Деятельности

Вся жизнедеятельность организма обеспечивается за счет взаимодействия двух процессов — ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) определяет строительную функцию, накопление и обновление веществ. Напротив, диссимиляция (катаболизм) — это непрерывный распад веществ и образование энергии.

Как и где образуется энергия и каким образом она расходуется? Эти вопросы интересовали человека с давних пор.

По наивным представлениям древних, жизненная энергия зарождается в сердце, а оттуда «внутренний жар» распространяется вместе с кровью по всему организму. В середине XIX века господствовало мнение, будто многообразная деятельность организма осуществляется благодаря энергии белковых соединений. Но это были только предположения, не подкрепленные достоверными фактами. Научные же данные и тогда убедительно говорили, что белки выполняют в основном строительную функцию и роль их в энергетике невелика.

Вплоть до начала нынешнего столетия ученые считали, что химическая энергия освобождается только в присутствии кислорода, то есть при реакциях окисления. Правда, во второй половине XIX века Пастер поколебал эту точку зрения, обнаружив, что в микроорганизмах, бактериях, грибках распад некоторых источников энергии проходит без участия кислорода. Но это открытие не произвело впечатления на сторонников «кислородной теории» и не натолкнуло на новые поиски.

В середине XIX века Роберт Майер открыл закон сохранения энергии. История эта примечательна. Майер, будучи судовым врачом, лечил команду корабля от воспаления легких. По прибытии на остров Ява ему пришлось взять кровь у заболевших матросов. К своему удивлению, он обнаружил, что венозная кровь, которая обычно темнее, чем богатая кислородом артериальная, на этот раз незначительно отличается от нее по цвету. Это позволило предположить, что в условиях жаркого климата для организма характерен менее интенсивный обмен веществ. Майер пришел к заключению: в «жизненном процессе происходит лишь превращение вещества и силы, а отнюдь не их создание».

Шли годы, проводились все новые опыты. В качестве объекта исследования в лаборатории прочно вошел нервно-мышечный препарат лягушки. Изолированную мышцу заставляли сокращаться в разных условиях — в присутствии кислорода, атмосфере азота, в особом бескислородном растворе. Результаты подорвали позиции сторонников «кислородной теории»; без кислорода мышца сокращалась, хотя и меньше.

1922 год. Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена двум выдающимся ученым — Хиллу и Мейергофу. Им удалось не только открыть новый путь образования энергии, но и создать стройную по тому времени теорию химических превращений в организме. Было установлено, что гликоген распадается без кислорода, образуя молочную кислоту. При этом выделяется значительное количество энергии. Химическая цепочка реакций завершается уже в присутствии кислорода. Окисление молочной кислоты сопровождается образованием большого количества энергии.

Последующие научные открытия убедительно показали, что энергетический обмен может протекать и без гликолиза, то есть без распада гликогена. Следовательно, существуют какие-то другие виды «горючего». Вещества вскоре были] найдены —ими оказались богатые энергией фосфорные соединения, получившие название макроэргических.

Немногим более 50 лет назад немецкий ученый К. Ломан, исследуя мышцы кролика, обнаружил сложное химическое соединение — аденозинтрифосфорную кислоту (сокращенно АТФ). Формула строения этого вещества достаточно сложна: если ее написать, она займет четверть страницы, поэтому ограничимся лишь упрощенным пояснением. АТФ состоит из аденозина (обозначим его буквой А) и трех остатков фосфорной кислоты (Р). Следовательно, схематично АТФ будет выглядеть так: A—Р—Р—Р. Если АТФ при разрушении фосфатных групп теряет один фосфат, то получается другое вещество — аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и выделяется энергия. Напротив, чтобы снова присоединить фосфат к АДФ, требуется затратить энергию.

Любопытно, что взаимоотношения между АТФ и АДФ напоминают заколдованный круг. Чем выше концентрация АДФ в клетке, тем выше скорость синтеза АТФ и дыхания тканей. Но уровень АДФ, в свою очередь, зависит от скорости распада АТФ. Вот и получается, что усиление одного процесса неминуемо влечет активизацию другого. Саморегуляция биологической системы, выработанная природой, позволяет управлять, контролировать один из механизмов энергетики живого организма.

Учитывая огромное и многообразное значение АТФ, ей присвоили разные «прозвища»: «банк» энергии, «аккумулятор на колесах» и др. Сегодня процесс образования энергии представляется следующим образом. В клетках находятся мельчайшие образования митохондрии (рис. 2), которые образно называют энергетическими станциями. В митохондриях насчитывается свыше 50 ферментов, участвующих в разрушении и синтезе различных химических соединений. В клетке может быть до 2000 митохондрий. На их наружных и внутренних поверхностях располагаются тысячи мельчайших частиц. Они содержат эффективные биохимические системы, обеспечивающие синтез веществ, богатых энергией. Подсчитано, что энергия их на единицу массы мышц равна энергии двигателей реактивного самолета при вертикальном подъеме, а КПД равен примерно 80%, что намного выше КПД многих реактивных двигателей. Примерно половина энергии, образующейся в митохондриях, превращается в тепло, оставшаяся часть консервируется в виде химических связей молекул АТФ. Но, увы, запасы АТФ в клетке относительно невелики, поэтому мышца сможет работать только в том случае, если они непрерывно пополняются.

И здесь опять сделаем экскурс в историю. В 1930 году советский биохимик В. А. Энгельгардт установил, что в красных кровяных тельцах крови — эритроцитах — АТФ может заново синтезироваться. То же наблюдается и в мышечной клетке. Наряду с распадом АТФ происходит обратное ее восстановление (резинтез), биологический смысл которого огромен. Если одновременно с распадом не протекал бы обратный синтез источников энергии, то энергетические кладовые быстро бы истощались. В этом отношении АТФ сравнивают с аккумулятором, который не только разряжается, но и заряжается «на ходу».

Схематично весь процесс образования энергии выглядит так. Источником энергии для мышечного сокращения является АТФ. Чтобы мышца длительно сокращалась, необходима не только трата АТФ, но и ее непрерывное восстановление. Энергия для этого черпается путем окисления «горючих» веществ — углеводов, жиров и белков.

Восстановление АТФ идет двумя путями: 1) анаэробным, то есть без участия кислорода; 2) дыхательным, или аэробным, то есть с участием кислорода. Одна анаэробная

реакция — распад особого химического соединения — креатин- фосфорной кислоты (КТФ), обеспечивающий быстрое восстановление АТФ. Однако запасы КТФ также ограничены и при продолжительной работе быстро истощаются. Большими возможностями располагает другая анаэробная реакция — распад гликогена.

Открытие гликолиза связано с именем английского биохимика Кребса, который в 1937 году описал цикл химических реакций (цикл Кребса) окисления углеводов. Как это происходит? Сначала на биохимическом конвейере глюкоза (С_бН₁₂О₆) «разрезается» пополам на две молекулы пировиноградной кислоты. Затем включается другой конвейер, где 10 ферментов заканчивают окисление углеводов до конечных продуктов — CO₂ и Н₂О. Этот процесс протекает медленнее, но действует значительно дольше — энергии хватает на несколько минут напряженной работы.

Наиболее эффективным является второй путь восстановления АТФ —аэробное окисление углеводов. Оно позволяет мышце работать в течение нескольких часов. Основная энергетическая реакция — кислородная — как бы подхватывает эстафету от бескислородной фазы и завершает весь цикл энергетических реакций (рис. 3).

Рис.3. График цикла энергетических процессов при мышечной деятельности (по Н.И.Волкову). В первые секунды идет креатинфосфатная реакция, затем – гликолиз. Завершает весь цикл энергетики процессов дыхание.

Таким образом, результативность любой мышечной деятельности, в том числе и бега, в значительной степени зависит от аэробных возможностей (аэробной производительности) организма - способности полнее удовлетворять кислородный запрос. Важный тест аэобныхых возможностей - максимальное потребление кислорода (МПК). Этот показатель отражает эффективность взаимодействия дыхательной, сердечно-сосудистой, кровеносной систем. Не случайно наибольшая величина МПК – 5,5-6,5л (70-85 мл/кг/мин) установлена у высококвалифицированных спортсменов. Так у выдающегося бегуна П. Болотникова МПК

Составляло 83 мл/кг/мин.

Рассмотрим некоторые составляющие теста аэробнойпроизводительности. Внешнее дыхание - система, обеспечивающая вентиляцию легких. Оно зависит от жизненной емкости легких (ЖЕЛ), частоты и глубины дыхания, способности к максимальной вентиляции (рис. 4)

Рис. 4. Основные факторы, лимитирующие максимальное потребление кислорода.

Для достижения высокого уровня потребления О₂ во время бега необходимо, чтобы через не менее 180-200л воздуха. В противном случае кровь не полностью насытится кислородом и мышцы недополучат его при беге.

Дыхательная и сердечно-сосудистая системы связаны настолько тесно, что иногда их объединяют под общим названием — кардиореспираторная система. Сердце — этот неутомимый насос жизни, в значительной степени лимитирует максимальное потребление кислорода. Возможно даже, что легкие будут вентилировать много воздуха, но пропускная способность сердца не позволит его транспортировать в нужном количестве. Не случайно сердце чаще, чем другие органы, подвергается перегрузкам. Активная физкультура и спорт налагают существенный «отпечаток» на работу сердца, поэтому говорят даже о «спортивном сердце», отличающемся структурными и функциональными особенностями, которые определяют его высокую производительность.

Советские ученые В. Л. Карпман, С. В. Хрущев и Ю. А. Борисова (1978) выявили взаимосвязь между объемом сердца и работоспособностью спортсмена — чем выше его квалификация и уровень тренированности, тем больше размер сердца. Например, у бегунов на средние и длинные дистанции объем сердца составляет 1020 см³ (14,9— 15,2 см³/кг). Увеличение размеров сердца как в зеркале отражает рост его резервных возможностей. А это, в свою очередь, определяет более рациональное соотношение сердечного выброса и частоты сердечных сокращений во время бега, позволяет сердечной мышце за минуту выбросить 35—40 л крови. Сердце, обладающее меньшими резервами, не может обеспечить необходимый транспорт кислорода.

Аэробные возможности (МПК) зависят от нескольких факторов. Остановимся лишь на одном: запасах энергетических субстратов, в частности, гликогена — важного источника энергии.

По сравнению с кислородом углеводам «повезло». Природа позволила организму откладывать их про запас, создавая депо сахара. Углеводы находятся в виде гликогена в мышцах (2 г на 100 г мышечной ткани) и в печени, а общие запасы их в организме человека составляют 400-600 г.

При беге на сверхдлинные дистанции наблюдается снижение уровня сахара в крови примерно наполовину (рис. 5). Значительное уменьшение сахара в крови (ниже 50—60 мг%) сопровождается упадком сил.

При продолжительной мышечной работе снижение сахара в крови происходит параллельно уменьшению его в печени и мышцах.

Рис. 5. Схема изменения содержания глюкозы в крови и гликогена в печени и скелетных мышцах во время длительной работы

Но это не свидетельствует о каком-то исчерпании углеводных запасов — в организме существуют особые физиологические механизмы, которые стоят на страже кладовых энергии.

Но в условиях продолжительной работы (например, марафонский бег) запасы углеводов могут лимитировать работоспособность.

Профессор В. С. Фарфель приводил интересные наблюдения. Спортсменам до старта предлагался безуглеводный завтрак, состоящий только из мяса и яиц (не было даже хлеба). После этого они пробегали сверхдлинную дистанцию. Большинство финишировали в состоянии резкого истощения, а один из участников, бывший чемпион страны в марафонском беге, сошел с дистанции на 30-м км. Содержание сахара в крови упало у него до 38 мг%. В. С. Фарфель делает вывод, «что единственным способом борьбы с углеводным истощением организма, наступающим при длительном спортивном напряжении, является прием сахара».

В энергообеспечение длительной работы определенный вклад вносят и жиры, но чем интенсивнее нагрузка, тем меньше доля жиров и больше углеводов.

Существенное влияние на аэробные возможности организма оказывают возраст и пол (рис. 6). Так, у женщин максимальное потребление кислорода меньше, чем у мужчин.

Рис. 6. График зависимости МПК от возраста и пола.

Но в возрастном диапазоне от 10 до 70 лет МПК у мужчин и женщин изменяется примерно одинаково. Чем старше человек, тем ниже уровень МПК. Наибольшая аэробная производительность отмечается в 23—30 лет. Характерно, что именно на этот возрастной период приходится обилие рекордных результатов в упражнениях на выносливость.

Природа предоставила нам возможность работать не только в условиях достаточного снабжения кислородом, но и «в долг», то есть при кислородном голодании тканей, благодаря анаэробным источникам энергии.

Рис. 7. Факторы, обеспечивающие анаеробную производительность организма

Анаэробные возможности организма (анаэробная производительность) зависят от ряда факторов (рис. 7).

Во время бега усиление анаэробных реакций может проявиться в увеличении содержания молочной кислоты, в росте кислородного долга, максимальная величина которого—надежный тест анаэробной производительности. Одним из первых определил этот показатель, равный 18,7 л, английский физиолог Хилл. Последующие исследования позволили получить еще большую величину—20—23 л. Так же, как и в случае с МПК, подобный кислородный долг наблюдается только у спортсменов высокого класса. У не занимающихся спортом или активной физкультурой он не превышает 4—7 л или 60—100 мг на 1 кг веса (Н.И.Волков).

Энергетический обмен при длительном беге в основном удел аэробных реакций, но анаэробные процессы тоже играют немалую роль. Например, переход из состояния покоя к бегу всегда связан с усилением кислородного запроса. Но органы кислородного снабжения «тяжелы на подъем», они не могут быстро включиться в работу с максимальной интенсивностью. Здесь и выручает способность работать в условиях кислородной задолженности, так как накопить О₂ в организме можно немного: всего 400-500 мл в легких, 900-1000-в крови, 300-400-в мышцах и межтканевой жидкости (рис. 8). Увы, таких запасов хватает лишь на несколько секунд бега.

В мышцах имеется особое белковое образование — миоглобин, который является своеобразным депо кислорода. Это вещество играет важную роль в транспорте кислорода из крови внутрь мышечного волокна. Оказалось, что в мышцах животных, способных длительное время обходиться без кислорода, количество миоглобина увеличено.

Профессор А. Б. Гандельсман, изучая процесс насыщения крови кислородом у бегунов

на длинные дистанции, установил, что спортсмены, тренирующиеся в упражнениях на выносливость, обладают поразительной способностью преодолевать значительные гипоксемические (снижение насыщения крови О₂) и гиперкапнические (увеличение СО₂ в крови) сдвиги.

Таблица 8

Дата добавления: 2015-08-05