2.3. Энергетическое обеспечение деятельности организма
Все процессы деятельности функциональных систем человека и всего организма в целом связано с затратами энергии, которая необходима как для сокращения мышц, так и для генерации и передачи нервных импульсов, биосинтеза необходимых организму сложных органических соединений.
Источником энергии в организме человека служит потенциальная химическая энергия пищевых веществ. В процессе обмена она освобождается и преобразуется в другие виды энергии. Непосредственным и прямым источником энергии является аденозинтрифосфорная кислота, или аденозинтрифосфат (АТФ).
При расщеплении одной молекулы АТФ выделяется 10 ккал энергии:
АТФ АДФ + НзРО4 + 10 ккал
Запас АТФ находится в мышцах, однако эти запасы сравнительно малы: их хватает на 2-3 секунды интенсивной работы. Поэтому для продолжения работы большое значение имеет восстановление (ресинтез) АТФ в организме, причем скорость ресинтеза АТФ должна соответствовать его расходу.
В зависимости от особенностей биохимических реакций, протекающих при ресинтезе, принято выделять три метаболические системы восстановления АТФ:
алактатная анаэробная или фосфагенная, связанная с процессами ресинтеза АТФ за счет другого высокоэнергетического вещества креатинфосфата (КрФ);
гликолитическая анаэробная, обеспечивающая ресинтез АТФ с помощью реакций расщепления гликогена или глюкозы до молочной кислоты (МК);
аэробная, связанная с реакциями окисления энергетических субстратов (углеводов, жиров, белков).
Каждый из перечисленных биоэнергетических компонентов характеризуется критериями мощности, емкости и эффективности.
Критерий мощности оценивает то максимальное количество энергии в единицу времени, которое может быть обеспечено каждой из метаболических систем.
Критерий емкости оценивает доступные для использования общие запасы энергетических веществ в организме, или общее количество выполненной работы за счет данного компонента.
Критерий эффективности показывает, какое количество внешней (механической) работы может быть выполнено на каждую единицу затрачиваемой энергии.
Алактатный метаболический процесс представляет собой наиболее мощный, быстро мобилизуемый источник энергии. Ресинтез АТФ за счет КрФ осуществляется почти мгновенно. Эта система обладает наибольшей мощностью по сравнению с двумя другими и играет основную роль при энергообеспечении организма при кратковременной работе, осуществляемой с максимальными усилиями: спринтерский бег, прыжки, резкие удары.
Однако ее емкость невелика в связи с ограниченностью запасов КрФ в мышцах, поэтому в процесс обеспечения организма энергией включается анаэробный гликолиз, который начинается практически с самого начала, но достигает своей мощности лишь через 15-20 секунд и эта мощность не может поддерживаться более 2-3 минут. Энергетическими субстратами при этом служат гликоген.
Гликоген, запасаемый в мышцах и печени, представляет собой цепочку молекул глюкозы (глюкозных единиц – ГЕ), которые в процессе реакции последовательно отщепляются. Каждая ГЕ из гликогена восстанавливает 3 молекулы АТФ (молекула глюкозы только 2) и при этом образует еще 2 молекулы молочной кислоты (МК). Поэтому при большой мощности и продолжительности гликолитической анаэробной работы в крови образуется большое количество МК. До определенной концентрации МК связывается буферными системами крови, при превышении же этой концентрации возможности буферных систем исчерпываются и в крови происходит сдвиг кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону, что вызывает угнетение ключевых ферментов анаэробного гликолиза, вплоть до полного их торможения. Накопление молочной кислоты в ощущениях выражается болезненными явлениями в мышцах.
При переходе от состояния покоя к мышечной деятельности кислородный запрос возрастает во много раз. Однако, необходимо 1-3 минуты, чтобы усилилась деятельность кардио-респираторной системы, и обогащенная кислородом кровь могла быть доставлена к работающим мышцам. С увеличением длительности упражнений наращивается скорость процессов аэробного образования энергии и, при увеличении продолжительности работы более 10 минут, энергообеспечение осуществляется уже почти целиком за счет аэробных процессов.
Мощность аэробной системы энергообеспечения в 3 раза меньше мощности фосфагенной и в 2 раза анаэробной гликолитической. Вместе с тем, он отличается наибольшей производительностью и экономичностью. В качестве продуктов окисления при этом используются углеводы, жиры и белки, поступающие в организм с пищей.
Аэробное расщепление углеводов в отличие от анаэробного расщепления глюкозы характеризуется тем, что пировиноградная кислота не превращается в молочную, а расщепляется до углекислого газа и воды, которые легко выводятся из организма. При этом из одной молекулы углеводов образуется 39 молекул АТФ. Еще большей энергоемкостью обладают жиры (1 моль смеси жирных кислот образует 138 молекул АТФ). Белки еще более энергоемки, но их вклад в аэробный процесс очень мал.
Во время выполнения физических упражнений не большой мощности (ЧСС 120-160 ударов в минуту) достаточно продолжительное время (до нескольких часов) большая часть энергии поставляется за счет окисления жиров. При увеличении мощности в окислительные реакции вступают углеводы, при работе на максимальной мощности (ЧСС 180-200 ударов в минуту) подавляющую часть энергопродукции обеспечивает уже окисление углеводов.
В реальных условиях физических нагрузок задействованы все 3 биоэнергетические системы. В зависимости от мощности, продолжительности и вида физических упражнений меняется лишь соотношение вклада каждой системы в энергообеспечение (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Динамика скорости энергообразующих процессов.
Интенсивность аэробной работы можно охарактеризовать скоростью потребления кислорода. При определенной мощности физической нагрузки достигается индивидуальное для каждого человека максимальное потребление кислорода (МПК). Мощность физической нагрузки, например, скорость передвижения, при которой достигается МПК, называется критической. У молодых здоровых нетренированных мужчин МПК составляет в среднем 40-50 мл/кг/мин, а у высокотренированных спортсменов в видах спорта на выносливость – 80-90 мл/кг/мин.
При равномерной непрерывной работе (ЧСС до 150 ударов в минуту) скорость потребления кислорода достигает величины, запрашиваемой работающими мышцами, при этом организм способен удовлетворять этот запрос. Работа на данном уровне мощности физической нагрузки может продолжаться достаточно долго.
С увеличением интенсивности нагрузки (ЧСС 180-200 ударов в минуту) до критической потребление кислорода возрастает до МПК. Этот уровень не может поддерживаться долго, даже у тренированных людей не больше 6-8 минут. При дальнейшем продолжении работы на уровне МПК потребности организма в кислороде уже не удовлетворяются, т.к. исчерпаны возможности ССС или исчерпана окислительная способность дыхательных ферментов в мышечных клетках. В этом случае опять активизируются анаэробные системы энергообеспечения. Организм работает как бы «в долг». При возрастании мощности работы и соответственно увеличении потребления кислорода более 50% от МПК, содержание МК в крови резко увеличивается. Эта граница выраженного перехода от преимущественно аэробного энергообеспечения к смешанному аэробно-анаэробному называется порогом анаэробного обмена (ПАНО). ПАНО является критерием аэробной эффективности.
На практике это вполне определенное значение: чтобы нетренированный человек был способен длительное время выполнять работу, в которой задействованы большие мышечные группы, он не должен превышать ПАНО или мощности, соответствующей 50%-му уровню МПК.
Человек, систематически занимающийся физическими упражнениями, не только увеличивает МПК, но поднимает ПАНО до 60%-го уровня от МПК, а также минимизирует свои энергозатраты за счет совершенствования техники выполнения движений. Путь повышения физической работоспособности через увеличение аэробной эффективности наименее рискован и наиболее приемлем, т.к. не требует значительного увеличения ЧСС и потому доступен всем возрастным категориям. Именно с этим связано широкое применение на занятиях по физической культуре циклических видов упражнений (бег, лыжи, плавание) и гимнастических упражнений аэробного характера, а также использование направленного, избирательного тренировочного воздействия на отдельные компоненты физической работоспособности.