biohimiyaverstka
.pdfструктур (ядер, митохондрий, рибосом), а также на уровне молекул структурных и сократительных белков, ключевых ферментов основных метаболических путей и циклов. Все изменения, происходящие в тренированном организме, можно разделить по уровням, на которых происходят изменения, на два типа: молекулярный (метаболизм внутри клеток) и организменный (изменения в органах, системах органов).
Молекулярный уровень. Многолетние тренировки приводят к увеличению запасов внутримышечных источников энергии – креатинфосфата, гликогена – и повышению активности ферментов гликолиза, цикла Кребса,-окисления высших жирных кислот, электронотранспортной цепи. Все эти изменения способствуют более быстрому и более длительному пополнению запасов АТФ. Однако в тренированном организме повышена активность ферментов, участвующих в гидролизе АТФ во время мышечного сокращения, а также ферментов, катализирующих ее ресинтез.
Тренированный человек может выполнять субмаксимальную нагрузку с меньшими изменениями метаболизма; например, с меньшей продукцией молочной кислоты, а следовательно, и с меньшим снижением рН. При таких условиях повышается интенсивность липолиза, так как низкий уровень молочной кислоты снимает ее ингибирующее действие на липазы. Высокая активность ферментов жирового обмена в скелетных мышцах позволяет окислять большие количества свободных жирных кислот, доставляемых кровотоком в мышцы, а также использовать для этих целей внутримышечные триглицериды.
Изменения энергетического обмена, вызванные физической нагрузкой, затрагивают не только внутримышечные источники энергии, но и субстраты печени и жировых депо. В процессе развития тренированности организма происходит постепенное совершенствование механизмов внутриклеточной регуляции, главным из которых является усиление синтеза специфических ферментов, что
271
приводит к увеличению количества молекул фермента и, как следствие, к увеличению общей каталитической активности.
Усиление процесса биосинтеза различных белков происходит при активации генов, несущих информацию о структуре этих белков (миозина, актина, миоглобина, некоторых ферментов и др.).
Существенно возрастает количество митохондрий, и сами они претерпевают значительные морфологические и функциональные изменения. Становится гораздо больше внутримитохондриальных гребней и сокращается расстояние между ними, повышается активность ферментных систем, локализованных на их внутренних мембранах. В результате этих изменений возрастает интенсивность транспорта электронов и процессов окислительного фосфорилирования в митохондриях. В них образуется больше АТФ, а это расширяет энергетические возможности скелетных мышц.
Наряду с увеличением возможностей расщепления АТФ под влиянием тренировки возрастают и возможности как дыхательного, так и анаэробного ресинтеза АТФ в промежутках между сокращениями. Под влиянием тренировки в мышцах увеличиваются запасы источников энергии, необходимых для ресинтеза АТФ – креатинфосфата, гликогена, липоидов; значительно повышается активность ферментов, катализирующих как аэробные окислительные процессы, так и анаэробный гликолиз. Наконец, сами источники энергии становятся более доступными ферментативным воздействиям. Так, содержание гликогена в мышцах увеличивается главным образом за счет свободного, не связанного с белками, гликогена, более доступного действию фермента.
Что касается АТФ, то под влиянием тренировки концентрация ее в мышце не изменяется. Однако, как показывают исследования с применением радиоактивного изотопа фосфора, быстрота обновления богатых энергией фосфатных групп АТФ значительно возрастает. Таким
272
образом, благодаря увеличению возможностей ресинтеза АТФ тренированные мышцы могут выполнять большую работу, чем нетренированные, при одинаковом количестве АТФ.
Весьма существенное значение имеет также увеличение под влиянием тренировки содержания в мышцах миоглобина – вещества, присоединяющего кислород во много раз более активно, чем гемоглобин крови. В результате этого в мышцах возрастает резерв кислорода, который может быть использован в условиях неполного удовлетворения потребности в нем организма.
Организменный уровень. Тренированность находит выражение, прежде всего, в морфологических изменениях мышечных волокон. Толщина их увеличивается, происходит их рабочая гипертрофия в связи с усилением синтеза структурных белков, возрастает количество миофибрилл, причем они нередко группируются пучками. Все это обусловливает увеличение силы мышц и их механической прочности. Может изменяться форма ядер (и даже увеличиваться их число) и структура двигательных нервных окончаний, т. е. увеличиваться число контактов между нервным окончанием и сарколеммой.
Из биохимических изменений, происходящих в мышцах под влиянием тренировки, следует указать, прежде всего, на увеличение содержания сократительного белка – миозина, связанное с их рабочей гипертрофией. Так как этот белок кроме сократительных свойств обладает и ферментативными свойствами, то в процессе тренировки увеличивается и способность мышц к расщеплению АТФ, т. е. к мобилизации химической энергии и превращению
еев механическую энергию мышечного сокращения. Значительные биохимические изменения под влияни-
ем тренировки происходят в печени. В ней увеличивается содержание гликогена и возрастает активность ряда ферментов углеводного, белкового и жирового обменов.
Активность липаз увеличивается также в подкожной клетчатке и легких. Вследствие этого организм не только
273
приобретает большие запасы источников энергии, но и получает возможность более быстро и энергично мобилизовывать их при работе и быстро восстанавливать в периоде отдыха.
Происходящие в организме биохимические изменения касаются и мышцы сердца. Подобно скелетным мышцам, в ней происходит усиленное образование белков, находящее выражение в рабочей гипертрофии сердца, являющейся одним из условий его повышенной деятельности.
Под влиянием тренировки в мышце сердца увеличивается содержание миоглобина, что способствует росту ее рабочих возможностей в условиях недостаточного снабжения организма кислородом. Возрастает интенсивность окислительных процессов, и почти вдвое увеличивается задержка из крови сахара и молочной кислоты (с последующим их окислением). Вследствие всего этого в сердечной мышце поддерживается более высокий уровень богатых энергией фосфорных соединений даже при недостаточном снабжении организма кислородом.
B крови увеличиваются содержание гемоглобина и число эритроцитов, в результате чего возрастает ее кислородная емкость. Значительно увеличиваются и буферные свойства крови (ее резервная щелочность), что обеспечивает возможность более длительного поддержания ее нормальной реакции при поступлении больших количеств кислых продуктов обмена веществ (молочная и пировиноградная кислоты, ацетоновые тела) в процессе интенсивной мышечной деятельности.
Биохимические изменения происходят даже в костной системе: в костях скелета, несущих наибольшую нагрузку, наблюдаются явления гипертрофии, утолщение кости, происходящее за счет увеличения содержания как костного белка, так и минеральных элементов.
Опыты показывают, что удельный вес тела спортсмена под влиянием тренировки увеличивается. Это происходит вследствие уменьшения содержания в организме ре-
274
зервного жира и воды, а также вследствие увеличения мышечной массы.
Систематические физические тренировки приводят к выраженным и многосторонним биохимическим и морфологическим изменениям в организме. Но все эти изменения специфичны: они тесно связаны с характером, интенсивностью и длительностью физических нагрузок.
В соответствии с характером применяемых методов тренировки преимущественное развитие получают те функциональные свойства и качества организма, которые играют решающую роль в определении уровня достижений в данном виде спорта. Так, у спринтеров по сравнению с бегунами на длинные дистанции увеличивается емкость лактацидной системы, а также улучшается гликолитическая анаэробная способность, выражающаяся в том, что организм спортсмена способен противостоять накоплению максимального количества молочной кислоты при работе. У мастеров стайерского бега в большей степени увеличиваются показатели аэробной мощности, что выражается в меньшем уровне молочной кислоты при стандартной работе.
3.5.4.1. Биохимические факторы развития физической силы
Под физическим качеством силы понимается взаимодействие психофизиологических процессов организма человека, позволяющих активно преодолевать внешние сопротивления и противодействовать внешним силам. Качество силы выражается через совокупность силовых способностей, которые обеспечивают меру физического воздействия человека на окружающие внешние объекты. Качество силы характеризуется силой действия, которую развивает человек посредством мышечных напряжений. По своей сути сила действия представляет интегрированный результат взаимодействия сил тяги мышц, образующихся вследствие функциональной активности мышечных структур. Именно через силу тяги мышц происходит
275
реализация психофизиологических процессов в механическую работу по преодолению внешних сопротивлений (например, при подъеме штанги) или противодействию внешним силам (например, при удержании штанги). Величина проявления силы действия зависит от внешних факторов (величины отягощений, внешних условий, расположения тела и его звеньев в пространстве) и от внутренних (функционального состояния мышц и психического состояния человека).
Мышцы состоят из длинных (до 10 см) тонких (около 0,1 мм) клеток, называемых мышечными волокнами. Наиболее существенное отличие мышечных волокон от других клеток организма состоит в том, что внутри них на всю их длину протянуты тончайшие нити – миофибриллы. Биохимическое строение этих миофибрилл таково, что они могут изменять свою длину – укорачиваться и удлиняться.
Принципиальную схему работы мышц рассмотрим на примере одиночного мышечного волокна. Управляет работой мышечного волокна нервная система, посылая к нему по двигательному нерву импульсы. Под влиянием нервных импульсов миофибриллы укорачиваются и соответственно сокращается мышечное волокно, развивая некоторое усилие. Сокращение мышечного волокна в ответ на одиночный импульс длится сотые доли секунды и похоже на молниеносное вздрагивание, после которого наступает расслабление, означающее, что работа закончена. Чтобы произошло новое сокращение, нужен новый импульс.
Как ни мимолетно одиночное сокращение, в нем можно определить силу, скорость и даже записать его на специальном приборе. Расслабленное мышечное волокно чертит на миографе прямую линию, при сокращении появляется зубчик, крутизна нарастания которого соответствует скорости сокращения, высота – силе, а длина основания – продолжительности.
Для того чтобы сократилось все мышечное волокно, нужна серия нервных импульсов, которые нервная систе-
276
ма посылает подряд с такими интервалами, чтобы каждый следующий попадал на мышечное волокно в тот момент, когда оно начинает расслабляться. В этом случае происходит суммирование одиночных сокращений волокон.
Величина максимального мышечного усилия прямо пропорциональна длине саркомера, или длине толстых миозиновых нитей, т. е. степени полимеризации миозина, и общему содержанию в мышце сократительного белка актина. Как уже отмечалось, усилие, развиваемое в процессе взаимодействия актиновых и миозиновых нитей в миофибриллах, пропорционально числу образованных поперечных спаек. Чем больше площадь наложения тонких актиновых нитей на толстые миозиновые нити в пределах каждого саркомера, тем больше максимальная величина усилия, развиваемого мышцей. Максимально возможная площадь соприкосновения нитей определяется длиной толстых миозиновых нитей или отдельного саркомера. Самые длинные саркомеры обнаружены в запирательных мышцах моллюсков. Эти мышцы способны развивать усилие, в 3–6 раз превышающее максимальную мышечную силу человека. Самые короткие саркомеры находятся в летательных мышцах насекомых и колибри. Величина относительного максимума силы этих мышц примерно в 3 раза меньше, чем у человека. По значению максимальной силы мышцы человека занимают среднее положение между мышцами моллюсков и летательными мышцами насекомых.
Длина саркомера, или степень полимеризации миозина, в толстых нитях миофибрилл – это генетически обусловленный фактор, он остается неизменным в процессе индивидуального развития и под влиянием тренировки. Таким образом, уже от рождения тот или иной человек наделен талантом к проявлению силы. Длина саркомера обнаруживает определенные вариации в волокнах разного типа, входящих в состав различных мышц. Содержание в мышцах белка актина существенно изменяется в процессе индивидуального развития и под влиянием тре-
277
нировки. Этот показатель обнаруживает выраженные различия в мышечных волокнах разного типа и в мышцах различного функционального профиля.
Содержание актина в миофибриллах мышц находится в линейной зависимости от общего количества креатина. Оба показателя – содержание актина и общая концентрация креатина в мышцах – могут быть использованы при контроле за развитием мышечной силы и прогнозировании уровня спортивных достижений в скоростно-силовых упражнениях. Содержание молочной кислоты увеличивается вследствие выполненной работы на 44 мг% при р<0,001. Содержание неорганического фосфора возрастает на 2,7 мг% при р = 0,01. Это указывает на усиление распада макроэргических веществ при выполнении упражнений на развитие силы.
Многочисленными исследованиями установлено, что человек при максимальном напряжении может проявить лишь около 40–50 % силы. Сильнейшие штангисты при максимальном напряжении могут использовать до 60– 65 % силы. Это обусловлено, с одной стороны, исключительными природными данными, а с другой – воспитанной в тренировках повышенной частотой импульсации, увеличивающей процент тетанически сокращенных двигательных единиц.
Загляните в таблицу мировых рекордов, и вы обнаружите прямую зависимость поднимаемой тяжести от собственного веса спортсмена: чем он тяжелее, тем выше рекорд. В чем тут дело?
Да в том, что чем крупнее атлет, тем больше у него (при прочих равных условиях) мышечная масса, а следовательно, и физиологический поперечник мышц. Хотя если уж быть точным, то надо заметить, что сильнейшие атлеты мира по абсолютным результатам являются… самыми слабыми среди всех атлетов по относительной силе мышц. А самыми сильными по этому показателю оказываются атлеты наилегчайшей весовой категории. Относительная сила – это максимальная сила, отнесенная к соб-
278
ственному весу спортсмена. Чем мощнее атлет, тем основательнее у него костносвязочный каркас и тем больше мышц, связок, сухожилий выполняют поддерживающие функции и соответственно выше их удельный вес в суммарном весе тела, вот почему чем легче атлет, тем он относительно сильнее.
Величина внешней силы, которую способен проявить человек, непостоянна и в значительной мере зависит от условий, предшествующих и сопутствующих двигательной деятельности. Известно, что мышца сокращается тем скорее и интенсивнее, чем выше ее температура. С повышением температуры тела увеличивается электрическая активность мышцы и уменьшатся время активного состояния ее после стимуляции. Местное нагревание увеличивает силу, измеренную динамометром, и время, в течение которого мышцы поддерживают стандартное напряжение или стандартную работу. Нагревание (душ) увеличивает изометрическую выносливость мышц, а также скорость их сокращения и выносливость в циклической работе до 7,5–9 %. Охлаждение, наоборот, вызывает уменьшение силы мышечного сокращения и удлиняет его время. Период работоспособности мышц, охлажденных до 18°С укорачивается в 3–4 раза.
Таким образом, предшествующая работа, сходная по характеру с последующей работой, позволяет мышцам перенести без повреждения большую нагрузку и выполнить значительные по силе и быстроте сокращения.
Однако установлено экспериментальным путем, что удельный вес тела спортсмена под влиянием тренировки увеличивается. Это происходит вследствие уменьшения содержания в организме резервного жира и воды, а также вследствие увеличения мышечной массы.
Реакция организма на предложенную мышечную работу сопровождается значительным усилием гликолитических процессов. Значит, энергетическое обеспечение упражнений, развивающих силу, в значительной мере осуществляется за счет анаэробных реакций. После наг-
279
рузки у всех спортсменов значительно повышается уровень молочной и пировиноградной кислот в крови.
Было выяснено, что кратковременные околопредельные силовые нагрузки (жимы) вызывают относительно умеренные изменения ритма сердечной деятельности при выраженном подъеме уровня артериального давления, быстрое нарастание показателей анаэробного гликолиза при слабом снижении уровня насыщения артериальной крови кислородом, появление признаков повышенной лабильности возбудимых систем по данным биотоков мышц и мозга и т. д.
3.5.4.2. Биохимические факторы выносливости
Выносливость – важнейшее физическое качество спортсмена, во многом определяющее общий уровень его работоспособности. Выносливость характеризуется как способность работать не утомляясь и противостоять утомлению, когда оно возникает в процессе выполнения работы. Уже в самом определении указывается на основные нормы проявления выносливости. Во-первых, выносливость может проявляться в форме продолжительности работы на заданном уровне мощности до появления первых признаков выраженного утомления. Во-вторых, выносливость выражается в скорости снижения работоспособности при наступлении утомления. Общим измерителем выносливости с этой точки зрения может быть избрано время работы, выполняемой до отказа.
Выносливость человека в зависимости от характера утомления подразделяют на скоростную, общую (аэробную), смешанную (аэробно-анаэробную) и силовую.
Выносливость как свойство человеческого организма интегрирует в себе большое число разнообразных явлений, происходящих на различных биологических уровнях, начиная от клеточного и кончая уровнем целостного организма. В этой интеграции роль «ведущего» звена, определяющего проявление выносливости человека, обыч-
280