Динамика биохимических процессов в организме во время мышечной работы

 

Организм человека, а уж тем более спортсмена, никогда не работает в "линейном" (неизменном) режиме. Очень часто тренировочный процесс может заставить его перейти на предельно возможные для него "обороты". Для того, чтобы выдержать нагрузку, организм начинает оптимизировать свою работу под данный тип стресса. Если рассматривать именно силовой тренинг (бодибилдинг, пауэрлифтинг, тяжелая атлетика и пр.), то первым, кто подает сигнал в теле человека о необходимых временных перестройках (адаптация) являются наши мышцы. 

Мышечная деятельность вызывает изменения не только в работающем волокне, но и приводит к биохимическим изменениям во всем организме. Усилению мышечного энергетического обмена предшествует значительное повышение активности нервной и гуморальной систем. 

В предстартовом состоянии активизируется действие гипофиза, коры надпочечников, поджелудочной железы. Совместное действие адреналина и симпатической нервной системы приводит к: повышению ЧСС, увеличению объема циркулирующей крови, образованию в мышцах и проникновению в кровь метаболитов энергетического обмена (СО2, СН3-СН (ОН)-СООН, АМФ). Происходит перераспределение ионов калия, что приводит к расширению кровеносных сосудов мышц, сужению сосудов внутренних органов. Вышеуказанные факторы приводят к перераспределению общего кровотока организма, улучшая доставку кислорода к работающим мышцам. 

Поскольку внутриклеточных запасов макроэргов хватает на непродолжительное время, то в предстартовом состоянии происходит мобилизация энергетических ресурсов организма. Под действием адреналина (гормон надпочечников) и глюкагона (гормон поджелудочной железы) усиливается распад гликогена печени до глюкозы, которая током крови переносится к работающим мышцам. Внутримышечный и печеночный гликоген - субстрат для ресинтеза АТФ в креатинфосфатных и гликолитических процессах. 

С увеличением продолжительности работы (стадия аэробного ресинтеза АТФ), основную роль в энергообеспечении мышечного сокращения начинают играть продукты распада жиров (жирные кислоты и кетоновые тела). Липолиз (процесс расщепления жиров) активируется адреналином и соматотропином (он же "гормон роста"). В это же время усиливается печеночный «захват» и окисление липидов крови. В результате печень выбрасывает в кровяное русло значительные количества кетоновых тел, которые доокисляются до углекислого газа и воды в работающих мышцах. Процессы окисления липидов и углеводов протекают параллельно, а от количества последних зависит функциональная активность головного мозга и сердца. Поэтому, в период аэробного ресинтеза АТФ протекают процессы глюконеогенеза - синтез углеводов из веществ углеводородной природы. Регулирует этот процесс гормон надпочечников - кортизол. Основным субстратом глюконеогенеза являются аминокислоты. В незначительных количествах образования гликогена происходит и из жирных кислот (печень). 

Переходя из состояния покоя к активной мышечной работе, потребность в кислороде значительно возрастает, поскольку последний является конечным акцептором электронов и протонов водорода системы дыхательной цепи митохондрий в клетках, обеспечивая процессы аэробного ресинтеза АТФ. 

На качество кислородного обеспечения работающих мышц влияет «закисление» крови метаболитами процессов биологического окисления (молочная кислота, углекислый газ). Последние воздействуют на хеморецепторы стенок кровеносных сосудов, которые передают сигналы в ЦНС, усиливая активность дыхательного центра продолговатого мозга (участок перехода головного мозга в спинной). 

Кислород из воздуха распространяется в кровь через стенки легочных альвеол (см. рисунок) и кровеносных капилляров вследствие разности его парциальных давлений: 

1) Парциальное давление в альвеолярном воздухе - 100-105 мм. рт. ст 
2) Парциальное давление в крови в состоянии покоя - 70-80 мм. рт. ст 
3) Парциальное давление в крови при активной работе - 40-50 мм. рт. ст 

Только небольшой процент кислорода, поступающего в кровь, растворяется в плазме (0.3 мл на 100 мл крови). Основная часть связывается в эритроцитах гемоглобином: 

Hb + O2 -> HbO2​ ​ Гемоглобин - белковая мультимолекула, состоящая из четырех вполне самостоятельных субъединиц. Каждая субъединица связана с гемом (гем - железосодержащая простетическая группа). 

Присоединение кислорода к железосодержащей группе гемоглобина объясняют понятием родства. Родство к кислороду в различных белках различно и зависит от структуры белковой молекулы. 

Молекула гемоглобина может присоединять 4 молекулы кислорода. На способность гемоглобина связывать кислород влияют следующие факторы: температура крови (чем она ниже, тем лучше связывается кислород, а ее повышение способствует распаду окси-гемоглобина); щелочная реакция крови. 

После присоединения первых молекул кислорода, кислородная родство гемоглобина повышается в результате конформационных изменений полипептидных цепей глобина. 
Обогащенная в легких кислородом кровь поступает в большой круг кровообращения (сердце в состоянии покоя перекачивает ежеминутно 5-6 литров крови, транспортируя при этом 250 - 300 мл О2). Во время же интенсивной работы за одну минуту скорость перекачки возрастает до 30-40 литров, а количество кислорода, что переносится кровью, составляет 5-6 литров. 

Попадая в работающие мышцы (благодаря наличию высоких концентраций СО2 и повышенной температуре) происходит ускоренный распад оксигемоглобина: 

H-Hb-O2 -> H-Hb + O2​ ​ Поскольку давление углекислого газа в ткани больше, чем в крови, то освобожденный от кислорода гемоглобин обратимо связывает СО2, образуя карбаминогемоглобин: 
​ H-Hb + СО2 -> H-Hb-CO2​
который распадается в легких до углекислого газа и протонов водорода: 

H-Hb-CO2 -> H + + Hb-+ CO2​
Протоны водорода нейтрализуются отрицательно заряженными молекулами гемоглобина, а углекислый газ выводится в окружающую среду: 

H + + Hb -> H-Hb​
Несмотря на определенную активацию биохимических процессов и функциональных систем в предстартовом состоянии, при переходе из состояния покоя к интенсивной работе наблюдается определенный дисбаланс между потребностью в кислороде и его доставкой. Количество кислорода, которое необходимо для удовлетворения организма при выполнении мышечной работы, называется кислородным спросом организма. Однако, повышенная потребность кислорода какое-то время не может быть удовлетворена, потому необходимо некоторое время, чтобы усилить деятельность систем дыхания и кровообращения. Поэтому, начало любой интенсивной работы происходит в условиях недостаточного количества кислорода - кислородного дефицита. 

Если работа осуществляется с максимальной мощностью за короткий промежуток времени, то потребность в кислороде так велика, что не может быть удовлетворена даже максимально возможным поглощением кислорода. Например, при беге на 100 м, организм снабжается кислородом на 5-10%, а 90-95% кислорода поступает после финиша. Избыток потребленного кислорода после выполненной работы называется кислородным долгом. 

Первая часть кислорода, которая идет на ресинтез креатинфосфата (распавшегося при работе), получила название алактатного кислородного долга; вторая же часть кислорода, идущего на устранение молочной кислоты и ресинтез гликогена, называется лактатным кислородным долгом. 

Рисунок. Кислородный приход, кислородный дефицит и кислородный долг при длительной работе разной мощности. А - при легкой, Б - при тяжелой, и В - при истощающей работе; I - период врабатывания; II - устойчивое (А, Б) и ложное устойчивое (В) состояние во время работы; III - восстановительный период после выполнения упражнения; 1 - алактатный, 2 - гликолитический компоненты кислородного долга (по Волкову Н. И., 1986). 

Алактатный кислородный долг компенсируется относительно быстро (30 сек. - 1 мин.). Характеризует вклад креатинфосфата в энергетическое обеспечение мышечной деятельности. 

Лактатный кислородный долг полностью компенсируется за 1.5-2 часа по окончании работы. Указывает долю гликолитических процессов в энергообеспечении. При длительной интенсивной работе в образовании лактатного кислородного долга присутствует значительная доля других процессов. 

Выполнение интенсивной мышечной работы невозможно без интенсификации обменных процессов в нервной ткани и тканях сердечной мышцы. Лучшее энергообеспечение сердечной мышцы обусловливается рядом биохимических и анатомо-физиологических особенностей: 
1. Сердечная мышца пронизана чрезвычайно большим количеством кровеносных капиляров по которым течет кровь с большой концентрацией кислорода. 
2. Наиболее активными являются ферменты аэробного окисления. 
3. В состоянии покоя в качестве энергетических субстратов используются жирные кислоты, кетоновые тела, глюкоза. При напряженной мышечной работе основным энергетическим субстратом является молочная кислота. 

Интенсификация обменных процессов нервной ткани выражается в следующем: 
1. Увеличивается потребление глюкозы и кислорода в крови. 
2. Повышается скорость восстановления гликогена и фосфолипидов. 
3. Усиливается распад белков и образование аммиака. 
4. Снижается общее количество запасов макроэргических фосфатов. 


Поскольку биохимические изменения происходят в живых тканях, то непосредственно их наблюдать и изучать довольно проблематично. Поэтому, зная основные закономерности протекания обменных процессов, основные выводы об их течении делают на основе результатов анализа крови, мочи, выдыхаемого воздуха. Так, например, вклад креатинфосфатной реакции в энергетическое обеспечение мышц оценивается концентрацией продуктов распада (креатина и креатинина) в крови. Наиболее точным показателем интенсивности и емкости аэробных механизмов энергообеспечения является количество потребленного кислорода. Уровень развития гликолитических процессов оценивают по содержанию молочной кислоты в крови как во время работы, так и в первые минуты отдыха. Изменение показателей кислотного равновесия позволяет сделать вывод о способности организма противостоять кислым метаболитам анаэробного обмена. 

Изменение скорости метаболических процессов при мышечной деятельности зависит от: 
- Общего количества мышц, которые участвуют в работе; 
- Режима работы мышц (статический или динамический); 
- Интенсивности и продолжительности работы; 
- Количества повторов и пауз отдыха между упражнениями. 

В зависимости от количества мышц, участвующих в работе, последняя делится на локальную (в исполнении участвуют менее 1/4 всех мышц), региональную и глобальную (участвуют более 3/4 мышц). 
Локальная работа (шахматы, стрельба) - вызывает изменения в работающей мышце, не вызывая биохимических изменений в организме в целом. 
Глобальная работа (ходьба, бег, плавание, лыжные гонки, хоккей и др..) - вызывает большие биохимические изменения во всех органах и тканях организма, наиболее сильно активизирует деятельность дыхательной и сердечно-сосудистой систем. В энергообеспечении работающих мышц чрезвычайно велик процент аэробных реакций. 
Статический режим мышечного сокращения приводит к пережиму капиляров, а значит к худшему обеспечения кислородом и энергетическими субстратами работающие мышцы. В качестве энергетического обеспечения деятельности выступают анаэробные процессы. Отдыхом после выполнения статической работы должна быть динамическая низкоинтенсивная работы. 
Динамический режим работы гораздо лучше обеспечивает кислородом работающие мышцы, потому попеременное сокращение мышц действует как своеобразный насос, проталкивая кровь сквозь капилляры. 

Зависимость биохимических процессов от мощности выполняемой работы и ее длительности выражается в следующем: 
- Чем выше мощность (высокая скорость распада АТФ), тем выше доля анаэробного ресинтеза АТФ; 
- Мощность (интенсивность), при которой достигается наивысшая степень гликолитических процессов энергообеспечения, называется мощностью истощения. 

Максимально возможная мощность определяется как максимальная анаэробная мощность. Мощность работы обратно пропорционально связана с продолжительностью работы: чем выше мощность, тем быстрее происходят биохимические изменения, приводящие к возникновению усталости. 


Из всего сказанного можно сделать несколько простых выводов: 
1) Во время тренировочного процесса идет интенсивный расход различных ресурсов (кислород, жирные кислоты, кетоны, белки, гормоны и многое другое). Именно поэтому организм спортсмена постоянно нуждается в обеспечении себя полезными веществами (питание, витамины, пищевые добавки). Без подобной поддержки велика вероятность причинить вред здоровью. 
2) При переходе в "боевой" режим телу человека требуется некоторое время, чтобы адаптироваться к нагрузке. Именно поэтому не стоит с первой минуты тренировки предельно себя нагружать - организм просто к этому не готов. 
3) По окончании тренировки тоже нужно помнить, что опять же требуется время, чтобы тело из возбужденного состояния перешло в спокойное. Хорошим вариантом для решения данного вопроса является заминка (снижение тренировочной интенсивности). 
4) У организма человека есть свои пределы (ЧСС, давление, количество полезных веществ в крови, скорость синтеза веществ). Исходя из этого нужно подбирать оптимальный под себя тренинг по интенсивности и продолжительности, т.е. найти ту середину, при которой можно получить максимум положительного и мимимум отрицательного. 
5) Должна использоваться как статика, так и динамика! 
6) Не все так сложно, как сперва кажется..