Биохимические основы утомления

Динамика биохимических изменений в организме человекапри мышечной деятельности. Биохимические основы утомления. Во время мышечной работы, основное энергетическое обеспечение которой происходит за счет анаэробного гликолиза, источником энергии служит гликоген мышц. Фосфоролиз его происходит без затруднений, т.к. необходимая для этого фосфорная кислота имеется в достаточных количествах. Использование приносимой кровью свободной глюкозы происходит при этом незначительно: для ее фосфорилирования не хватает АТФ, с большой скоростью расходуемой на мышечные сокращения. Если работа продолжается достаточно долго, запас мышечного гликогена снижается, работающие мышцы должны переключаться на использование приносимой кровью глюкозы. К этому времени для использования глюкозы в мышцах создаются более благоприятные условия: усиливается доставка кислорода к работающим мышцам, происходит переход к аэробному ресинтезу АТФ, и количество АТФ становится достаточным для фосфорилирования свободной глюкозы. В состоянии покоя концентрация свободной глюкозы на постоянном уровне 80-100 мг на каждые 100 мл крови. В зависимости от состояния организма концентрация глюкозы в крови может увеличиваться выше уровня покоя (гипергликемия) или снижаться ниже этого уровня (гипогликемия). Усиленное потребление глюкозы из крови при напряженной мышечной работе стимулирует мобилизацию гликогена печени. По изменяющемуся уровню глюкозы в крови при мышечной деятельности можно судить о степени мобилизации резервных углеводов. Уровень глюкозы в крови находится под контролем нервной и эндокринной систем. Регуляция поступления в кровь глюкозы осуществляется путем прямого воздействия ЦНС на печень, а также через выделение гормонов надпочечниками, поджелудочной железой и гипофизом. Уровень глюкозы в крови зависит также от поступления углеводов с пищей. При очень длительной работе запасы гликогена в печени могут сильно снижаться, что приводит к снижению уровня глюкозы в крови и ухудшению снабжения ею головного мозга, сердечной и скелетной мышц. Чтобы избежать этого, при марафонском беге и заплыве, лыжных и велосипедных гонках принимают глюкозу во время работы. Запасы гликогена печени являются одним из факторов, определяющих аэробную работоспособность, а запасы гликогена мышц – одним из факторов, определяющих анаэробную работоспособность спортсмена. У хорошо тренированных спортсменов не наблюдается большой гипогликемии, ни значительной гипергликемии, при работе уровень сахара у них лишь немного повышен, а при длительных нагрузках значительно большее время у тренированного спортсмена по сравнению с нетренированным не наблюдается снижение уровня глюкозы ниже уровня покоя. Обмен белков и азотсодержащих веществ при мышечной деятельности АТФ является непосредственным источником энергии не только для различных физиологических функций (мышечных сокращений, нервной деятельности, передачи нервного возбуждения, процессов секреции и т.д.), но и для происходящих в организме пластических процессов (построения иобновления тканевых белков, биологических синтезов). Между этими двумя сторонами жизнедеятельности – энергетическим обеспечением физиологических функций и энергетическим обеспечением пластических процессов – существует постоянная конкуренция. Усиление специфической функциональной деятельности всегда сопровождается увеличением расходования АТФ и, следовательно, уменьшением возможности использования ее для биологических синтезов. При мышечной деятельности обновление белков угнетается, причем тем больше, чем в большей степени понижается содержание АТФ в мышцах. Следовательно, при упражнениях максимальной и субмаксимальной интенсивности, когда ресинтез АТФ происходит преимущественно анаэробным путем и наименее полно, обновление белков будет угнетаться более значительно, чем при работе средней и умеренной интенсивности. Угнетение обновления белков – следствие недостатка АТФ, необходимой для процесса их синтеза. Поэтому во время интенсивной мышечной деятельности нарушается баланс между расщеплением и синтезом белков спреобладанием первого над вторым. Содержание белков в мышце несколько понижается, а содержание полипептидов и азотсодержащих веществ небелковой природы увеличивается. Часть этих веществ, а также некоторых низкомолекулярных белков уходят из мышц в кровь, где соответственно увеличивается содержание белкового и небелкового азота. При этом возможно и появление белка в моче. Особенно значительны все эти изменения при силовых упражнениях большой интенсивности. При интенсивной мышечной деятельности усиливается также образование аммиака – содержание его в мышцах и крови увеличивается. Устранение образовавшегося аммиака требует участия АТФ и поэтому (вследствие понижения содержания ее) при интенсивной мышечной деятельности испытывают затруднения. При мышечной деятельности средней и умеренной интенсивности, когда ресинтез АТФ идет за счет дыхательного фосфорилирования, устранение аммиака существенно усиливается. Содержание его в крови и тканях снижается, а образование глютамина и мочевины возрастает. Из-за недостатка АТФ во время мышечной деятельности максимальной и субмаксимальной интенсивности затрудняется и ряд других биологических синтезов. В результате наблюдается частичное разобщение дыхания и фосфорилирования, нарушается передача нервного возбуждения на мышцы. Мышечная деятельность приводит к усилению работы сердца и увеличению интенсивности обмена веществ в миокарде. Ресинтез АТФ происходит преимущественно путем дыхательного фосфорилирования. В качестве субстратов окисления используются приносимые кровьюглюкоза, жирные кислоты, кетоновые тела и молочная кислота, которую сердечная мышца в противоположность скелетным мышцам не выделяет в кровь, а поглощает из крови. Содержащийся в сердце гликоген во время мышечной деятельности почти не используется. Количество его начинает уменьшаться только при очень длительной, многочасовой, интенсивной работе. В печени во время мышечной деятельности усиливается расщепление гликогена, приводящее к образованию сахара, который переходит затем в кровь (мобилизация углеводов). При кратковременной работе максимальнойинтенсивности этот процесс выражен слабо, но при длительной работе содержание гликогена в печени может понижаться очень сильно. В результате этого скорость реакции фосфоролиза и поступление сахара в кровь уменьшаются, а уровень его в крови падает. Снабжение работающихмышц, сердца и головного мозга сахаром резко ухудшается. Эти обстоятельства являются одной из причин, побуждающих спортсменов потреблять сахар и глюкозу на дистанции при длительных нагрузках (марафонский бег, лыжные гонки на 30 и 50 км, велогонки по шоссе и др). В печени во время мышечной деятельности усиливаются расщепление проносимых кровью жиров, синтез фосфолипидов и окисление жирных кислот до кетоновых тел. Фосфатиды, часть жирных кислот икетоновые тела поступают в кровь и оттуда в скелетные мышцы и мышцу сердца. При длительной мышечной деятельности (марафонский бег, велогонкипо шоссе) в печени усиливается образование мочевины, которая затем выводится из организма с мочой и потом. Потери организмом азота (главным образом, в виде мочевины) по сравнению с потерями в состояниипокоя почти удваиваются. В головном мозгу также происходят значительные биохимические изменения. Возбуждение нервных клеток, связанное с двигательнойактивностью, сопровождается рядом биохимических процессов и, в первую очередь, расщеплением АТФ и усилением образования аммиака. Ресинтез АТФ в головном мозгу происходит преимущественно путем дыхательного фосфорилирования. В связи с этим при мышечной деятельности резко возрастает потребление головным мозгом кислорода и глюкозы из крови. Утомление – состояние организма, возникающее вследствие длительной или напряженной деятельности и характеризующееся временным снижением работоспособности. Субъективно оно воспринимается как чувство местной усталости («устала» та или иная группа мышц) или же общей усталости. Однако непосредственные причины утомления зависят не столько от состояния мышц, сколько от центральной нервной системы. Вследствие значительного и длительного возбуждения, связанного с посылкой двигательных импульсов и переработкой афферентных сигналов, поступающих от работающих мышц, расщепление АТФ в нервных клетках начинает преобладать над ее ресинтезом, и баланс богатых энергией фосфорных соединений нарушается. Утомление является защитной реакцией организма, предохраняющей от неблагоприятных биохимических сдвигов, которые при продолжении работы могли бы стать необратимыми и привели бы к опасным для жизни последствиям. Глубина и характер биохимических и физиологических изменений, приводящих к утомлению, зависят от многих факторов, среди которых важную роль играют мощность и продолжительность выполняемой работы, а также ее характер. Различают несколько видов утомления: 1) сенсорное утомление, связанное с деятельностью анализаторов; 2) умственное утомление; 3) физическое утомление, связанное с выполнением мышечной работы. Физическое утомление по-разному проявляется при работе, в которой участвуют небольшие группы мышц, и при работе, в которую вовлечены все основные мышечные группы (глобальной). В первом случае утомление носит местный характер, во втором оно охватывает весь организм в целом. Различаются механизмы утомления и в упражнениях разной мощности и продолжительности. При напряженной мышечной деятельности глобального характера, какой и является спортивная деятельность, утомление во многом определяется биохимическими изменениями в организме. В кратковременных упражнениях высокой интенсивности возникновение утомления связано преимущественно с изменениями, происходящими в ЦНС, осуществляющей напряженную деятельность по формированию двигательных импульсов и переработке импульсов, поступающих с периферии (с проприо- и хеморецепторов). Изменения в ЦНС связаны в первую очередь с рассогласованием процессов распада и ресинтеэа АТФ. С увеличением продолжительности работы в развитии утомления все более возрастает роль факторов, связанных с деятельностью сердечно- сосудистой и дыхательной систем; биохимическими изменениями в работающих мышцах и других органах: снижением запасов энергетических субстратов; накоплением продуктов энергетического и белкового обмена, изменением рН, приводящего к снижению активности ферментов, изменению свойств белков и т.п. При длительной работе значительную роль в развитии утомления играют факторы, связанные с нарушением гормональной регуляции обмена веществ, потере воды и минеральных веществ. Наиболее выраженные изменения в организме во время работы связаны с энергетическим обменом и сводятся к снижению запасов энергетических источников: КФ гликогена мышц, печени и других органов, липидов, накоплению промежуточных продуктов энергообмена: креатина, фосфорной, молочной и пировиноградной кислот, кетоновых тел. Происходит также снижение содержания структурных белков и белков-ферментов, воды, минеральных веществ и ряд других изменений. Биохимические процессы в периоде отдыха После прекращения упражнения происходят обратные изменения в деятельности тех функциональных систем, которые обеспечивали выполнение данного упражнения. Вся совокупность изменений в этот период объединяется понятием восстановление. На протяжении восстановительного периода удаляются продукты рабочего метаболизма и восполняются энергетические запасы, пластические (структурные) вещества (белки и др.) и ферменты, израсходованные за время мышечной деятельности. По существу, происходит восстановление нарушенного работой гомеостаза. Однако восстановление – это не только процесс возвращения организма к предрабочему состоянию». В этот период происходят также изменения, которые обеспечивают повышение функциональных возможностей организма, т.е. положительный тренировочный эффект. Процессы восстановления, происходящие в организме после работы, заключаются в устранении накопившихся во время работы продуктов распада и восполнения израсходованных веществ. В первую очередь восстанавливаются запасы КФ, затем содержание гликогена в жизненно важных органах: головном мозге, сердце, затем скелетных мышцах и печени. Значительно медленнее восполняются запасы липидов и белков. Восполнение запасов, израсходованных во время работы веществ, происходит с превышением исходного дорабочего уровня (универсальный закон суперкомпенсации – сверхвосстановления). Биологический смысл этого феномена огромен. Повторные нагрузки, приводящие к суперкомпенсации, обеспечивают повышение рабочих возможностей организма. В этом и состоит главный эффект систематических тренировок. Под влиянием тренирующих воздействий спортсмен в процессе восстановления становится сильнее, быстрее и выносливее, то есть в конечном итоге развиваются его биохимические и физиологические резервы. Суперкомпенсация – явление временное, при полном восстановлении после работы оно исчезает. Причиной возникновения суперкомпенсации является усиленное выделение гормонов, происходящее во время работы и стимулирующее активность ферментов, особенно ферментов аэробного обмена. Закономерности биохимической адаптации и процессаспортивной тренировки. Биохимическая характеристика двигательныхкачеств спортсмена и методы развития. Под влиянием тренировки происходит адаптация организма человека к мышечной деятельности большей интенсивности и длительности, однакоэто адаптация не к работе вообще, а к определенным ее видам. Даже близкие по своему характеру физические упражнения, например спринтерский и марафонский бег, существенно отличаются друг от друга по длительности и величине усилий и по характеру регуляции физиологических функций. В результате тренировки вырабатываются определенные двигательные качества. Качества эти интегралъны, в их основе лежат биохимические процессы, физиологические функции, психологический фактор, техническая подготовка, т.е. они находятся в зависимости как от процессов, происходящих на клеточном уровне, так и от деятельности целостного организма. Качество силы – это способность человека к развитию мышечных усилий, направленных на преодоление внешних и внутренних сопротивлений. Проявление мышечной силы зависит от анатомического строения мышцы и особенностей ее прикрепления, особенностей нервной регуляции, определяющих участие в сокращении различного количества мышечных волокон и взаимодействие различных мышечных групп, биохимических и структурных особенностей мышечного волокна. Сила мышц находится в зависимости от содержания сократительных белков актина и миозина. Чем большим количеством этих веществ располагает мышечное волокно, тем большее усилие оно может развивать. Значительную роль в проявлении мышечной силы играет также длина мышечного волокна и соотношение в мышцах различных видов волокон, размеры мышечных саркомеров и другие факторы. Быстрота – это способность совершать двигательные действия в минимальное для данных условий время. С биохимической точки зрения, это качество определяется интенсивностью расщепления АТФ в мышцах в единицу времени, зависящей от АТФ-азной активности миозина, нервно- мышечной координации, скорости ресинтеза АТФ при работе. Выносливость – это способность человека работать без утомления и противостоять ему, когда оно возникает в процессе упражнения. Выносливость зависит от величин мобилизуемых энергетических запасов организма и скорости их использования во время работы. В зависимости от трех основных источников энергии в организме принято различать три составляющих компонента выносливости: анаэробный алактатный, анаэробный лактатный, аэробный. Каждый из этих компонентов определяется уровнем развития соответствующего механизма энергообеспечения. В упражнениях максимальной интенсивности выносливость в основном определяется анаэробным алактатным компонентом и незначительно – гликолитическим, в упражнениях субмаксимальной интенсивности наиболееважным является гликолитический компонент, основу выносливости в упражнениях большой и умеренной интенсивности составляет ее аэробный компонент. Каждый из компонентов выносливости зависит от деятельности многих систем организма, локализующихся как на клеточном, так и на организменном уровне. Спортивная тренировка оказывает воздействие преимущественно на какое-либо одно двигательное качество, однако при этом могут развиваться предпосылки и для развития других двигательных качеств, например, при развитии качества силы создаются предпосылки для развития быстроты и скоростной выносливости. Могут наблюдаться и отрицательные эффекты: развитие аэробной выносливости может отрицательно оказаться на развитии силы. Особенности биохимических изменений организма при занятиях различными видами спорта. Работоспособность, т.е. возможность выполнения работы данной интенсивности в определенный период времени, зависит от происходящего ресинтеза АТФ. Снижение уровня АТФ в мышцах на 55% приводит к существенному уменьшению силы сокращений: при снижении на 70% мышца отвечает на двигательный импульс слабым и медленным сокращением, а при снижении на 75-80% наступает контрактура. Для удобства энергетической характеристики мышечной деятельности человека были приняты понятия аэробной и анаэробной работоспособности (или производительности) организма как факторов, определяющих его рабочие возможности. Под аэробной работоспособностью понимают возможность выполнениянапряженной работы в условиях максимального потребления кислорода, обеспечивающего удовлетворение кислородного запроса и сохраняющего постоянный уровень. Аэробная работоспособность проявляется при длительных физических нагрузках. Она зависит от мощности ферментных систем тканевого дыхания, состояния митохондриального аппарата, степени кровоснабжения мышц, величины энергетического потенциала организма (запасов гликогена в печени) и эффективности работы систем внешнего дыхания и кровообращения. Величина аэробной работоспособности измеряется предельно возможным потреблением кислорода человеком при напряженноймышечной деятельности. Анаэробная работоспособность – возможность выполнения работы в условиях преобладания анаэробных путей ресинтеза АТФ, т.е. в условиях кислородной задолженности. Анаэробная работоспособность проявляется при кратковременных упражнениях высокой и максимальной интенсив ности. Она зависит от мощности креатинкиназной и гликолитической систем мышц, содержания в мышцах креатинфосфата и гликогена и от степени совершенства компенсаторных механизмов, обеспечивающих постоянство условий внутренней среды организма при неполно удовлетворяемом кислородном запросе. Биохимические изменения, происходящие в организме при занятиях различными видами спорта, характеризуются большим разнообразием, нов то же время имеется и определенное сходство. Так, упражнения разных видов спорта, имеющие одинаковую предельную продолжительность, характеризуются определенным сходством биохимических изменений. Наиболее выраженные биохимические изменения в организме связаны с деятельностью механизмов преобразования энергии, участие которых в энергетическом обеспечении работы связано с ее мощностью и продолжительностью, видом мышечной работы. Среднегорье (высота 1000-3000 м над уровнем моря) характеризуется рядом особенностей, среди которых важнейшие: 1) разреженная атмосфера; 2) пониженное парциальное давление кислорода; 3) высокая сухость воздуха. Пониженное парциальное давление О2 затрудняет снабжение тканей О2. Это особенно проявляется при мышечной работе. Приспособление организма к мышечной работе в условиях среднегорья состоит в биохимических изменениях, обеспечивающих усиление транспорта и использование кислорода в организме. Усиливается деятельность сердечно- сосудистой и дыхательной систем, повышается содержание гемоглобина в крови и миоглобина мышц, повышается количество ферментов аэробного обмена. Понижение возможностей аэробного процесса в условиях среднегорья сопровождается соответствующим повышением роли анаэробных реакций в энергетическом обеспечении работы. Это обеспечивает повышение и анаэробных возможностей при тренировке в условиях среднегорья.