Избранные лекции по спортивной биохимии. Учебное пособие

ЛЕКЦИЯ 6. Часть 1

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДАПТАЦИИ ЛИЦ РАЗНОГО ВОЗРАСТА К ФИЗИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ

План:

1.Особенности метаболизма в разные периоды постэмбрионального онтогенеза.

2.Биохимические особенности растущего организма. Обоснование методики занятий физической культурой с детьми и подростками.

3.Биохимические особенности стареющего организма. Обоснование методики занятий физической культурой с лицами пожилого возраста.

Вобменных процессах в постнатальном периоде онтогенеза человека можно выделить три основных периода: рост и развитие (от рождения до 20 лет), зрелость (20–40 лет), увядание (от 40 лет и далее).

Каждый период характеризуется определенным соотношением анаболических и катаболических процессов.

Во время роста и развития организма анаболические процессы преобладают над катаболическими и основная доля из общего потока энергии направлена на реакции биосинтеза органических веществ. Зрелость отличается равновесием анаболических и катаболических реакций, что благоприятствует энергетическому обеспечению как физической, так и умственной работы. При увядании организма анаболические процессы свертываются, увеличивается доля катаболических реакций, но они все чаще носят деструктивный характер. Эти изменения приводят к снижению как общей, так и физической работоспособности.

Мы рассмотрим особенности углеводного, липидного, белкового, водно-солевого и энергетического обмена только для

81

растущего и увядающего организмов, т. к. обменным процессам в зрелом возрасте были посвящены все предыдущие лекции.

Рост и развитие – общебиологические свойства живой материи, представляющие собой непрерывный поступательный процесс, который характеризуется специфическими анатомофизиологическими особенностями на различных стадиях онтогенеза.

Рост и развитие организма связаны с увеличением длины и массы тела, совершенствованием строения и функций внутренних органов. Темпы роста различных тканей и органов не совпадают. Длина тела ребенка в течение первого года жизни увеличивается на 50 %, а масса тела – в три раза. Это первый скачок роста. Затем длина тела увеличивается на 4–5 см в год, а масса – на 1,5–2,0 кг. Второй скачок отмечен в период полового созревания, когда прирост длины тела может составлять 7–10 см в год.

Далее темпы роста снижаются и к 16–17 годам у девочек, к 18–19 годам у мальчиков полностью прекращаются. Основное значение в регуляции процессов роста имеют гормоны соматотропин, под воздействием которого происходит рост клеток и увеличение массы белков всех тканей и органов, и инсулин, усиливающий транспорт аминокислот через мембрану клеток. При дефиците этих гормонов увеличение длины тела ребенка тормозится. В растущем организме интенсивность обменных процессов, рост мышечной ткани, органов дыхания, пищеварения, почек, изменение объема крови коррелируют с увеличением длины тела, а формирование органов размножения замедлено до периода полового созревания, затем резко усиливается и к 18–20 годам стабилизируется. Лимфатическая ткань активно развивается до начала полового созревания, далее происходит ее инволюция до уровня, соответствующего взрослому человеку. Быстрее всех органов и тканей развивается головной мозг. С возрастом происходят изменения нейрогуморальной регуляции обмена веществ, причем у детей и подростков процессы метаболизма нарушаются легче, чем у взрослого человека.

82

Морфологические и функциональные особенности растущего организма позволяют выделить следующие периоды:

детство – от рождения до 11 лет, внутри которого выделяют: младенческий возраст – до одного года; раннее детство – от года до трех лет; первое детство – от трех до 7 лет;

младший школьный возраст (второе детство) – от 7 до 11 лет у девочек и от 7 до 12 лет у мальчиков;

подростковый возраст (или средний школьный) – 11–15 лет (девочки) и 12–15 лет (мальчики);

юношеский возраст (старший школьный возраст) – с 15–16 до 18 лет.

Рост живого организма – это, прежде всего, процесс интенсивного синтеза белков и нуклеиновых кислот. Если принять интенсивность белкового обмена у людей 20–30 лет за 100 %, то в 15 лет она составит 170 %, в 12 лет – 180 %, в 6 лет – 230 %, в 3 года – 250 %. В соответствие с этим потребность в белках у детей намного выше, чем у взрослых. У детей до года белковый минимум составляет 4 г/кг, от 2 до 5 лет – 3,5 г/кг, от 5 до 15 лет

–2,5 г/кг, от 15 до 17 лет – 2 г/кг, у взрослых – 1–1,5 г/кг в сутки.

Втканях детского организма преобладают гидрофильные, быстро обновляющиеся белки и только к пубертатному периоду увеличивается количество склеропротеидов, отличающихся более жесткой структурой и меньшей гидрофильностью.

Интенсивный синтез белка поддерживается не только количеством, но и качеством белков, поступающих с пищей. Организм ребенка особенно чувствителен к недостатку незаменимых аминокислот в составе пищи, дефицит которых замедляет физическое и умственное развитие, снижает иммунитет.

Основное место в регуляции роста занимает нейроэндокринная система. Прежде всего, это повышенная секреция соматотропина. Под его влиянием происходит рост клеток и увеличение белковой массы всех органов и тканей. Глюкокортикоиды

83

противодействуют соматотропину, поэтому при стрессе наблюдается задержка роста.

Вторым гормоном анаболического действия является инсулин. В организме ребенка образуется относительно больше инсулина, чем у взрослых. Инсулин усиливает транспорт аминокислот через цитоплазматическую мембрану, особенно в мышечные клетки. При его дефиците тормозится рост ребенка, т. к. инсулин способствует обеспечению энергетических затрат, необходимых для синтеза белковых структур. Кроме того, во все возрастные периоды инсулин увеличивает скорость внедрения фосфора в нуклеиновые кислоты, что способствует общему подъему биоэнергетики тканей.

В период полового созревания в белковый обмен включаются половые гормоны, которые усиливают синтез белка в печени, почках, сердце и скелетных мышцах.

Конечные продукты белкового обмена у детей выделяются главным образом почками. Межуточный обмен белков в раннем детском возрасте характеризуется недостаточной активностью ферментов, участвующих в превращениях аминокислот и мочевинообразовании. Результатом этого является повышенное выведение свободных аминокислот и более низкое содержание мочевины.

Интенсивность синтеза белков определяется содержанием нуклеиновых кислот в тканях, при этом существует прямая зависимость между приростом массы тела, содержанием белка и соотношением РНК и ДНК.

С биохимической точки зрения, рост является, прежде всего, процессом интенсивного синтеза белков и нуклеиновых кислот. Интенсивный синтез белков и нуклеиновых кислот в растущем организме связан со значительным расходом энергии. Согласно А. Ленинджеру (2008), для синтеза одной молекулы белка с молекулярным весом около 60 000 единиц требуется затратить около 1500 молекул АТФ, а для синтеза одной молекулы рибонуклеиновой кислоты – около 6000 АТФ.

84

Углеводный обмен, как и белковый, перестраивается с возрастом, изменяется потребность в углеводах: от года до трех лет

– 13 г/кг, от трех лет до 13 лет – 10–11 г/кг, у юношей – 8 г/кг массы тела в сутки.

Врастущем организме углеводы выполняют не только энергетическую, но и пластическую функцию, что связано с усиленным синтезом белка. Углеводы в реакциях пластического обмена используются в синтезе сложных белков, а именно: глюкопротеидов и мукополисахаридов – основных веществ соединительной ткани, часть глюкозы включается в пентозофосфатный цикл на синтез нуклеиновых кислот. У взрослых людей процент реализации глюкозы этим путем мал, а у детей составляет 40–50 % от общего ее количества.

Углеводы активно участвуют в энергообеспечении растущего организма, но их использование имеет следующие особенности:

- запасы углеводов в организме ребенка ограничены; - уровень глюкозы в крови составляет 3,5–4,5 ммоль/л, что

ниже, чем у взрослых; наибольшее количество глюкозы обнаружено у детей 12–14 лет (5–6 ммоль/л).

- меньше количество гликогена в мышцах и печени.

- снижена способность к их мобилизации при мышечной работе, которая связана с несовершенством нейрогуморальной регуляции углеводного обмена.

Врезультате этого при выполнении мышечной работы у детей быстрее снижается уровень глюкозы в крови и замедляется мобилизация углеводов из депо, особенно при выполнении длительных

имонотонных упражнений. Кроме того, небольшие запасы углеводов ограничивают возможности детей и подростков выполнять как упражнения высокой интенсивности, так и длительные.

У детей в большей степени, чем у взрослых, наблюдается лабильность уровня сахара в крови, обусловленная незрелостью регуляторных механизмов.

Регуляция углеводного обмена весьма сложна, поскольку в ней участвуют нервная система (как центральная, так и периферическая),

85

эндокринная система, печень, мышцы и другие органы, потребляющие углеводы и, следовательно, также влияющие на течение углеводного обмена в организме.

В регуляции уровня сахара в крови участвуют такие гормоны, как инсулин, глюкагон, адреналин, соматотропный гормон, глюкокортикоиды. Но только один гормон – инсулин, обладает резким сахаропонижающим действием. Влияние остальных гормонов, активно воздействующих на углеводный обмен, направлено в сторону увеличения уровня глюкозы. Такое взаимоотношение не случайно. Значительное понижение сахара влечет резкие нарушения жизнедеятельности организма, в то время как ограниченное во времени повышение концентрации глюкозы в крови не вызывает серьезных изменений.

Липиды являются резервом энергии для растущего организма, участвуют в построении клеточных и субклеточных мембран, а также выполняют ряд других функций. В частности, жир является плохим проводником тепла и предохраняет детский организм от его потерь. У новорожденных энергетические расходы покрываются на 80 % за счет окисления жира, поступающего с молоком матери, затем доля жира в энергообеспечении снижается до 50–35 %, а в среднем и старшем школьном возрасте достигает 25–30 %. В этой связи потребность растущего организма в липидах составляет: для возраста 3–7 лет – 3,5–3,8 г/кг, для младших школьников – 3,0 г/кг, для старших школьников – 2,0 г/кг массы тела в сутки, взрослым при рациональном питании достаточно 1,0–1,2 г/кг.

Для нормального обеспечения роста и развития организма необходимо присутствие в составе липидов, поступающих с пищей, незаменимых полиненасыщенных карбоновых кислот (линолевой, линоленовой и арахидоновой). Эти кислоты в организме человека не синтезируются. Мы получаем их в составе растительных масел и свиного сала (арахидоновая).

С возрастом у детей увеличивается общее содержание липидов, а также изменяется качество жира, находящегося в жировых

86

депо: он становится богаче ненасыщенными жирными карбоновыми кислотами. Увеличивается отношение холестерина к лецитину.

У детей обмен жира носит неустойчивый характер, и при значительном расходе углеводов может наблюдаться истощение жировых запасов, находящихся в жировых депо.

Обмен липидов регулируется центральной нервной системой непосредственно или косвенно через ряд эндокринных желез: гипофиз (соматотропин), щитовидную железу (тироксин), надпочечники (адреналин).

Вода составляет 80 % от массы тела ребенка и не является для растущего организма источником энергии и строительного материала, но это не умаляет ее биологического значения. У детей, по сравнению со взрослыми, соотношение количества внутриклеточной воды с межклеточной увеличено в сторону последней. Поэтому при потере воды обезвоживание организма ребенка происходит легче, чем у взрослого. Суточная потребность в воде у детей до 6 лет составляет 100–110 г/кг, в 14 лет – 70–85 г/кг, в 18 лет – 40–50 г/кг массы тела.

Минеральные соли в виде ионов активно используются организмом ребенка для построения тканей, например костной, создания молекул ферментов, гормонов, макроэргов и других биологически активных веществ, т. е. они выполняют пластическую и регуляторную функции. Растущий организм требует постоянного поступления кальция, фосфора, магния, фтора, без которых невозможно формирование скелета, рост и обновление костей, причем наиболее благоприятно, если фосфора поступает в 2 раза больше, чем кальция. Необходимо отметить макроэлементы – натрий, калий, хлор, железо, и микроэлементы – медь, цинк, кобальт, марганец и йод.

Энергетический обмен у детей и подростков имеет ряд особенностей. В частности, такой особенностью является то, что у них значительная доля энергии идет на пластические цели, для обеспечения процессов роста и развития организма, а также на процессы терморегуляции.

87

Наименьший расход энергии отмечается в полном покое, натощак, при температуре 16–20 °С, спустя 12–24 часа после приема пищи. Это так называемый основной обмен. Для взрослого человека он составляет 1 ккал на 1 кг веса за 1 час. У детей основной обмен выше, чем у взрослых. Так, у 12–13-летних подростков он составляет 1,4 ккал на 1 кг веса в 1 час. Это является отражением большей интенсивности окислительных процессов у детей. У мальчиков показатели основного обмена несколько выше, чем у девочек.

Энерготраты растущего организма в основном обеспечиваются процессами аэробного окисления. В связи с этим относительное потребление кислорода у детей выше, чем у взрослых. С возрастом этот показатель уменьшается, но увеличивается абсолютное потребление кислорода.

Как видно из таблицы 7, ребенку требуется больше кислорода на килограмм массы тела, но каждые 100 мл кислорода взрослый получает из 2,3 – 2,6 л воздуха, а подросток – из 3 л воздуха, поступившего в легкие.

Таблица 7

Потребление кислорода в покое (по Л. Н. Комаревцеву,1994)

88

Потребность организма ребенка в кислороде повышена, а системы поглощения и доставки его к тканям располагают невысокими функциональными возможностями. Так, у детей ниже, чем у взрослых, жизненная емкость легких, дыхание поверхностное и частое; масса сердца небольшая, и в связи с этим оно сокращается часто (у мальчиков 9 лет – 99–100 уд/ мин в покое); понижена кислородная емкость организма. Кроме того, несовершенны механизмы нервной и гуморальной регуляции дыхания, кровообращения и других процессов, в работе нервной системы преобладают процессы возбуждения. У детей ниже активность ферментов окислительных процессов и довольно высока степень разобщения дыхания с фосфорилированием, что приводит к снижению продукции АТФ. Сказанное выше обуславливает меньшую эффективность утилизации кислорода организмом ребенка и, соответственно, ниже, чем у взрослого человека, способность адаптироваться к мышечным нагрузкам.

В то же время многие ученые считают, что аэробные возможности организма ребенка, если их рассчитать на единицу массы тела, достаточно высоки. Например, дети 8–9 лет могут достигать максимального потребления кислорода порядка 70–73 мл/кг, что соответствует показателям МПК спортсменов высокой квалификации. Однако энерготраты растущего организма высоки и системы аэробного энергообеспечения даже в состоянии покоя функционируют с напряжением, в результате чего снижаются возможности вовлечения их в обеспечение энергией физической работы.

Потенциал анаэробного энергообеспечения мышечной деятельности и способность совершать работу в условиях кислородного дефицита у детей также меньше, чем у взрослых. Чем младше возраст, тем ниже максимальная мощность работы и меньше увеличение содержания молочной кислоты в крови. Ряд авторов отмечает повышение максимально достижимой концентрации лактата в крови с началом пубертатного периода, что свидетельствует о возрастании роли анаэробных источников энергии при мышечной деятельности.

89

Экспериментально доказано, что увеличение мощности гликолитических механизмов энергообеспечения является общей закономерностью, характерной для определенного этапа развития мышц у млекопитающих, и связано с половым созреванием.

Входе индивидуального развития увеличиваются возможности так называемого алактатного механизма, определяемого в основном количеством быстрых волокон с бóльшим содержанием креатинфосфата – важного источника резервной энергии для работы мышц.

Впубертатный период содержание КрФ увеличивается не только в скелетных мышцах, но и в мышце сердца и клетках мозга. По-видимому, концу пубертатного периода свойственен генерализованный процесс энергизации клеток различных тканей, увеличение в них резерва энергии, что резко повышает возможности и надежность функционирования различных физиологических систем во взрослом состоянии.

Выделяют следующие этапы развития энергетики мышечной деятельности мальчиков в период с 9–10 до 17 лет:

1 этап – возраст 9–10 лет – период «расцвета» аэробных возможностей, роль анаэробных механизмов мала;

2 этап – период от 10 до 12–13 лет – отсутствие прироста аэробных возможностей, умеренный прирост анаэробных возможностей; развитие алактатного и лактацидного механизмов протекает синхронно;

3 этап – период от 13 до 14 лет – существенный прирост аэробных возможностей, торможение прироста анаэробных (гликолитических) механизмов энергообеспечения; креатинфосфокиназная система развивается пропорционально увеличению массы тела;

4 этап – период от 14 до 15 лет – прекращение роста аэробных возможностей, резкое увеличение емкости анаэробногликолитического процесса; развитие креатинфосфокиназного механизма остается пропорциональным увеличению массы тела;

5 этап – период от 15 до 17 лет – аэробные возможности растут пропорционально массе тела; продолжают нарастать анаэробногликолитические возможности; значительно ускоряется развитие

90