутримышечные запасы данных веществ, но и углеводы, жиры, кетоновые тела и аминокислоты, доставляемые кровью в мышцы во время физической работы. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ функционирует с максимальной мощностью в течение такого продолжительного времени. По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ.

Он отличается высокой экономичностью: в ходе этого процесса идет глубокий распад окисляемых веществ до конечных продуктов - СО2 и Н2О и поэтому выделяется большое количество энергии. Так, например, при аэробном окислении мышечного гликогена образуется 39 молекул АТФ в расчете на каждую отщепляемую от гликогена молекулу глюкозы, в то время как при анаэробном распаде этого углевода (гликолиз) синтезируется только 3 молекулы АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы.

Другим достоинством этого пути ресинтеза является универсальность в использовании субстратов. В ходе аэробного ресинтеза АТФ окисляются все основные органические вещества организма: аминокислоты (белки), углеводы, жирные кислоты, кетоновые тела и др. Еще одним преимуществом этого способа образования АТФ является очень большая продолжительность его работы: практически он функционирует постоянно в течение всей жизни. В покое скорость аэробного ресинтеза АТФ низкая, при физических нагрузках его мощность может стать максимальной.

Однако аэробный способ образования АТФ имеет и ряд недостатков. Так, действие этого способа связано с обязательным потреблением кислорода, доставка которого в мышцы обеспечивается дыхательной и сердечно-сосудистой системами (вместе они обычно обозначаются термином "кардиореспираторная система"). Функциональное состояние кардиореспираторной системы является лимитирующим фактором, ограничивающим продолжительность работы аэробного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью и величину самой максимальной мощности.

Возможности аэробного пути ограничены еще и тем, что все ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в форме дыхательных ансамблей и функционируют только при наличии неповрежденной мембраны. Любые факторы, влияющие на состояние и свойства мембран, нарушают образование АТФ аэробным способом. Например, нарушения окислительного фосфорилирования наблюдаются при ацидозе (повышение кислотности), набухании митохондрий, при развитии в мышечных клетках процессов свободно-радикального окисления липидов, входящих в состав мембран митохондрий.

Еще одним недостатком аэробного образования АТФ можно считать большое время развертывания (3-4 мин) и небольшую по абсолютной величине максимальную мощность. Поэтому мышечная деятельность, свойственная большинству видов спорта, не может быть полностью обеспечена этим путем ресинтеза АТФ и мышцы вынуждены дополнительно включать анаэробные способы образования АТФ, имеющие более короткое время развертывания и большую максимальную мощность.

Анаэробный путь ресинтеза АТФ (гликолитический) является дополнительными способами образования АТФ в тех случаях, когда основной путь получения АТФ - аэробный - не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количеством энергии. Это бывает на первых минутах любой работы, когда тканевое дыхание еще полностью не развернулось, а также при выполнении физических нагрузок высокой мощности.

Источником энергии, необходимой для ресинтеза АТФ путем гликолиза, является мышечный гликоген, концентрация которого в саркоплазме колеблется в пределах 0,2-3%. При анаэробном распаде гликогена от его молекулы под воздействием фермента фосфорилазы поочередно отщепляются концевые остатки глюкозы в форме глюкозо-1-фосфата. Далее молекулы глюкозо-1-фосфата через ряд последовательных стадий (их всего 10) превращаются в молочную кислоту (лактат), которая по своему химическому составу является как бы половинкой молекулы глюкозы.

В процессе анаэробного распада гликогена до молочной кислоты, называемого гликолизом, образуются промежуточные продукты, содержащие фосфатную группу с макроэргической связью, которая легко переносится на АДФ с образованием АТФ. Максимальная мощность - 750-850 кал/мин*кг, что примерно вдвое выше соответствующего показателя тканевого дыхания. Высокое значение максимальной мощности гликолиза объясняется содержанием в мышечных клетках большого запаса гликогена, наличием механизмов активации ключевых ферментов, приводящих к значительному росту скорости гликолиза (в 2000 раз), отсутствием потребности в кислороде.

Время развертывания - 20-30 сек. Это обусловлено тем, что все участники гликолиза (гликоген и ферменты) находятся в саркоплазме миоцитов, а также возможностью активации ферментов гликолиза. Как уже отмечалось, фосфорилаза - фермент, запускающий гликолиз активируется адреналином, который выделяется в кровь непосредственно перед началом работы.

Ионы кальция, концентрация которых в саркоплазме повышается примерно в 1000 раз под воздействием двигательного нервного импульса, также являются мощными активаторами фосфорилазы. Время работы с максимальной мощностью - 2-3 мин. Существуют две основные причины такой небольшой величины этого критерия. Во-первых, гликолиз протекает с высокой скоростью, что быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрации гликогена и, следовательно, к последующему снижению скорости его распада.

Во-вторых, в процессе гликолиза образуется молочная кислота (лактат), накопление которой приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток. В условиях повышенной кислотности снижается каталитическая активность ферментов, в том числе ферментов гликолиза, что также ведет к уменьшению скорости этого пути ресинтеза АТФ. Гликолитический способ образования АТФ имеет ряд преимуществ перед аэробным путем. Он быстрее выходит на максимальную мощность (за 20-30 сек, в то время как аэробный путь - за 3-4 мин), имеет более высокую величину максимальной мощности (в 2 раза больше, чем у тканевого дыхания) и не требует участия митохондрий и кислорода.

Однако у этого пути есть и существенные недостатки. Этот процесс малоэкономичен. Распад до лактата одного остатка глюкозы, отщепленного от гликогена, дает только 3 молекулы АТФ, тогда как при аэробном окислении гликогена до воды и углекислого газа образуется 39 молекул АТФ в расчете на один остаток глюкозы.

Такая неэкономичность в сочетании с большой скоростью быстро приводит к исчерпанию запасов гликогена. Другой серьезный недостаток гликолитического пути ресинтеза АТФ - образование и накопление лактата, являющегося конечным продуктом этого процесса. Повышение концентрации лактата в мышечных волокнах вызывает сдвиг рН в кислую сторону, при этом происходят конформационные изменения мышечных белков, приводящие к снижению их функциональной активности. Таким образом, накопление молочной кислоты в мышечных клетках существенно нарушает их нормальное функционирование и ведет к развитию утомления.

При снижении интенсивности физической работы, а также в промежутках отдыха во время тренировки образовавшийся лактат может частично выходить из мышечных клеток в лимфу или кровь, что делает возможным повторное включение гликолиза. При любой мышечной работе функционируют все пути ресинтеза АТФ, но включаются они последовательно. В первые секунды работы ресинтез АТФ идет за счет анаэробного механизма, затем, по мере продолжения работы, на смену гликолизу приходит тканевое дыхание.

Переход энергообеспечения мышечной деятельности с анаэробного механизма на аэробный ведет к уменьшению суммарной выработки АТФ за единицу времени, что находит отражение в снижении мощности выполняемой работы. Конкретный вклад каждого из механизмов образования АТФ в энергообеспечение мышечных движений зависит от интенсивности и продолжительности физических нагрузок. Для выполнения поставленных задач и проведения исследовательской работы в лаборатории используя вышеописанные методы, с помощью которых качественно и количественно определяют биохимические и клиника - биохимические показатели.

В частности: гормоны гипофиза - адренокортикотропный гормон (АКТГ), пролактин, гормон роста (соматотропин, СТГ), тиреотропный гормон (ТТГ), гонадотропные гормоны фолликулостимулирующий (фоллитропин, ФСГ), лютеинизирующий гормон (лютропин, ЛГ), гормоны щитовидной железы - тироксин и трииодтиронин, гормоны мозгового слоя надпочечников - адреналин, гормоны коры надпочечников - кортизол и кортикостерон, половые гормоны тестостерон, дигидротестостерон, эстрадиол, прогестерон, эстрон, андростендион, гормоны поджелудочной железы - инсулин.

Биохимические показатели крови, такие как: билирубин (BIL), гемоглобин (НВ), глюкоза (Glu), холестерин (Choi), триглицериды (TG), АЛТ (СРТ), ACT (GOT), мочевина (Urea), креатинкиназа (СК) и креатинин (Сгеа). 2.3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Результаты обследования спортсменов-триатлонистов в условиях соревновательной деятельности на чемпионате России. 1. Турбаевский Для исследования некоторых биохимических показателей капиллярной крови спортсменов использовали анализатор Reflotron Plus. показатели до старта после старта нормы Hb (гемоглобин) 171,0 174,0 120 - 180 г/л GPT (АЛТ) 34,3 43,8 (+) 0 - 40 МЕ/л GOT (АСТ) 93,2 (+) 131 (+) 0 - 42 МЕ/л СК (КФК) 1160 (++) > 1680 (++) 0 - 195 МЕ/л Glu (глюкоза) 8,56 (+) 8,98 (+) 3 - 6,1 ммоль/л K+ 4,6 &#8213; 3,5 - 5,5 нмоль/л Tg (триглицериды) 88,4 < 70,0 50 - 150 мг/дл Lac (лактат) &#8213; 9,3 (+) 0,1 - 2,1 ммоль/л CREA (креатинин) &#8213; 107,0 50 - 150 мкмоль/л Bil (билирубин) &#8213; 18,5 (+) 0 - 17 мкмоль/л Имунно-ферментное исследование сыворотки спортсмена в период тренировочного деятельности. Показатели Измеренная величина Значение нормы Тестостерон 5,0 2 - 9 нг/мл Эстрон 383,3 (+) 16 - 183 пк/мл Инсулин 8,2 2 - 25 мкМЕ/мл Соматотропин 1,0 0 - 7 нг/мл Кортизол 119,2 С 800-1000: 50 - 230; После 1600: 30 - 150 нг/мл ЛГ 12,08 (-) 3 - 12 мМЕ/мл ФСГ 3,7 2 - 10 мМЕ/мл Пролактин 5,6 1 - 20 нг/мл Тиреотропин 1,0 0,4 - 7 мкМЕ/мл Тироксин 5,0 4,8 - 12 мк/дл Альдостерон 78,3 10 - 310 пк/мл Ярошенко.

Для исследования некоторых биохимических показателей капиллярной крови спортсменов использовали анализатор Reflotron Plus. показатели до старта после старта нормы Hb (гемоглобин) 200,0 184,0 120 - 180 г/л GPT (АЛТ) 26,5 29,9 0 - 40 МЕ/л GOT (АСТ) 173 (+) 184 (+) 0 - 42 МЕ/л СК (КФК) > 3000 (+++) > 3000 (+++) 0 - 195 МЕ/л Glu (глюкоза) 4,76 (+) 4,29 3 - 6,1 ммоль/л K+ 4,92 (+) 2,58 (-) 3,5 - 5,5 нмоль/л Tg (триглицериды) 83,0 129,0 50 - 150 мг/дл Lac (лактат) &#8213; 4,0 (+) 0,1 - 2,1 ммоль/л CREA (креатинин) &#8213; 132,0 50 - 150 мкмоль/л Bil (билирубин) &#8213; 20,1 (+) 0 - 17 мкмоль/л Имунно-ферментное исследование сыворотки спортсмена в период тренировочного деятельности.

Показатели Измеренная величина Значение нормы Тестостерон 5,8 2 - 9 нг/мл Эстрон 51,8 16 - 183 пк/мл Инсулин 18,9 2 - 25 мкМЕ/мл Соматотропин 4,5 0 - 7 нг/мл Кортизол 94,1 С 800-1000: 50 - 230; После 1600: 30 - 150 нг/мл ЛГ 22,55 (+) 3 - 12 мМЕ/мл ФСГ 6,0 2 - 10 мМЕ/мл Пролактин 5,9 1 - 20 нг/мл Тиреотропин 1,0 0,4 - 7 мкМЕ/мл Тироксин 4,9 4,8 - 12 мк/дл Альдостерон 48,2 10 - 310 пк/мл Полянская.

Для исследования некоторых биохимических показателей капиллярной крови спортсменов использовали анализатор Reflotron Plus. показатели до старта после старта нормы Hb (гемоглобин) 147,0 184,9 120 - 180 г/л GPT (АЛТ) 16,5 18,8 0 - 40 МЕ/л GOT (АСТ) 17,9 27,5 0 - 42 МЕ/л СК (КФК) 27,8 122 0 - 195 МЕ/л Glu (глюкоза) 4,53 6,16 (+) 3 - 6,1 ммоль/л K+ 4,52 (+) 5,2 3,5 - 5,5 нмоль/л Tg (триглицериды) 78,0 125,0 50 - 150 мг/дл Lac (лактат) &#8213; 3,9 (+) 0,1 - 2,1 ммоль/л CREA (креатинин) &#8213; 112,0 50 - 150 мкмоль/л Bil (билирубин) &#8213; 16,9 (+) 0 - 17 мкмоль/л Имунно-ферментное исследование сыворотки спортсмена в период тренировочного деятельности.

Показатели Измеренная величина Значение нормы Тестостерон 0,8 (-) 2 - 9 нг/мл Эстрон 105,2 16 - 183 пк/мл Инсулин 18,05 2 - 25 мкМЕ/мл Соматотропин 13,2 (+) 0 - 7 нг/мл Кортизол 166,9 (+) С 800-1000: 50 - 230; После 1600: 30 - 150 нг/мл ЛГ 13,15 (+) 3 - 12 мМЕ/мл ФСГ 7,5 2 - 10 мМЕ/мл Пролактин 21,4 (+) 1 - 20 нг/мл Тиреотропин 2,7 0,4 - 7 мкМЕ/мл Тироксин 2,9 (-) 4,8 - 12 мк/дл Альдостерон 166,2 10 - 310 пк/мл Интерпретация полученных данных. Наблюдаемые показатели биохимии крови и гормонального состояния организма спортсменов в целом адекватны проделанной физической работе.

Все обследованные спортсмены имеют высокий уровень развития систем энергообеспечения организма.

Средняя измеренная величина лактата после финиша 5,1 ммоль/л, что показывает экономичное преодоление дистанции в аэробном режиме.

Показателей перетренированности и глубокого стойкого утомления не обнаружено.

Изменения в гормональном фоне умеренные и соответствуют данной работе. Показатели тестостерона и соматотропина свидетельствуют о хорошем уровне анаболизма и перспективах дальнейшего улучшения результатов.

Результаты обследования спортсмена-пловца Фесикова С. в условиях тренировочной деятельности. 18.06.2009г. Для исследования некоторых биохимических показателей капиллярной крови спортсмена использовали анализатор Roche Omni S 6. Забор крови осуществлялся после каждого отрезка дистанции (6 х 50 м) Показатели До Разминка 1 2 3 4 5 6 Заминка Нормы pСО2 40,3 38,4 42,2 38,2 34,7 32,2 34,6 29,4 41,6 35-45 mmHg pО2 69,1 68,3 68,4 85,8 87,0 103,5 90,0 112,4 74,8 80-100 mmHg рН 7,413 7,407 7,283 7,243 7,238 7,250 7,219 7,171 7,405 7,35-7,45 Нсt 47,6 51,6 52,4 51,6 51,8 52,4 51,3 51,7 49,0 35-50% Glu 4.4 4,3 4,1 4,2 4,4 4,5 4,1 3.9 4,0 3,3-6,1 mmol/L Lac 0,0 0,5 9,4 13,8 15,6 16,5 18,3 >20 1,8 0,4-2,2 mmol/L H+ 38,7 39,2 52,1 &#8213; 57,8 &#8213; 60,4 67,5 39,9 BE 0,5 -0,8 -6,9 -10,5 -11,8 -12.0 -12,8 -16,5 -1,8 BB 48,9 48,2 42,2 38,4 37,1 36,9 36,1 32,4 46,9 cHCO3 25,1 23,6 19,5 16,1 14,3 13,8 13,8 10,5 22,5 Hb 173,3 176.0 170,2 171,5 172,0 171,5 172,0 168,1 115-174 g/L 24.06.09. Для исследования некоторых биохимических показателей капиллярной крови спортсмена использовали анализатор Roche Omni S 6. Забор крови осуществлялся после каждого отрезка дистанции (6 х 50 м) Показатели Разминка 1 (75 м) 2 (50 м) 3 (25 м) 4 (25 м) Восстанов-ление Нормы pСО2 37,8 34,6 33,2 28,2 27,8 32,7 35-45 mmHg pО2 72,2 101,3 104,5 109,9 101,3 67,6 80-100 mmHg рН 7,408 7,156 7,980 7,092 7,113 7,347 7,35-7,45 Нсt 51,7 53,1 52,4 53,3 52,8 49,4 35-50% Glu 5,6 5,7 5,2 4,3 3,3 1,9 3,3-6,1 mmol/L Lac 1,2 > 20 > 20 > 20 > 20 10,2 0,4-2,2 mmol/L H+ - - &#8213; - &#8213; - BE -0,9 -15,7 -18,6 -20,0 -19,3 -6,8 BB - - - - - - cHCO3 23,3 11,9 10,0 8,4 8,7 17,5 Hb 179,4 181,5 159,6 170,7 172,4 168,2 115-174 g/L Интерпретация полученных данных Наблюдается адекватное функционирование буферных систем.

Усвоение глюкозы, как источника энергии (АТФ), идет в полном объеме. Подключение гликолитического (анаэробного) пути энергообеспечения начинается с середины первого отрезка дистанции и остается активным на протяжении всей нагрузки.

Наблюдается высокий гематокрит еще до начала физической работы, что является фактором риска, так как оказывает отрицательное действие на стенки сосудов и сердце.

Не высокий уровень глюкозы в крови до начала тренировки и значительное его снижение при физической нагрузке свидетельствует о недостатке углеводных резервов в организме.

Недостаток гликогена в печени может в дальнейшем стать лимитирующим фактором при выполнении придельной физической нагрузки.

Рекомендации: необходимо увеличить содержание сложных углеводов в рационе и пить больше воды.