Меню

Химические и энергетические процессы обеспечивающие работу мышц

Энергетика работы мышц

Источником энергии в клетках является вещество аденозинтрифосфат (АТФ), которое при необходимости распадается до аденозинфосфата (АДФ):

АТФ → АДФ + энергия.

При интенсивной нагрузке имеющийся запас АТФ расходуется всего за 2 секунды. Однако АТФ непрерывно восстанавливается из АДФ, что позволяет мышцам продолжать работать. Существует три основные системы восстановления АТФ: фосфатная, кислородная и лактатная.

Фосфатная система

Фосфатная система выделяет энергию максимально быстро, поэтому она важна там, где требуется стремительное усилие, например, для спринтеров, футболистов, прыгунов в высоту и длину, боксеров и теннисистов.

В фосфатной системе восстановление АТФ происходит за счет креатинфосфата (КрФ), запасы которого имеются непосредственно в мышцах:

КрФ + АДФ → АТФ + креатин.

При работе фосфатной системы не используется кислород и не образуется молочная кислота.

Фосфатная система работает только в течение короткого времени — при максимальной нагрузке совокупный запас АТФ и КрФ истощается за 10 секунд. После завершения нагрузки запасы АТФ и КрФ в мышцах восстанавливаются на 70% через 30 секунд и полностью — через 3–5 минут. Это нужно иметь в виду при выполнении скоростных и силовых упражнений. Если усилие длится дольше 10 секунд или перерывы между усилиями слишком короткие, то включается лактатная система.

Кислородная система

Кислородная, или аэробная, система важна для спортсменов на выносливость, так как она может поддерживать длительную физическую работу.

Производительность кислородной системы зависит от способности организма транспортировать кислород в мышцы. За счет тренировок она может вырасти на 50%.

В кислородной системе энергия образуется, главным образом, в результате окисления углеводов и жиров. Углеводы расходуются в первую очередь, так как для них требуется меньше кислорода, а скорость выделения энергии выше. Однако запасы углеводов в организме ограничены. После их исчерпания подключаются жиры — интенсивность работы при этом снижается.

Соотношение используемых жиров и углеводов зависит от интенсивности упражнения: чем выше интенсивность, тем больше доля углеводов. Тренированные спортсмены используют больше жиров и меньше углеводов по сравнению с неподготовленным человеком, то есть более экономично расходуют имеющиеся запасы энергии.

Окисление жиров происходит по уравнению:

Жиры + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода.

Распад углеводов протекает в два шага:

Глюкоза + АДФ → АТФ + молочная кислота.

Молочная кислота + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода.

Кислород требуется только на втором шаге: если его достаточно, молочная кислота не накапливается в мышцах.

Лактатная система

При высокой интенсивности нагрузки поступающего в мышцы кислорода не хватает для полного окисления углеводов. Образующаяся молочная кислота не успевает расходоваться и накапливается в работающих мышцах. Это приводит к ощущению усталости и болезненности в работающих мышцах, а способность выдерживать нагрузку снижается.

В начале любого упражнения (при максимальном усилии — в течение первых 2 минут) и при резком увеличении нагрузки (при рывках, финишных бросках, на подъемах) возникает дефицит кислорода в мышцах, так как сердце, легкие и сосуды не успевают полностью включиться в работу. В этот период энергия обеспечивается за счет лактатной системы, с выработкой молочной кислоты. Чтобы избежать накопления большого количества молочной кислоты в начале тренировки, нужно выполнить легкую разогревающую разминку.

При превышении определенного порога интенсивности организм переходит на полностью анаэробное энергообеспечение, в котором используются только углеводы. Из-за нарастающей мышечной усталости способность выдерживать нагрузку истощается в течение нескольких секунд или минут, в зависимости от интенсивности и уровня подготовки.

Влияние молочной кислоты на работоспособность

Рост концентрации молочной кислоты в мышцах имеет несколько последствий, которые нужно учитывать при тренировках:

В условиях покоя на нейтрализацию половины молочной кислоты, накопившейся в результате усилия максимальной мощности, организму требуется около 25 минут; за 75 минут нейтрализуется 95% молочной кислоты. Если вместо пассивного отдыха выполняется легкая заминка, например, пробежка трусцой, то молочная кислота выводится из крови и мышц намного быстрее.

Высокая концентрация молочной кислоты может вызвать повреждение стенок мышечных клеток, что приводит к изменениям в составе крови. Для нормализации показателей крови может потребоваться от 24 до 96 часов. В этот период тренировки должны быть легкими; интенсивные тренировки сильно замедлят восстановительные процессы.

Читайте также:  Почему у кошки сокращаются мышцы

Слишком высокая частота интенсивных нагрузок, без достаточных перерывов на отдых, приводит к снижению работоспособности, а в дальнейшем — к перетренированности.

Запасы энергии

Энергетические фосфаты (АТФ и КрФ) расходуются за 8–10 секунд максимальной работы. Углеводы (сахар и крахмалы) откладываются в печени и мышцах в виде гликогена. Как правило, их хватает на 60–90 минут интенсивной работы.

Запасы жиров в организме практически неисчерпаемы. Доля жировой массы у мужчин составляет 10–20%; у женщин — 20–30%. У хорошо тренированных спортсменов на выносливость процент жира может находиться в диапазоне от максимально низкого до относительно высокого (4–13%).

Запасы энергии человека

* Высвобождаемая энергия при переходе в АДФ
* Высвобождаемая энергия при переходе в АДФ
Источник Запас (при весе 70 кг) Длительность Дли-
тель-
ность
интенсивной
работы
Энергети-
ческая система
Особенности
Граммы Ккал
Фосфаты (фосфатная система энергообеспечения )
Фосфаты 230 8* 8—10 секунд Фосфатная Обеспечивают «взрывную» силу. Кислород не требуется
Гликоген (кислородная и лактатная системы энергообеспечения )
Гликоген 300—
400
1 200—
1 600
60—90 минут Кислородная и лактатная При нехватке кислорода образуется молочная кислота
Жиры (кислородная система энергообеспечения )
Жиры Больше 3 000 Больше 27 000 Больше 40 часов Кислородная Требуют больше кислорода; интенсивность работы снижается

По книге Петера Янсена «ЧСС, лактат и тренировки на выносливость».

Источник

Химические превращения в мышце

В основе мышечной деятельности лежит ряд химических превращений. Энергия, которая освобождается при этих реакциях, используется мышцей для сокращения. Следовательно, источником мышечной энергии являются химические превращения.

Особенность этих химических превращений заключается в том, что процесс расщепления сложного вещества на более простые составные части тесно переплетается с восстановлением распавшегося вещества.

Химические реакции, протекающие в мышце, совершаются в две фазы: первая, когда не требуется кислорода,— бескислородная фаза, и вторая — кислородная фаза.

Рис. СХЕМА СОКРАЩЕНИЯ МИОЗИНА

Рассмотрим химические превращения, протекающие в эти фазы.

Бескислородная (анаэробная) фаза. Энергия для сокращения мышцы освобождается в анаэробную фазу. В эту фазу происходит распад содержащихся в мышце фосфорных соединений. К таким соединениям относится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Цепь реакций начинается с того, что АТФ распадается на адениловую и фосфорную кислоты. Эта реакция сопровождается освобождением значительного количества энергии, которая используется мышцей для производства работы. Вслед за распадом АТФ распадается креатинфосфорная кислота на креатин и фосфорную кислоту. Реакция распада креатинфос-форной кислоты, как и предыдущая реакция, сопровождается освобождением энергии. Однако эта энергия в своей значительной части используется для восстановления АТФ.

Мы здесь встречаемся с одним из замечательных явлений в организме, когда каждая последующая реакция служит источником энергии для восстановления веществ, распавшихся во время предыдущей реакции. Энергия, освобождающаяся при распаде креатинфосфорной кислоты, используется на то, чтобы из адениловой и фосфорной кислот вновь синтезировать АТФ. За распадом креатинфосфорной кислоты следует распад гексофосфата — соединения гликогена с фосфорной кисло той, с образованием молочной и фосфорной кислот. Энергия, которая при этом освобождается, используется для восстановления креатинфосфорной кислоты. Таким образом, в результате этих следующих одна за другой реакций АТФ и креатинфосфорная кислоты полностью восстанавливаются и только глюкоза распадается до молочной кислоты.

Лишь после того, как стала известной эта цель химических превращений и то обстоятельство, что основные источники энергии — АТФ и креатинфосфорная кислоты, полностью восстанавливаются, было найдено объяснение тому факту, что мышца лягушки способна 1500 раз сокращаться в бескислородной среде. Мышца лягушки может совершать такое значительное количество сокращений в анаэробных условиях потому, что восстановление аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот не требует наличия кислорода. Однако в дальнейшем работоспособность мышцы все же понижается, и в итоге мышца прекращает свою работу. Оказывается, что для дальнейших реакций необходимо наличие кислорода, и следующие реакции проходят уже в присутствии кислорода в кислородную, или аэробную, фазу.

Читайте также:  Когда мышцы развиваются интенсивно

Кислородная (аэробная) фаза. В присутствии кислорода происходит распад молочной кислоты. Конечными продуктами распада молочной кислоты являются вода и углекислый газ. Однако не вся молочная кислота распадается на воду и углекислый газ, а только ее третья часть. Эта реакция также протекает с освобождением энергии. Что же происходит с 2 /3 молочной кислоты? Оказывается, что, используя энергию, которая освобождается при окислении Уз молочной кислоты, оставшиеся 2 /з вновь преобразуются в гликоген. Таким образом, несмотря на ряд сложнейших химических превращений,

затраты организма при мышечном сокращении сводятся толь ко к потере части гликогена.

Мышцы человека и животных получают энергию, необходимую для сокращения и производства работы, в результате химических реакций и трансформируют эту энергию в механическую и тепловую.

Максимальное количество энергии, которое мышца может использовать, не превышает 30% всей энергии, которая осво бождается в результате химических реакций.

ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЫШЦАХ ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАБОТЕ

Описанные выше химические процессы хотя и исследованы в изолированной мышце, но имеют место и в целом организме человека. Человек иногда за очень короткий промежуток времени совершает довольно большую работу. Бегун пробегает расстояние 100 м за 10—11 секунд, тяжелоатлет поднимает огромные тяжести (штангу весом в 100 кг и более) за 5—7 секунд и т. д.

Все эти виды деятельности сопровождаются большой затратой энергии в течение нескольких секунд. Чтобы обеспечить образование значительного количества энергии за короткий промежуток времени, необходимо резкое усиление окислительных процессов, что связано с изменением дыхания, работы сердечно-сосудистой системы и др. Естественно, что за несколько секунд подобные изменения произойти не могут, они наступают значительно позже. Так как доставка кислорода кровью в начальную фазу работы крайне мала по сравнению с потребностью, то большая часть продуктов распада не окисляется и накапливается в мышце. Для их окисления требуется дополнительное количество кислорода. Через некоторое время после начала работы деятельность дыхательной и сердечно-сосудистой системы изменяется, приспосабливаясь к возросшим потребностям организма. Теперь уже удовлетворяются потребности окислительных процессов в кислороде. В этих условиях продукты распада, которые образовались в начале работы и для окисления которых требовалось дополнительное количество кислорода, остаются неокисленными. Количество кислорода, которое дополнительно к текущим потребностям требуется для окисления этих веществ, получило название кислородной задолженности. Кислородная задолженность покрывается после прекращения работы.

Повышенное потребление кислорода после работы связано также с тем, что повышенный обмен веществ после прекращения работы не сразу приходит к тому уровню, который

был до работы, а постепенно. Поэтому, хотя работа прекращена, повышенное потребление кислорода продолжается еще некоторое время.

ОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛА В МЫШЦЕ ПРИ СОКРАЩЕНИИ

Процесс образования тепла в мышце при ее деятельности был подробно изучен английским физиологом Гиллом. Им был сконструирован весьма чувствительный прибор. Этот прибор отмечал наличие разности в температуре даже в пределах 0,0000001°.

Изучение одиночного сокращения мышцы показало, что освобождение тепла происходит в две фазы.

Первая фаза — начальное теплообразование. Эта фаза, как предполагается, обусловлена процессами, протекающими в бескислородную фазу. Втарая фаза — оставленное те п л ообразование. Эта фаза длительная, продолжается даже после одиночного сокращения и обусловлена окислительными процессами.

ТЕОРИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

Основное явление при мышечном сокращении сводится к укорочению мышечного волокна. При этом натуральная длина волокна уменьшается и мышца совершает механическую работу. Как мы уже знаем, для сокращения мышца получает энергию при распаде АТФ. Само же сокращение происходит за счет укорочения молекулы мышечного белка—миозина (рис.). Волна возбуждения, поступившая в мышцу, вызывает в ее волокнах физические и химические изменения, в частности концентрация ионов калия внутри волокна уменьшается, а концентрация ионов кальция повышается — эти изменения и обусловливаются сокращением молекулы миозина. Миозин обладает еще одним свойством: он способствует образованию аденозинтрифосфорной кислоты.

Читайте также:  Способность к произвольному расслаблению мышц относится к проявлению

Статья на тему Химические превращения в мышце

Источник

ТЕМА 12. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Содержание АТФ в мышцах незначительно (около 5 ммоль /кг сырой массы ткани – 0,25-0,4%) и всегда поддерживается на постоянном уровне, так как повышение концентрации АТФ угнетает АТФазу миозина, а падение ниже 2 ммоль/кг нарушает работу Са-насоса ретикулума и тормозит процесс расслабления. Запасы АТФ могут обеспечивать выполнение интенсивной работы только в течение очень короткого времени – 0,5-1,5 с или 3-4-ти одиночных сокращений максимальной силы. Дальнейшая мышечная работа обеспечивается благодаря быстрому ресинтезу АТФ из продуктов ее распада. Энергетическими источниками для ресинтеза АТФ являются креатинфосфат и AДФ.

Ресинтез АТФ может осуществляться в анаэробных и аэробных условиях. В обычных условиях ресинтез АТФ происходит преимущественно аэробно, а при мышечной напряженной работе, когда доставка кислорода к мышцам затруднена, в тканях усиливаются анаэробные механизмы ресинтеза АТФ. В скелетных мышцах человека выявлено 3 вида анаэробных и один аэробный путь ресинтеза АТФ.

К анаэробным механизмам относятся:

1) креатинфосфокиназный (алактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ за счет перефосфорилирования между креатинфосфатом и АДФ;

2) гликолитический (лактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ в процессе анаэробного расщепления гликогена мышц или глюкозы крови с образованием молочной кислоты;

3) миокиназный механизм, осуществляющий ресинтез АТФ за счет реакции перефосфорилирования между двумя AДФ с участием миокиназы (аденилаткиназы).

Аэробный механизм ресинтеза АТФ включает реакции окислительного фосфорилирования. Энергетическими субстратами аэробного окисления служат глюкоза, жирные кислоты, частично аминокислоты, молочная кислота и кетоновые тела.

Каждый механизм имеет разные энергетические возможности, которые характеризуются по следующим критериям оценки механизмов энергообразования: максимальная мощность, скорость развертывания, метаболическая емкость и эффективность. Максимальная мощность – это наибольшая скорость образования АТФ в данном метаболическом процессе. Она лимитирует предельную интенсивность работы, выполняемой за счет данного механизма. Скорость развертывания оценивается по времени достижения максимальной мощности данного пути ресинтеза АТФ от начала работы. Метаболическая емкость отражает общее количество АТФ, которое может быть получено в данном механизме ресинтеза за счет величины запасов энергетических субстратов, емкость лимитирует объем выполняемой работы. Метаболическая эффективность – это та часть энергии, которая накапливается в макроэргических связях АТФ, она определяет экономичность выполняемой работы и оценивается общим значением коэффициента полезного действия (КПД), представляющее отношение всей полезно затраченной энергии к ее общему количеству, выделенному в данном метаболическом процессе.

Общий КПД при преобразовании энергии метаболических процессов в механическую работу (Ем) зависит от двух показателей: а – эффективности преобразования выделяемой в ходе метаболических превращений энергии в энергию ресинтезируемых АТФ, т.е. эффективности фосфорилирования (Еф); б – эффективности преобразования АТФ в механическую работу, т.е. эффективности электромеханического сопряжения (Ее):

Ем = (Еф/Ее) ∙100

Эффективность электромеханического сопряжения в процессах аэробного и анаэробного метаболизма примерно одинакова и составляет 50%, эффективность фосфорилирования наивысшая в алактатном анаэробном процессе – около 80% и наименьшая – в анаэробном гликолизе – в среднем 44%, в аэробном процессе 60%.

Критерии оценки механизма энергообеспечения мышечной деятельности

Механизм ресинтеза АТР Мах мощность Время удержания мах мощности, с Мах емкость Эффективность, %
Дж/кг в мин Моль в мин Кдж/кг Моль/кг Еф Ее Ем
КФК 3,6 6-12 0,7
Гликолиз 1,6 30-60 1,2 36-52
Аэробный 1,0 ¥

КФК и гликолитический имеют максимальную мощность и эффективность образования АТР, но короткое время удержания мах мощности и небольшую емкость из-за малых запасов энергетических субстратов. Аэробный механизм имеет почти в 3 раза меньшую мах мощность, но поддерживает ее в течение длительного времени, а также почти неисчерпаемую емкость благодаря большим запасам углеводов, жиров, белков. Так, за счет запасов жиров организм может непрерывно работать в течение 7-10 дней.

Анаэробные механизмы являются основными в энергообеспечении кратковременных упражнений высокой интенсивности, а аэробные – при длительной работе умеренной интенсивности.

Источник

Adblock
detector