Глава 2

Основы биологии человека (концептуальные модели систем и органов человека)

В учебниках по биологии человека и физиологии и биохи­мии спорта излагаются основные сведения о строении тела человека и функциональных свойствах его систем и органов. В практической деятельности при решении конкретных задач на основе принципов природной специфичности, системнос­ти, аналогичности и оптимизации строятся упрощенные мо­дели человека. Такие модели обладают необходимыми свой­ствами и достаточной сложностью для решения поставленных задач. Описание моделей, необходимых для решения задач физической подготовки в спорте и оздоровительной физичес­кой культуры, представлено в этой главе.

2.1. Биология клетки

Клетка — основная структурная единица всех живых орга­низмов, элементарная живая целостная система, которая об­ладает рядом свойств: воспроизведение, синтез (анаболизм), катаболизм, производство энергии, поглощение, выделение, специфические функции.

Она представляет собой протоплазму (саркоплазму), окру­женную мембраной. В протоплазме расположено ядро, в кото­ром содержатся гены (наследственная информация) в виде молекул ДНК. В протоплазме имеются следующие структурные образования, их еще называют органеллами или органоидами:

• рибосомы (полирибосомы) — с помощью РНК производит­ ся строительство белка, иными словами, разворачиваются ана­ болические процессы;

• митохондрии — энергетические станции клетки, в них с помощью кислорода идет превращение жиров или глюкозы и

30

углекислый газ(СО₂), воду и энергию, заключенную в молекулах АТФ;

эндоплазматическая сеть или саркоплазматический ретикулум является органеллой, состоящей из мембран и ферментативных систем, прикрепленных к ней;

комплекс Гольджи — система мембран, образующих совокупность мешочков и пузырьков, служит для синтеза и выделения веществ из клетки;

лизосомы - органеллы в форме пузырьков, содержат ферменты, разрушающие белки до простейших составляющих — аминокислот, эти органеллы еще называют пищеварительным аппаратом клетки;

глобулы гликогена — внутриклеточные запасы углеводов;

капельки жира — внутриклеточные запасы жиров;

специализированные органеллы — структурные компоненты клетки, присущие определенным видам клеток, например миофибриллы — мышечным волокнам.

2.2. Нервно-мышечный аппарат

Человек выполняет физические упражнения и тратит энергию с помощью нервно-мышечного аппарата.

Нервно-мышечный аппарат — это совокупность двигатель­ных единиц (ДЕ). Каждая ДЕ включает мотонейрон, аксон и совокупность мышечных волокон (МВ). Количество ДЕ остается неизменным у человека (Физиология человека, 1995). Количество МВ в мышце возможно и поддается изменению в ходе тренировки, однако, не более чем на 5% (Хоппелер, 1987). Поэтому этот фактор роста функциональных возможностей мыший не имеет практического значения. Внутри МВ происходит гиперплазия (рост количества элементов) многих орга­нелл: миофибрилл, митохондрий, саркоплазматического ретикулума (СПР), глобул гликогена, миоглобина, рибосом, ДНК и др. Изменяется также количество капилляров, обслуживаю­щих МВ (Физиология мышечной деятельности, 1982).

Миофибрилла является специализированной органеллой мы­шечного волокна (клетки). Она у всех животных имеет пример­но равное поперечное сечение. Состоит из последовательно соединенных саркомеров, каждый из которых включает нити актина и миозина. Между нитями актина и миозина могут образовы-

31

ваться мостики и при затрате энергии, заключенной в АТФ, мо­жет происходить поворот мостиков, т.е. сокращение миофиб-риллы, сокращение мышечного волокна, сокращение мышцы. Мостики образуются в присутствии в саркоплазме ионов каль­ция и молекул АТФ. Увеличение количества миофибрилл в мы­шечном волокне приводит к увеличению его силы, скорости сокращения и размера. Вместе с ростом миофибрилл происхо­дит разрастание и других обслуживающих миофибриллы органелл, например саркоплазматического ретикулума.

Саркоплазматический ретикулум — это сеть внутренних мемб­ран, которая образует пузырьки, канальцы, цистерны. В МВ СПР образует цистерны, в этих цистернах скапливаются ионы кальция (Са⁺⁺). Предполагается, что к мембранам СПР при­креплены ферменты гликолиза, поэтому при прекращении доступа кислорода происходит значительное разбухание кана­лов. Это явление связано с накоплением ионов водорода (Н), которые вызывают частичное разрушение (денатурацию) бел­ковых структур, присоединение воды к радикалам белковых молекул (Меерсон Ф.З., 1978, 1988). Для механизма мышечно­го сокращения принципиальное значение имеет скорость от­качивания Са⁺⁺ из саркоплазмы, поскольку это обеспечивает процесс расслабления мышцы. В мембраны СПР встроены на­трий-калиевые и кальциевые насосы, поэтому можно предпо­ложить, что увеличение поверхности мембран СПР по отно­шению к массе миофибрилл должно вести к росту скорости расслабления МВ. Следовательно, увеличение максимального темпа или скорости расслабления мышцы (интервала времени от конца электрической активации мышцы до падения меха­нического напряжения в ней до нуля) должно говорить об от­носительном приросте мембран СПР.

Поддержание максимального темпа обеспечивается запаса­ми в МВ АТФ, КрФ, массой миофибриллярных митохондрий, массой саркоплазматических митохондрий, массой гликолитических ферментов и буферной емкостью содержимого мы­шечного волокна и крови. Все эти факторы влияют на процесс энергообеспечения мышечного сокращения, однако, способ­ность поддерживать максимальный темп должна зависеть пре­имущественно от митохондрий СПР. Увеличивая количество окислительных МВ или, другими словами, аэробных возмож­ностей мышцы, продолжительность упражнения с максималь-

32

ной мощностью растет. Обусловлено это тем, что поддержа­ние концентрации КрФ в ходе гликолиза ведет к закислению МВ, торможению процессов расхода АТФ из-за конкурирования ионов Н⁺ с ионами Са⁺⁺ на активных центрах головок миозина (Негmansen, 1981). Поэтому процесс поддержания кон­центрации КрФ при преобладании в мышце аэробных процес­сом идет по мере выполнения упражнения все более эффектив­нее. Важно также то, что митохондрии активно поглощают ионы водорода (Негmansen, 1981; Ноlloshzy, 1976; Норре1ег, 1986), поэтому при выполнении кратковременных предельных упражнений (10-30 с) их роль больше сводится к буферированию закисления клетки.

Митохондрии располагаются везде, где требуется в большом количестве энергия АТФ. В мышечных волокнах энергия требуется для сокращения миофибрилл, поэтому вокруг них образуются миофибриллярные митохондрии (Ленинджер, 1966).