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

Жиры превращаются в жирные кислоты и используются организ­мом:

• в различ­ных процессах синтеза;
• как источник энергии.

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:

• в процессах синтеза;
• в качестве источника энергии.

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)

АТФ – это:

• источ­ник энергии в клетке;
• посредник между всеми формами накопления энергии и рабо­той клетки;
• единственная форма питания клеток, которую они могут использовать для сокращения мышечных волокон, транспорта минеральных веществ и построения новых тканей.

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.

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

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

Это зависит от:

• наличия запаса;
• особенности вида энергии;
• состояния клетки;
• а так же от интен­сивности  и характера тренировочных нагрузок.

СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ

Существует 3 системы ресинтеза АТФ:

• креатинфосфокиназная или фосфагенная;
• анаэробного гликолиза (система молочной кислоты);
• аэробная.

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.

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:

1. На старте необходимо некоторое время, чтобы сердечно-сосудистая  система включи­лась в работу на полную мощность. И достави­ла насыщенную кислородом кровь к работа­ющим клеткам. Это происходит, например, в начале марафона.
2. Во время кратковременных нагрузок с большими энерготратами. Сердечно-сосудистой системе может не хватить вре­мени для повышения способности обеспечивать клетки необходимым кислоро­дом. И включения аэробного метаболизма.
3. Еще одной причиной неадекватного снаб­жения кислородом может стать временное усиление физической нагрузки. Которое пре­высит способность аэробной системы гене­рировать энергию. Примером может служить спортсмен, совершающий рывок перед лини­ей финиша в конце гонки на 10 км.

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.

Накопление молочной кислоты ассоциируется с утомлением и:

• приводит к уменьшению рН клеток;
• препятствует выработке анаэроб­ной энергии;
• мешает аэробной системе использовать жирные кислоты
  для получения энергии

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:

• цикл Кребса;
• цепь транспорта электронов.

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.

1. Две молекулы пирувата, которые образовались в конце гликолитического пути, преобразуют­ся в ацетил-КоА. И включаются в цикл Кребса. В процессе данного преобразования одна моле­кула НАД восстанавливается до НАДН2. И пе­ремещает электроны по всей транспортной цепи, чтобы в результате получить молекулы АТФ.
2. В пределах цикла Кребса образуются такие высокоэнергетические соединения:
   – еще 3 молекулы НАДН2;
   – одна молеку­ла ФАДН2;
   – и одна АТФ.
3. Три молекулы НАДН2 дают 9 молекул АТФ в транспортной це­пи электронов, а одна молекула ФАДН2 образует 2 молекулы АТФ.
   При полном распаде пирувата образует­ся 15 молекул АТФ.
4. Поскольку две молекулы пирувата полу­чаются из одной молекулы глюкозы, то коли­чество молекул АТФ удваивается.
5. Кроме того, анаэробный распад глюко­зы дает 2 молекулы АТФ непосредственно и еще 6 дополнительных молекул АТФ в ре­зультате полного аэробного окисления двух молекул НАДН2, продуцируемых гликолитическим путем.
6. Полное аэробное окисление молекулы глюкозы дает 38 молекул АТФ.

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

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:

• наличия кислорода;
• уров­ня накопления;
• уровня двигательной активности.

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

• Мы выяснили, какие системы передачи энергии работают во время физических нагрузок.
• Познакомились с функционированием аэробных и анаэробных механизмов.
• Узнали, какую роль в энергообеспечении играют основные питательные вещества: белки, жиры и углеводы.

Если статья была полезна, делитесь в социальных сетях.