Энергетические механизмы человека. Обзор. Выводы

Организм человека неразрывно связан с окружающей средой. В течение всей жизни в организм поступают питательные вещества, вода, кислород, и другие органические и минеральные вещества.
Используются они либо для построения собственных структур организма, либо для получения энергии.
Обмен веществ называется метаболизмом, который  делится на две основные фазы
-Анаболизм – получение веществ и построение внутренних структур. Построение  сложных химических веществ из простых молекул. Этот процесс включает в себя и процессы распада питательных веществ до простых строительных материалов с целью их усвоения и использования.
-Катаболизм – разрушение внутренних структур и сложных молекул в процессе жизнедеятельности.
В настоящий момент нас интересуют  такие процессы обмена веществ, которые обеспечивают наш организм энергией для достижения конкретных целей – увеличения силы и выносливости в процессе силовых упражнений.
Аккумуляторам и переносчиками энергии в организме являются высокоэнергетические вещества.
В центре этих преобразований лежат два основных нуклеотида и процессы, возникающие при  их взаимодействии – АДФ и АТФ.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота участвует в процессе энергетического обмена при своём распаде и образовании АДФ – аденозиндифосфорной кислоты. С образованием протона Н+ фосфорной кислоты и – энергии . Катализируют  реакцию специальные ферменты – АТФазы.
АДФ также может под воздействием фермента монокиназы распадаться до АМФ – аденозинмонокиназы. На этом процесс образования энергии завершается.
В редких случаях АМФ используется для восстановления АТФ.
Энергия АТФ постоянно используется во всех процессах организма. Так в скелетных мышцах она поддерживает процессы мышечного сокращения и расслабления.
В клетках нервной системы эта энергия используется для образования электрического потенциала в процессе передачи нервного импульса.
Образование энергии в организме происходит в процессе окисления-восстановления.
Процесс окисления происходит при отдаче веществом-донором электрона при своём распаде, а восстановление – при приёме электрона к веществу-акцептору электронов.
Освобождаемая энергия при данных процессах может либо рассеиваться, что называется свободным окислением, при котором не происходит образование макроэнергетических веществ.
Либо происходит образование АТФ в мышцах при анаэробном окислении глюкозы (субстратное фосфорилирование). Этот процесс  можно считать первичным в образовании АТФ.
Либо происходит окислительное фосфорилирование при образовании АТФ в рамках дыхательной цепи (аэробный цикл). При этом образование АТФ не является главным, а образующиеся протоны Н+ могут использоваться и при других процессах.
Местом заключительного этапа окисления веществ и превращения их энергии в форму, доступную организму, являются митохондрии.
В них образуется до 90% АТФ.
Центральным путём метаболизма клетки является  так называемый цикл Кребса. Этот цикл представляет собой ряд химических реакций до окончательного результата - СО2, при которых образуется основная масса энергетически-активных веществ.
Скорость образования АТФ находится в прямой зависимости от дыхания митохондрий, которая регулируется содержанием  АДФ в клетках. Даже незначительное повышение концентрации АДФ в мышцах при их работе и потреблении АТФ, приводит к увеличению потребления кислорода многократно. Например, сокращение мышц при физической работе приводит к увеличению  потребления О2 в 100 раз! И заканчивается только тогда, когда всё количество АДФ не превратится в АТФ. После этого скорость дыхания автоматически возвращается к уровню покоя.
Скорость синтеза АТФ зависит от скорости её использования.  Так при мышечной работе резко увеличивается расщепление АТФ. Образующиеся продукты быстро включаются в процессы восстановления исходного количества АТФ.
Таким образом, соотношение АТФ, АДФ и АМФ в клетках регулирует скорость обменных процессов, которые ведут к накоплению АТФ и её использованию.
К примеру, мышечная ткань состоит из трёх основных белков – саркоплазматических, миофибриллярных и белков стромы. Нас интересуют миофибриллярные.
Это актин, актомиозин и миозин.
 Миозин образует упорядоченные пучки нитей (филаментов) и миофибрилл.
На миозине располагаются активные центры АТФ-азы и актин-связывающий центр, чем обеспечивается взаимодействие актина и миозина при сокращении. В присутсвии ионов Кальция Са2+ АТФ разрушается до АДФ с образованием энергии. А в присутсвии ионов Магния  Mg2+  миозин присоединяет к себе молекулы АТФ  и взаимодействует с нитями актина, обеспечивая  сокращение мышцы.
Это основной принцип процесса мышечного сокращения. Однако в мышце АТФ содержится достаточно мало.  Её запасы способны обеспечивать интенсивной работы только в течение очень короткого времени. 0,5-1,5 секунд или 3-4 одиночных сокращения.
Дальнейшая работа обеспечивается быстрым ресинтезом АТФ из продуктов её распада.  Энергетическими же источниками являются либо высокоэнергетичные продукты катаболизма гликогена, жирных кислот и других веществ.
А также – за счёт энергии так называемого протонного градиента на мембране митохондрий при аэробном окислении различных веществ.
Здесь мы подходим к основным механизмам энергообразования.
Это реакции без участия кислорода – анаэробные реакции. И реакции с участием кислорода – аэробные реакции.
В обычных условиях ресинтез  АТФ происходит преимущественно аэробно. А при напряжённой мышечной работе , когда доставка кислорода к тканям затруднена, в тканях усиливаются анаэробные процессы.
В скелетных мышцах выделено три анаэроэбных пути ресинтеза АТФ и один аэробный. Это, так сказать, к слову об эволюционном пути развития человека.
Аэробный  путь – это реакции, протекающие в митохондриях. Энергетическими субстратами являются: глюкоза, жирные кислоты, метаболиты глюкозы – кетоновые тела  и молочная кислота.
Анаэробный путь – креатининфосфокиназный, гликолитический, миокиназный.
Креатининфосфокиназный (фосфогенный или алактатный) – ресинтез АТФ при фосфорилировании АДФ и креатининфосфата.
Гликолитический (лактатный) – ресинтез АТФ при ферментативном анаэробном расщеплении гликогена мышц и глюкозы крови с образованием молочной  кислоты (лактата).
Миокиназный –  Ресинтез АТФ за счёт перефосфорилирования двух молекул АДФ с участием фермента монокиназы (аденилатциклазы).
Алактатный механизм развёртывается очень быстро и начинает так же быстро и эффективно работать. Однако креатининфосфата в мышцах достаточно малои поэтомуего хватает ненадолго.
После него в работу включается гликолитический механизм ресинтеза АТФ. Ферменты, находящиеся в саркоплазме мышечных волокон и включаются, как только повышается уровень  АДФ и неорганического фосфата в ткани. Это стимулируется катехоламинами (адреналином и норадреналином) и начинает работать с первых секунд, о чём говорит повышение молочной кислоты в мышцах.  Активации способствует понижение содержания креатининфосфата и увеличение АМФ при миокиназном механизме ресинтеза АТФ.
Мощность лактатного механизма несколько ниже, чем при алактатном механизме, но в 2-3 раза выше, чем при аэробном гликолизе.  На максимальную мощность он выходит уже на 20-30-й секунде работы, а становится основным механизмом ресинтеза АТФ уже на 1-й минуте.
Однако!
При воздействии накапливающейся молочной кислоты и снижении рН среды (увеличении кислотности) эффективность механизма снижается.
То есть метаболическая емкость гликолиза зависит от:
Наличия углеводов внутри мышц
Постоянства рН внутренней среды
У тренированных и адаптированных спортсменов, работающих на выносливость,  даже послед длительных тренировок количество молочно кислоты увеличивается незначительно.
Примерно половина выделяемой энергии уходит на тепло. Скорость теплопродукции нарастает и температура работающих мышц  возрастает до 41градуса по Цельсию.
Гликолиз играет важнейшую роль при напряжённой мышечной работе в условиях недостаточного снабжения тканей кислородом.  Это основной путь энергообразования в упражнениях субмаксимальной мощности.  За счёт гликолиза совершаются длительные ускорения по ходу упражнения и на финише дистанции. Гликолитический механизм является основой специальной скоростной выносливости организма.
Накопление молочной кислоты приводит к уменьшению рН внутренней среды и активирует работу ферментов дыхательного цикла. При достижении рН 6,4 прекращается расщепление гликогена,  резко уменьшается АТФ  и нарастает усталость.
На этом же фоне увеличение молочной кислоты способствует изменению осмотического давления и внутрь мышечных волокон поступает вода из межклеточного пространства, что может привести к их набуханию и нарушению работы нервных окончаний.  Отсюда – возникновение болевых ощущений в мышцах на фоне накопление молочной кислоты.
Молочная кислота может проникать в кровь и вызывать увеличение избыточного СО2. Что активирует дыхательный центр, а отсюда увеличение лёгочной вентиляции.
В результате исследований пришли к выводу, что у тренированного человека развивается  своеобразный адаптационный синдром к выработке лактата. Поскольку при нагрузках уровень молочной кислоты либо снижается, либо остаётся на величинах значительно ниже, чем это можно было бы ожидать у нетренированного.
Например, согласно таблице (стр.317 таблица 128), уровень лактата сначала является достаточно высоким, затем снижается и держится примерно на одном уровне в течение нескольких месяцев, а затем начинает прогрессивно снижаться. Что говорит о развитии адаптации к нагрузкам и развитии способности перераспределять уровень кислотности  крови и тканей в зависимости от уровня силовой нагрузки и длительности тренировки.
Согласно таблице 127 на той же странице, можно предположить, что время,  необходимое для накопления лактата так же увеличивается, поэтому и болевые эффекты от воздействия молочной кислоты определяются позднее, чем в первые месяцы тренировок. И сама тренировка может оказываться эффективнее и насыщеннее, нежели у новичка.
Аэробный механизм ресинтеза АТФ обеспечивает около 90% АТФ.  Ферментные системы расположены в основном в митохондриях. В качестве энергетического субстрата используются:
Глюкоза, высшие жирные кислоты, отдельные аминокислоты, кетоновые тела, молочная кислота и другие недоокисленные продукты обмена.  Все эти продукты через ряд превращений постепенно разрушаются до воды и СО2 с участием многочисленных ферментов и вдыхаемого кислорода. Энергия окисления накапливается на субстратах-переносчиках ( например, НАДН2) .
Это сложный электрический и биохимический процесс, при котором АДФ преобразуется в АТФ.
При потреблении кислорода объём работы механизма будет тем большим, если в качестве субстрата используются углеводы, а не жиры, которые сами требуют больше энергии для расщепления.  При использовании углеводов требуется на 12% меньше кислорода, чем при использовании жиров.
Максимальная мощность аэробного процесса развивается у спортсменов к 2-3-й минуте и у неспортсменов к 4-5-1 минуте и может поддерживаться до 15-30-й минуты. В более длительных упражнениях эта мощность постепенно уменьшается и у марафонцев может оставаться на уровне 80-85%.
В спортивной практике физические упражнения, в которых вклад анаэробных процессов составляет более 60% энергетического запроса, обычно называют упражнениями анаэробного характера.
Длительные физические упражнения, при которых вклад аэробного процесса превышает 70% относят к упражнениям аэробного характера.
Упражнения, при которых вклад обоих систем примерно равен называют аэробно-анаэробными.
Примером может служить таблица 131 на стр. 323, где показывается, как степень превалирования аэробных процессов над анаэробными возрастает в зависимости от длительности бега.
При 135 минутах аэробная составляющая уже оказывается равной 100% (42 тысячи метров)
При этом после 15 секунд бега доминирует анаэробный тип энергообеспечения (0-100 м).
Аэробно-анаэробный тип характерен для 4 минут при беге на 1500 м.
В процессе скоростной тренировки существенно изменяются анаэробные механизмы энергообеспечения. Отмечается увеличение их мощности и емкости.  Это связано с повышением активности ферментов анаэробных механизмов. И увеличения запаса тканевых субстратов.
Так, при адаптации содержание креатинфосфата в скелетных мышцах может возрастать  в 1,5-2 раза. А содержание гликогена в 3 раза.
Уровень молочной кислоты у тренированных спринтеров после работы может достигать 25-60 ммоль/л, у нетренированных  - 6-12.
Связано это с повышением буферной емкости крови, которая также может увеличиваться на 20-50% .
Алактатный механизм у тренированных спортсменов может увеличиваться до 15-45 секунд, а лактатный до 3-4 минут. Что при выполнении больших и одномоментных нагрузок позволяет поднимать больший вес и делать больше подходов за единицу времени.
Таковы основные механизмы энергообеспечения  организма при различных видах нагрузок и различной степени зависимости от кислорода.
Можно предположить, что развитие анаэробной системы возможно не только за счёт выполнения силовых нагрузок, но и с помощью упражнений апноэ.
Так называемой вентиляции-апноэ.
То есть на задержке дыхания начинают развиваться анаэробные механизмы, характерные для водных млекопитающих, что позволяет увеличивать продолжительность ныряния.  Это дополнительно поддерживается так называемым нырятельным рефлексом млекопитающих, при котором происходит замедление частоты сердечных сокращений, урежение пульса, снижение кровоснабжения на периферии. А, соответственно, и усилением работы организма в режиме анаэробного гликолиза. При урежении пульса и замедлении движения крови происходит замедление активных обменных процессов, что уже не требует более частых вдохов кислорода.
Что , в отличие от гипервентиляции, не сказывается на работе дыхательного центра, так как компенсирует нарастание кислотности крови за счёт замедления процессов.
У нас оказывается два вывода, следующих один из другого по принципу обратной связи:
1. Упражнения на апноэ сами по себе увеличат тренированность спортсмена к работе организма в анаэробном режиме, что приведёт его к дополнительной силовой выносливости. Это требует доказательства.
2. Анаэробные упражнения позволяют лучше адаптироваться к режиму апноэ-вентиляции и легче переносить погружения без риска гиповентиляции и блэкаута (внезапной потери сознания на гипоксии). Последнее доказано и постоянно используется известнейшими фридайверами для тренировок.

Среди факторов, определяющих физическую работоспособность, можно указать
Биоэнергетические аэробные и анаэробные возможности человека
Нейромышечные – сила, выносливость и техника выполнения.
Психологические – мотивация и тактика ведения занятия и соревнования.
Мышечная сила и биоэнергетические возможности относятся к группе потенций.
Техника, тактика и психическая подготовка – объединяются в группу факторов производительности. Рациональная техника выполнения упражнений позволяет в большей степени и более эффективно реализовать силовые и биоэнергетические возможности.
Важная роль факторов производительности заключается в том, что при их правильном использовании и потенции будут реализованы. А без правильной техники и заложенные возможности окажутся нереализованными.
То же произойдёт без наработанных двигательных навыков и мотивации к проведению занятий.
Часто выполнение упражнений связано с биоэнергетическими возможностями. Выполнение любой работы связано с затратами энергии. В каждом виде спорта существуют свои преобладающие биоэнергетические факторы, определяющие результат упражнений.  Так, упражнения, требующие стайерских нагрузок, зависят главным образом от аэробной мощности. , аэробной емкости и гликолитической анаэробной емкости.
Баскетбол – от гликолитической анаэробной емкости и аэробной эффективности.
Влияние биоэнергетических факторов на уровень спортивных достижений изменяется в зависимости от мощности и продолжительности упражнений.
Эти факторы могут заметно улучшиться в процессе тренировки.  При направленной тренировке наибольшие темпы развития и длительность поддержания максимального уровня, характерно для показателей, определяющих выносливость или общую аэробную способность. Значительно медленнее поддаются тренировке  и удерживаются более короткое время на максимальном уровне показатели, составляющие основу анаэробной выносливости и скоростно-силовых качеств.
При развитии силовых возможностей (увеличении максимальной силы мышц), преодолеваемое сопротивление должно составлять 70-100%индивидуального максимума для данной группы, при развитии скорости – 20-40%, при комплексе то есть скорости и силы (мощности) – 40-70%.
Необходимым требование является соответствие упражнений структуре основного упражнения и создание условий для выполнения упражнения с максимальным усилием.
В скоростно-силовых видах спорта используют два основных приема:
1. Метод максимальных усилий
2. Метод повторных предельных упражнений.
Метод максимальных усилий. Упражнения выполняются с предельной мобилизацией на проявление максимальных усилий с небольшим числом повторений. С нерегламентированными интервалами для отдыха, достаточным для восстановления и повторения максимальных усилий. Как правило 1,5-2 минуты между упражнениями.
Как правило максимальный уровень достигается за счёт креатинфосфата – то есть алактатного фосфорилирования. А его хватает обычно на 5-6повторений. При произвольно дозируемых интервалах отдыха за одну тренировку можно добиться 10-12 повторений упражнения с максимальной нагрузкой (10-12 подходов). При большем количестве подходов развивается локальное утомление, которое приводит к нарушению координации движений и уменьшению максимальной мощности за счёт усиления гликолиза, наращивания количества молочной кислоты и  снижения внутриклеточного рН.
Поэтому упражнение нужно прекращать, когда отмечается резкое снижении е максимальной мощности, что и говорит об изменении кислотно-щелочного равновесия крови.
Метод повторных предельных упражнений применяется для усиления синтеза белков и увеличения мышечной массы. Таких упражнений много и они работают на определённую группу мышц. Преодолеваемое сопротивление обычно не превышает 70% максимальной изометрической силы. Используется большое число повторений до отказа.
Сущность процесса такова: при сопротивлении больше 50% максимальной изометрической силы происходит уменьшение  наполняемости мышцы кровью, усиливается местная гипоксия, накопление свободного креатина, молочной кислоты, происходит распад белков до пептидов, что в период отдыха служит прекрасным материалом для строительства новых мышц. Накопление молочной кислоты приводит к задержке в мышцах воды с питательными веществами, что также способствует наращиванию мышечной массы.  При систематических занятиях  в мышцах увеличивается количество сократительных белков и возрастает объём мышечной масс ы.
Сочетание обоих методов позволяет как наращивать мышечную массу, так и увеличивать высокий уровень скоростно-силовых качеств.
Развитие выносливости.
1. Метод длительной непрерывной работы
2. Методы повторной интервальной тренировки
Повторная и интервальна работа (интервальный спринт) позволяет добиться маквсимального исчерпания алактатных резервов и повысить устойчивость системы в условиях накопления продуктов анаэробного гликолиза (АДФ, молочной кислоты, фосфорной кислоты и др.) Решить эти вопросы можно только путём большого числа повторений кратковременных (не более 10-15 секунд) упражнений с интенсивностью 90-95%. Паузы отдыха должны обеспечивать достаточное восстановление алактатных резервов. То есть не менее 2,5-3 минут.
К 5-6 повторению на максимальной мощности уже начинает снижаться максимальная мощность. Обычно это отмечается к 8-10 повторению. Поэтом утакое количество повторов можно считать оптимальным.
Если интервалы отдыха уменьшаются (до 30-10-5 секунд), то характер тренировки приобретает аэробно-анаэробный характер. Поэтому если применяются кратковременные максимальные усилия, интервал отдыха между подходами должен составлять не менее 3 минут.
С каждым новым повторением можно снова воспроизводить максимальные усилия, которые лимитируются только наличием гликогена в мышцах и достижением предельного закисления (как правило на 6-8 повторе).
Если интервалы отдыха соотносятся с рабочим временем упражнения как 1:1 или 1:1,5, то общее число повторений упражнения сокращается до 3-4 раз. Для закрепления тренировочного усилия используются серии по 3-4 повторения, разделённых 10-15 минутным отдыхом.