в чем особенность и ограничение работы системы атф крф
Премудрости биохимии
В наших дискуссиях частенько упоминаются разные тонкости и премудрости процессов, происходящих в нашем организме. Я подумал, что было бы неплохо наглядно пояснить некоторые из них.
Схема энергообеспечения работы мышц.
Существует три пути ресинтеза АТФ.
Фосфатная система называется анаэробной, потому что в ресинтезе АТФ не участвует кислород, и алактатной, поскольку не образуется молочная кислота.
По мере увеличения интенсивности нагрузки наступает период, когда мышечная работа уже не может поддерживаться за счет одной только анаэробной системы из-за нехватки кислорода. С этого момента в энергообеспечение физической работы вовлекается лактатный механизм ресинтеза АТФ, побочным продуктом которого является молочная кислота. При недостатке кислорода молочная кислота, образовавшаяся в первой фазе анаэробной реакции, не нейтрализуется полностью во второй фазе, в результате чего происходит ее накопление в работающих мышцах, что приводит к ацидозу, или закислению, мышц.
Реакция лактатного механизма проста, и выглядит так:
Кислородная, или аэробная, система является наиболее важной для спортсменов на выносливость, поскольку она может поддерживать физическую работу в течение длительного времени. Кислородная система обеспечивает организм, и в частности мышечную деятельность, энергией посредством химического взаимодействия пищевых веществ (главным образом, углеводов и жиров) с кислородом. Пищевые вещества поступают в организм с пищей и откладываются в его хранилищах для дальнейшего
использования по необходимости. Углеводы (сахар и крахмалы) откладываются в печени и мышцах в виде гликогена. Запасы гликогена могут сильно варьироваться, но в большинстве случаев их хватает как минимум на 60-90 мин работы субмаксимальной интенсивности. В то же время запасы жиров в организме практически неисчерпаемы.
Углеводы являются более эффективным «топливом» по сравнению с жирами, так как при одинаковом потреблении энергии на их окисление требуется на 12% меньше кислорода. Поэтому в условиях нехватки кислорода при физических нагрузках энергообразование происходит в первую очередь за счет окисления углеводов. Поскольку
запасы углеводов ограничены, ограничена и возможность их использования в видах спорта на выносливость. После исчерпания запасов углеводов к энергообеспечению работы подключаются жиры, запасы которых позволяют выполнять очень длительную работу. Вклад жиров и углеводов в энергообеспечение нагрузки зависит от
интенсивности упражнения и тренированности спортсмена. Чем выше интенсивность нагрузки, тем больше вклад углеводов в энергообразование. Но при одинаковой интенсивности аэробной нагрузки тренированный спортсмен будет использовать больше жиров и меньше углеводов по сравнению с неподготовленным человеком.
Таким образом, тренированный человек будет более экономично расходовать энергию, так как запасы углеводов в организме небезграничны.
Производительность кислородной системы зависит от количества кислорода, которое способен усвоить организм человека. Чем больше потребление кислорода во время выполнения длительной работы, тем выше аэробные способности. Под воздействием тренировок аэробные способности человека могут вырасти на 50%. Окисление жиров для энергии происходит по следующему принципу:
Как видим, во всех трех путях результатом реакций является синтезированная заново АТФ. Цикл начинается сначала.
Вот вкратце вся теория. Надеюсь, что данная статья поможет вам разобраться, что же конкретно происходит в вашем организме под воздействием тренировок.
При написании статьи использованы материалы из книг: Л.С. Каганов «Развиваем выносливость», П.Янсен «Тренировки на выносливость» Схемы: Biathlonist
Физиология тренировки мышц и питание
Правильно подобранная пища и режим питания могут помочь выдерживать физические нагрузки и улучшать спортивные результаты. Итак, физиология тренировки мышц – попробуем разобраться, как это работает.
Энергия, которая обеспечивает физические нагрузки, вырабатывается за счет химических связей пищи. Она обеспечивает деятельность клеток и сокращение мышечных волокон.
Выполнение упражнений зависит, прежде всего, от наличия энергии в мышечных волокнах. Определяющие факторы здесь – сохранение и передача энергии.
НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ
Энергия накапливается в химических связях углеводов, жиров и белков
Белки
Химическая энергия белков, как источник обеспечения физической деятельности, НЕ используется сразу. Первичными поставщиками энергии химических связей являются жиры и углеводы.
Жиры превращаются в жирные кислоты и используются организмом:
Избыток жирных кислот в виде триглицеридов накапливается в основном в жировой ткани. А так же, частично, в мышечной. Пределов накопления жира не существует. Запасы жира в сто и более раз превышают энергетические резервы углеводов.
Углеводы
Углеводы превращаются в глюкозу, а так же в другие простые сахара. Эти простые сахара превращаются в глюкозу, которая может быть использована:
Избыточные молекулы глюкозы включаются в молекулы гликогена, который накапливается в печени и мышечной ткани
Гликоген
Количество гликогена, которое может быть накоплено, составляет у взрослого человека около 100 г в печени и 375 г в мышцах. Аэробные тренировочные нагрузки могут увеличить уровень накопления мышечного гликогена в пять раз.
Избыток углеводов, превышающий необходимый для максимального заполнения потенциальных депо гликогена уровень, превращается в жирные кислоты и накапливается в жировой ткани.
По сравнению с любым белком или углеводом, жиры увеличивают количество энергии, измеренное в килокалориях более чем вдвое. Потому жиры являются эффективным средством накопления энергии при минимизации массы тела.
Энергия накопленного гликогена или жира хранится в химических связях этих веществ
Креатинфосфат (КрФ), или фосфокреатин
Еще одна форма накопления энергии, поступающей от химических связей пищевых продуктов. Организм синтезирует креатинфосфат и накапливает небольшие его количества в мышцах.
АТФ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Что такое аденозинтрифосфат (АТФ)
Накопленная в любых формах энергия химических связей передается прежде всего АТФ. В свою очередь АТФ передает энергию непосредственно той структуре или соединению в клетке, которые в ней нуждаются.
Преобразование АТФ в АДФ с выделением энергии
При этом АТФ теряет энергию, а затем восстанавливает ее высокий уровень. Используя энергию химических связей жиров (в виде жирных кислот) или углеводов (в виде гликогена).
АТФ постоянно образуется, расходуется и восстанавливается
Ресинтез АТФ
В организме сохраняется лишь небольшое количество АТФ (80—100 г). Этой энергии достаточно для того, чтобы выдержать максимальную физическую нагрузку в течение нескольких секунд.
Как только уровень метаболизма энергии повышается, это ведет к возрастанию потребности в энергии и АТФ. И запасы энергии в организме мгновенно расходуются.
Различные формы накопленной энергии могут быть использованы одновременно
СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
Существует 3 системы ресинтеза АТФ:
Фосфагенная система
Первая система для передачи энергии к АТФ. Запускается в тот момент, когда появляется потребность в энергии. Эта система не требует наличия кислорода. Этот процесс прямой и быстрый.
Энергия химических связей в молекуле Крф передается молекуле АТФ. Количество Крф, накопленного в организме, примерно в 4-6 раз выше количества накопленного АТФ.
Фосфагенная система
Комбинированное накопление энергии АТФ и Крф способно обеспечить только кратковременное сокращение мышц в зависимости от интенсивности нагрузки. Для человека массой 70 кг этого достаточно для 1 минуты быстрой ходьбы или 5-6 секунд максимального спринта.
Эта система важна также при выполнении кратковременных рывков или бросков во многих видах спорта. Например легкой и тяжелой атлетике, бросков мяча в корзину в баскетболе, подачах его в теннисе.
Когда запасы КрФ и АТФ истощены, а потребность в энергии сохраняется, накопление побочных продуктов распада АТФ инициирует систему анаэробного гликолиза. Эта система обеспечивает низкий в сравнении с фосфагенной системой уровень энергии. И потому интенсивность переносимых нагрузок несколько снижается.
Система анаэробного гликолиза
Обеспечивает непрерывный синтез АТФ в течение 2-3 минут. Когда необходимый для аэробного метаболизма кислород отсутствует в активных мышцах.
Три возможных варианта, когда так происходит:
В таких случаях система анаэробного гликолиза может сыграть важную роль в кратковременном увеличении продукции АТФ.
Система анаэробного гликолиза использует для окисления исключительно глюкозу, которую можно извлечь
из накопленного гликогена или из крови
При этом глюкоза распадается на две молекулы пирувата. Этот процесс продуцирует две или три молекулы АТФ. В случае, если глюкоза извлекается из крови, в начале процесса требуется дополнительное количество АТФ. Поэтому выигрыш составляет лишь две молекулы АТФ.
В добавление к этим молекулам АТФ, две молекулы НАД+
(никотинамидадениндинуклеотида) восстанавливаются до НАДН2. Далее эти молекулы подвергаются окислению в аэробной системе, если есть кислород, для получения трех дополнительных молекул АТФ.
Пируват может превращаться в молочную кислоту – данный процесс обеспечивает продолжение анаэробно-гликолитического пути, поставляя необходимые промежуточные соединения.
Гликолиз
Накопление молочной кислоты ассоциируется с утомлением и:
Большое количество образовавшейся молочной кислоты высвобождается в кровоток. И подвергается быстрому метаболизму клетками с высокой окислительной способностью. Прежде всего клетками сердца.
Выработка молочной кислоты возрастает с увеличением интенсивности нагрузки. Если молочная кислота вырабатывается быстрее, чем может быть устранена, она начинает быстро накапливаться в крови. Такой прирост молочной кислоты называется лактатым порогом крови.
У тренированных спортсменов этот прирост отсутствует, покуда интенсивность нагрузки не достигнет 70—80% максимальной аэробной мощности.
У нетренированных этот прирост происходит примерно при 50—60% максимальной аэробной мощности.
Во время тренировок спортсмены раньше начинают использовать свою аэробную метаболическую систему. Замедляя таким образом выработку молочной кислоты и молочная кислота у них устраняется эффективнее.
В состоянии покоя все потребности организма в энергии удовлетворяются аэробной системой
А вот с началом двигательной деятельности потребность в энергии быстро возрастает и снабжение работающих мышц кислородом уже неадекватно для аэробного путеи удовлетворения возросшего спроса на энергию.
Потому, пока скорость доставки кислорода не возросла, анаэробный гликолиз в работающих мышцах дает больше энергии, чем аэробный метаболизм.
С увеличением длительности нагрузки возрастает вклад энергии аэробного метаболизма
Аэробная система ресинтеза АТФ намного эффективнее анаэробной. Однако скорость выработки АТФ ниже, поэтому уровень переносимости нагрузок также несколько меньше.
Аэробная система
В качестве источников энергии аэробная система может использовать накопленную энергию в форме как углеводов (глюкоза), так и жиров (жирные кислоты) или белков (аминокислоты).
Эта система требует наличия адекватного количества кислорода в клетке для участия в заключительной реакции системы.
Сама система состоит из двух частей:
АТФ образуется непосредственно в цикле Кребса
Кроме того, происходит генерация электронов. Которые переносятся в цепь транспорта переносчиками электронов путем восстановления НАД+ в НАДН2 или ФАД (флавинадениндинуклеотида) в ФАДН2.
Цепь транспорта электронов состоит из координированных окислительно-восстановительных реакций. В процессе которых энергия высвобождается и включается в образование молекулы АТФ. И в конечном итоге кислород присоединяет электроны и восстанавливается с образованием молекулы воды.
Каждая молекула НАДН2 участвует в образовании 3-х молекул АТФ. Поскольку ФАДН2 включается в транспортную цепь электронов в середине пути, он связан с образованием лишь 2-х молекул АТФ.
Углевод как источник энергии
Используя в качестве источника энергии углевод, данная система является продолжением системы анаэробного гликолиза.
Эти стадии показаны на рисунке:
Жирные кислоты
Жирные кислоты также могут быть использованы в аэробной системе окисления.
Накопленные жиры представляют почти неограниченный источник энергии — не менее 90-120 тысяч ккал
Энергия, накопленная углеводами, составляет 1-2 тысячи ккал, это приблизительно 1-2 % энергии, накопленной жирами
Аэробное окисление жмров
Большая часть жирных кислот накапливается в жировых клетках. Однако жир накапливается и непосредственно в мышцах и циркулирует в кровотоке.
При использовании жира в качестве источника энергии для аэробного окисления, накопленные триглицериды сначала расщепляются на три молекулы жирных кислот и одну молекулу глицерина.
Если эти жирные кислоты находятся в жировых клетках, они диффундируют в кровоток. И присоединяются к молекулам альбумина. После чего кровоток доносит их к активным мышцам.
Физическая нагрузка ведет к освобождению гормонов эпинефрин и глюкагон. Гормоны активируют распад триглицеридов. И облегчают доставку жирных кислот к активным мышцам.
Использование жирных кислот в аэробной системе энергообеспечения сберегает гликоген
Это имеет большое значение, поскольку запасы накопленной в гликогене энергии меньше, чем накопленной в жирных кислотах.
Использование жиров позволяет клеткам сохранить запасы гликогена на периоды нагрузки. Когда поступление кислорода неадекватно и клетка вынуждена переключиться на анаэробное энергообеспечение. Только глюкоза может быть использована для анаэробного окисления.
Жирные кислоты состоят из длинных цепей молекул углерода (обычно 16—18 или 24 атома)
Эти цепи сперва распадаются на 2-углеродные фрагменты путем бета-окисления:
Молекула жирной кислоты сначала активируется, чтобы начался процесс бета-окисления. Требующий одной молекулы АТФ.
Из каждого 2-углеродного фрагмента, отделившегося от молекулы жирной кислоты, образуется:
– одна молекула НАДН2
– и одна молекула ФАДН2.
Они попадают в транспортную цепь электронов, чтобы образовать три и две молекулы АТФ соответственно.
Двух-углеродный фрагмент преобразуется в ацетил-КоА. И вступает в цикл Кребса, чтобы дать такие высокоэнергетические соединения:
– одну молекулу АТФ;
– три НАДН2;
– и одну ФАДН2.
Три молекулы НАДН2 ведут к образованию 9 молекул АТФ в транспортной цепи электронов. А одна молекула ФАДН2 — 2 молекул АТФ.
И так, в наличии имеется 17 молекул АТФ, образованных из двух-углеродного фрагмента. Отделившегося от молекулы жирной кислоты с длинной цепью.
Расщепление последней четырех-углеродной единицы дает два двух-углеродных фрагмента. Поэтому количество молекул АТФ, полученных от последнего двухуглеродного фрагмента, меньше на 5. Т.к. он не отделился от цепи.
Таким образом, число молекул АТФ, образованных жирной кислотой, может быть рассчитано по следующей формуле:
[(общее число 2-углеродных фрагментов / 2 — 1)17+12] — 1
Например, 18-углеродная жирная кислота даст 147 молекул АТФ
[(18/2 – 1) 17 + 2] – 1 = 147.
Молекула глицерина, получаемая при распаде триглицерида, так же выделяет энергию
Это трех-углеродная единица, которая вовлекается в анаэробный гликолитический путь примерно посредине. И дает одну молекулу ацетил-КоА, вступающую в цикл Кребса.
Она связана с образованием таких высокоэнергетических соединений:
– 3 молекулы АТФ;
– 5 молекул НАДН2;
– и одна ФАДН2.
Пять молекул НАДН2 ведут к образованию 15 молекул АТФ в цепи транспорта электронов. А одна молекула ФАДН2 связывается с двумя молекулами АТФ.
Поэтому одна молекула глицерина дает 20 молекул АТФ. А одна молекула триглицерида с тремя 18-углеродными жирными кислотами и одной молекулой глицерина дают 461 молекулу АТФ.
Жиры являются богатым источником энергии при физической нагрузке, но окисление жиров происходит только в аэробной системе
Если же нет необходимого количества кислорода, клетки для производства энергии возвращаются к окислению углеводов.
Белки
Как правило, не вовлекаются в процесс выработки энергии. И сохраняются для поддержания, восстановления и роста тканей. Но они могут быть использованы для образования глюкозы. Или же энергии – в случае, когда запасы гликогена истощены.
Это происходит при дефиците углеводов либо при продолжительной нагрузке. Спортсмены могут полностью не восполнить запасы гликогена после периода тренировочных занятий. В результате чего запасы постепенно истощаются.
В таких случаях накопленный в мышцах белок может быть использован для синтеза глюкозы и в качестве источника энергии.
Такой процесс нежелателен. Поскольку он ведет к уменьшению мышечной массы и интенсификации работы печени и почек, перерабатывающих побочные продукты распада белка.
Белки состоят из аминокислот. Некоторые аминокислоты могут быть источниками энергии
К ним, в основном, относятся лейцин, изолейцин и валин. Еще две аминокислоты — глутамин и аспартат — включаются в обмен энергии.
Прежде чем аминокислоты включаются в обмен, их группы, содержащие азот, удаляются. Избыточный азот выводится из организма с мочой. Поскольку для образования мочи необходима вода, чрезмерный распад белков увеличивает риск обезвоживания.
Разные аминокислоты включаются в метаболизм в разных точках. Высшая точка, когда они могут включиться, — это уровень пирувата. И потому наибольшее число молекул АТФ, которое может быть продуцировано, равно 15.
Однако выделение азота сопровождается метаболическими издержками и физиологическими потерями белка в мышцах
МЕТАБОЛИЗМ ЭНЕРГИИ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ
Накопление питательных веществ, содержащих энергию, —
углеводов (глюкоза), белков (аминокислоты) и жиров (жирные кислоты) представляет единый процесс.
Излишки этих веществ накапливаются в виде жиров
Глюкоза может быть использована для синтеза аминокислот, а некоторые аминокислоты — для синтеза глюкозы.
Однако эти процессы ведут к затратам энергии. Так, 5% энергии теряется при накоплении глюкозы в виде гликогена в мышцах вместо ее непосредственного использования для продуцирования АТФ. Эта цифра увеличивается до 28% при превращении глюкозы в жирные кислоты для депонирования.
Энергетические системы, использующие эти питательные вещества, работают не последовательно, одна за другой (сначала система АТФ—КрФ, затем система анаэробного гликолиза и, наконец, аэробный метаболизм). А включаются одновременно. И вклад их изменяется в зависимости от:
Так, наличие кислорода влияет на то, какой субстрат используется для получения энергии. На один атом углерода жирной кислоты продуцируется 8,2 молекулы АТФ. И на один атом углерода молекулы глюкозы продуцируется лишь 6,2 молекулы АТФ.
При ограниченном количестве кислорода глюкоза является более предпочтительным источником для аэробного метаболизма. И единственным — для анаэробного окисления.
Гормональные изменения, как следствие нагрузок и диеты, значительно влияют на энергетические потоки
Жирные кислоты вырабатывают энергию при помощи аэробной системы. Но использование жирных кислот зависит от одновременного потока углеводов в энергетических путях для регенерации промежуточных соединений в цикле Кребса.
Без адекватного количества углеводов пищи жирные кислоты переходят на другой путь метаболизма. И вместо АТФ жирные кислоты продуцируют кетоны. Лишь немногие ткани, к примеру, мозг, могут использовать кетоны для продукции энергии. Если запасы углеводов малы, содержание кетонов может увеличиваться и вызывать несбалансированность метаболизма и утомление.
Подведем итог – что мы узнали о физиологии тренировки мышц
Если статья была полезна, делитесь в социальных сетях.
Основы энергообеспечения мышечной деятельности
Конспект по мотивам «ЧСС, лактат и тренировки на выносливость» (Янсен Петер)
Работающим мышцам необходима энергия. Аденозинтрифосфат (АТФ) — это универсальный источник энергии. АТФ распадается до аденозиндифосфата (АДФ). При этом высвобождается энергия.
При интенсивной мышечной работе запасы АТФ расходуются за 2 секунды. АТФ непрерывно восстанавливается (ресинтез) из АДФ. Выделяют три системы ресинтеза АТФ:
Фосфатная система ресинтеза АТФ
Быстрый ресинтез АТФ в мышцах идет за счет креатинфосфата (КрФ). Запаса КрФ в мышцах хватает на 6-8 секунд интенсивной работы.
При максимальной нагрузке фосфатная система истощается в течение 10 секунд. В первые 2 секунды расходуется АТФ, а затем 6-8 секунд — КрФ. Через 30 секунд после физической нагрузки запасы АТФ и КрФ восстанавливаются на 70%, а через 3-5 минут — полностью.
Фосфатная система важна для взрывных и кратковременных видов физической активности — спринтеры, футболисты, прыгуны в высоту и длину, метатели диска, боксеры и теннисисты.
Для тренировки фосфатной системы непродолжительные энергичные упражнения чередуют с отрезками отдыха. Отдых должен быть достаточно длительным, чтобы успел произойти ресинтез АТФ и КрФ (график 1).
Через 8 недель спринтерских тренировок количество ферментов, которые отвечают за распад и ресинтез АТФ, увеличится. После 7 месяцев тренировок на выносливость в виде бега три раза в неделю запасы АТФ и КрФ вырастут на 25-50%. Это повышает способность спортсмена показать результат в видах деятельности, которые длятся не более 10 секунд.
Фосфатная система ресинтеза АТФ называется анаэробной и алактатной, потому что не нужен кислород и не образуется молочная кислота.
Кислородная система ресинтеза АТФ
Кислородная (аэробная) система ресинтеза АТФ поддерживает физическую работу длительное время и важна для спортсменов на выносливость. Энергия выделяется при взаимодействие углеводов и жиров с кислородом. Окисление углеводов требует на 12% меньше кислорода по сравнению с жирами. При физических нагрузках в условиях нехватки кислорода энергообразование происходит в первую очередь за счет окисления углеводов. После исчерпания запаса углеводов к энергообеспечению подключаются жиры. Запаса углеводов (гликоген в печени и мышцах) хватает на 60-90 минут работы субмаксимальной интенсивности. Запасы жиров в организме неисчерпаемы.
Важно. Тренированный спортсмен будет использовать больше жиров и меньше углеводов по сравнению с неподготовленным человеком. Тренированный человек экономит углеводы, запасы которых небезграничны.
Окисление жиров:
Жиры + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода
Углекислый газ выводится из организма легкими.
Распад углеводов (гликолиз):
Первая фаза: глюкоза + АДФ → АТФ + молочная кислота
Вторая фаза: молочная кислота + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода
Чем больше кислорода способен усвоить организм человека, тем выше аэробные способности. Высокие показатели лактата во время нагрузки указывают на несостоятельность аэробной системы. Тренировки могут улучшить аэробные способности на 50%. При недостатке кислорода молочная кислота накапливается в работающих мышцах, что приводит к ацидозу (закислению) мышц. Болезненность мышц — это характерная черта нарастающего ацидоза (боль в ногах у велосипедиста или бегуна, боль в руках у гребца).
Важно. Ацидоз начинается на ускорение. При нарастающем ацидозе спортсмен не способен поддерживать тот же уровень нагрузки. Спортсмен, способный оттягивать момент ацидоза, с большей вероятностью выиграет гонку.
Лактатная система ресинтеза АТФ
Прсле определенного уровня интенсивности работы организм переходит на бескислородное (анаэробное) энергообеспечение, где источник энергии — исключительно углеводы. Интенсивность мышечной работы резко снижается из-за накопления молочной кислоты (лактата).
Глюкоза + АДФ → молочная кислота + АТФ
Ресинтез АТФ идет за счет лактатного механизма:
Лактат может быть в 20 раз выше нормы. Максимальная концентрация молочной кислоты достигается в беге на 400 м. С увеличением дистанции концентрация лактата снижается (График 2).
Отрицательные эффекты высокого лактата
На нейтрализацию половины накопившейся молочной кислоты требуется около 25 минут; за 1 час 15 минут нейтрализуется 95% молочной кислоты. Активное восстановление («заминка») очень быстро снижает лактат. В восстановительной фазе лучше выполнять непрерывную, а не интервальную работу (График 3).
Энергетические запасы
Важно. Запаса АТФ хватает на 2-3 секунды работы максимальной мощности. Креатинфосфат (КрФ) расходуется через 8-10 секунд максимальной работы. Гликогеновые запасы заканчиваются через 60-90 минут субмаксимальной работы. Запасы жира практически неисчерпаемы (График 4).
Таблица 1.1 Порядок подключения энергетических систем при физической нагрузке максимальной мощности. Анаэробный — без участия кислорода; аэробный — с участием кислорода. Алактатный — молочная кислота не вырабатывается; лактатный — молочная кислота вырабатывается.