за счет чего образуется энергия в организме
Энергетические процессы в мышце
Содержание
Естественно, что для совершения мышечного движения требуется энергия. В организме человека существуют разные источники энергии, которые последовательно включаются один за другим. Рассмотрим каждый из них.
АТФ Править
Универсальным источником энергии в живом организме является молекула АТФ, которая образуется в цитратном цикле Кребса. Под действием фермента АТФазы молекула АТФ гидролизуется, отсоединяя фосфатную группу в виде ортофосфорной кислоты (Н3РО4), и превращается в АДФ, при этом высвобождается энергия.
Головка миозинового мостика при контакте с актином обладает АТФазной активностью и соответственно возможностью расщеплять АТФ и получать энергию, необходимую для движения.
Количества АТФ, которое содержится в мышце, достаточно для выполнения движений в течение 2-5 первых секунд.
Креатинфосфат Править
Запас молекул АТФ в мышце ограничен, поэтому расход энергии при работе мышцы требует постоянного его восполнения, это происходит за счет креатинфосфата. Креатинфосфат обладает способностью отсоединять фосфатную группу и превращаться в креатин, присоединяя фосфатную группу к АДФ, которая превращается в АТФ.
АДФ + креатинфосфат = АТФ + креатин.
Эта реакция получила название – реакции Ломана. Именно поэтому креатин имеет большое значение в бодибилдинге.
Надо заметить, что креатин эффективен только при выполнении анаэробных (силовых) упражнений, так как креатинфосфата достаточно примерно на 2 минуты интенсивной работы, затем подключаются другие источники энергии. Соответственно, в лёгкой атлетике приём креатина как добавки для увеличения атлетических показателей малоэффективен.
Запасы креатинфосфата в волокне не велики, поэтому он используется в качестве источника энергии только на начальном этапе работы мышцы, до момента активизации других более мощных источников – анаэробного и затем аэробного гликолиза. По окончании работы мышцы реакция Ломана идет в обратном направлении, и запасы креатинфосфата в течение нескольких минут восстанавливаются.
Алактатные механизмы Править
КФ обеспечивает запас энергии фосфата для ресинтеза АТФ из АДФ при наступлении сократительной деятельности (рис. 3):
КФ + АДФ Креатинкиназа К + АТФ (1)
В состоянии покоя мышечные волокна наращивают концентрацию КФ до пяти раз больше, чем АТФ. В начале сокращения, когда концентрация АТФ начинает падать, а АДФ повышаться вследствие ускорения разложения АТФ, массовая активность способствует образованию АТФ из КФ.
Хотя образование АТФ из КФ происходит быстро, требуя одной единственной ферментативной реакции (1), количество АТФ, которое может быть получено в результате этого процесса, ограничено начальной концентрацией КФ. Мышечные волокна также содержат миокиназу, которая катализирует образование одной молекулы АТФ и одной молекулы АМФ из двух молекул АДФ. АТФ и КФ, вместе взятые, могут обеспечить максимальную силу в течение 8—10 с. Таким образом, энергия, полученная от фосфагенной системы, используется для коротких всплесков максимальной мышечной активности, необходимых в легкой и тяжелой атлетике (забег на 100 м, толкание ядра или поднятие тяжестей).
Гликолиз Править
Хотя метаболизм по гликолитическому пути производит лишь небольшое количество АТФ из каждой усвоенной единицы глюкозы, он может обеспечить быстрый синтез большого количества АТФ при наличии достаточного количества ферментов и субстрата. Этот процесс может также происходить в отсутствие кислорода:
Глюкоза анаэробный быстрый гликолиз 2 АТФ + 2 лактата (2)
Глюкоза для гликолиза поступает либо из крови, либо из запасов гликогена. Когда исходным материалом выступает гликоген, из одной единицы потребленной глюкозы в результате фосфоролитического гликогенолиза образуется три молекулы АТФ. По мере того, как мышечная активность становится интенсивнее, для анаэробного расщепления гликогена мышц требуется все больше и больше АТФ, и, соответственно, увеличивается производство молочной кислоты. Анаэробный гликолиз может обеспечить энергию на 1,3-1,6 мин максимальной мышечной активности.
Образование молочной кислоты понижает уровень pH в мышечных волокнах. Это препятствует действию ферментов и вызывает боль, если удаление молочной кислоты происходит слишком медленно по сравнению с ее образованием.
Окислительное фосфорилирование Править
При умеренном уровне физической нагрузки, например, при беге на 5000 м или марафоне, большая часть АТФ, используемого для сокращения мышц, образуется путем окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование позволяет высвободить из глюкозы гораздо больше энергии по сравнению с отдельно взятым анаэробным гликолизом:
Жиры катаболизируются только с помощью окислительных механизмов, при этом выделяется много энергии. Аминокислоты тоже могут быть метаболизированы подобным образом. Три метаболических пути образования АТФ для сокращения и расслабления мышц показаны на рис. 3.
В течение первых 5
10 мин умеренной физической нагрузки главным потребляемым «топливом» является собственный гликоген мышц. В течение следующих 30 мин доминирующими становятся переносимые кровью вещества; глюкоза крови и жирные кислоты вносят примерно одинаковый вклад в потребление мышцами кислорода. По истечении этого периода все более важную роль приобретают жирные кислоты. Важно подчеркнуть взаимодействие между анаэробными и аэробными механизмами в образовании АТФ во время физической нагрузки. Вклад анаэробного образования АТФ больше при краткосрочной нагрузке высокой интенсивности, в то время как при более продолжительных нагрузках низкой интенсивности преобладает аэробный метаболизм.
Восстановление и кислородная задолженность Править
После того как физическая нагрузка закончилась, поглощение кислорода все еще остается выше нормы (табл.). С недавнего времени для обозначения кислородной задолженности используется также термин «избыточное потребление кислорода после физической нагрузки». Сначала его уровень очень высок, пока тело восстанавливает запасы КФ и АТФ, возвращая тканям запасенный кислород, а затем в течение еще одного часа потребление идет на более низком уровне, пока удаляется молочная кислота. Поэтому ранние и последние фазы кислородной задолженности называют соответственно алактатной и лактатной кислородной задолженностью. Повышение температуры тела также говорит о более высокой скорости метаболизма и росте потребления кислорода.
Чем продолжительнее и интенсивнее физическая нагрузка, тем больше времени занимает восстановление. Например, на восстановление после полного истощения гликогена мышц зачастую требуется несколько дней, а не секунд, минут или часов, необходимых для восстановления запасов КФ и АТФ и удаления молочной кислоты. Физическая нагрузка большой интенсивности, вероятно, приводит к микротравмам мышечных волокон, и их восстановление занимает некоторое время.
Компоненты кислородной задолженности. После длительной, тяжелой физической нагрузки дыхание остается выше нормы для удовлетворения повышенной потребности в кислороде
Восстановление запасов кислорода в тканях(около 1 л)
Восстановление уровней креатинфосфата и других богатых энергией фосфатов (около 1-1,5 л)
Удаление молочной кислоты путем глюконеогенеза и другими путями (до 12 л)
Стимуляция метаболизма вследствие повышения уровня адреналина (около 1 л)
Дополнительное потребление кислорода в дыхательных мышцах и сердце (около 0,5 л)
Общее усиление метаболизма вследствие более высокой температуры тела*
Энергетический обмен или откуда берется энергия для организма?
За счет чего человек двигается? Что такое энергетический обмен? Откуда берется энергия для организма? На сколько ее хватит? При какой физической нагрузке, какая энергия расходуется? Вопросов как видите много. Но больше всего их появляется, когда начинаешь эту тему изучать. Попробую облегчить самым любопытным жизнь и сэкономить время. Поехали…
Энергетический обмен – совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии.
Для обеспечения движения (актиновых и миозиновых нитей в мышце) мышце требуется АденозинТриФосфат (АТФ). При разрыве химических связей между фосфатами выделяется энергия, которая используется клеткой. При этом АТФ переходит в состояние с меньшей энергией в АденозинДиФосфат (АДФ) и неорганического Фосфора (Ф)
АТФ + H2O ⇒ АДФ + Ф + Энергия
Если мышца производит работу, то АТФ постоянно расщепляется на АДФ и неорганический фосфор выделяя при этом Энергию (порядка 40-60 кДж/моль). Для продолжительной работы необходимо восстановление АТФ с такой скоростью, с какой это вещество используется клеткой.
Источники энергии, используемые при кратковременной, непродолжительной и продолжительной работе различные. Образование энергии может осуществляться как анаэробным (безкислородным), так и аэробным (окислительным) способом. Какие качества развивает спортсмен тренируясь в аэробной или анаэробной зоне я писал в статье «Пульс для бега и пульс при физической нагрузке (Пульсовые зоны)«.
Выделяют три энергетические системы, обеспечивающие физическую работу человека:
Энергообеспечение организма человека.
Источники энергии при кратковременной работе.
Быстродоступную энергию мышце дает молекула АТФ (АденозинТриФосфат). Этой энергии хватает на 1-3 секунды. Этот источник используется для мгновенной работы, максимальном усилии.
АТФ + H2O ⇒ АДФ + Ф + Энергия
В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ; так, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин. В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но содержит в каждый конкретный момент примерно 250 г), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.
Пополняется АТФ за счет КрФ (КреатинФосфат), это вторая молекула фосфата, обладающего высокой энергией в мышце. КрФ отдает молекулу Фосфата молекуле АДФ для образования АТФ, обеспечивая тем самым возможность работы мышцы в течение определенного времени.
АДФ+ КрФ ⇒ АТФ + Кр
Запаса КрФ хватает до 9 сек. работы. При этом пик мощности приходится на 5-6 сек. Профессиональные спринтеры этот бак (запас КрФ) стараются еще больше увеличить путем тренировок до 15 секунд.
Как в первом случае, так и во втором процесс образования АТФ происходит в анаэробном режиме, без участия кислорода. Ресинтез АТФ за счет КрФ осуществляется почти мгновенно. Эта система обладает наибольшей мощностью по сравнению с гликолитической и аэробной и обеспечивает работу «взрывного» характера с максимальными по силе и скорости сокращениями мышц. Так выглядит энергетический обмен при кратковременной работе, другими словами, так работает алактатная система энергообеспечения организма.
Источники энергии при непродолжительной работе.
Откуда берется энергия для организма при непродолжительной работе? В этом случае источником является животный углевод, который содержится в мышцах и печени человека — гликоген. Процесс, при котором гликоген способствует ресинтезу АТФ и выделению энергии называется Анаэробным гликолизом (Гликолитическая система энергообеспечения).
Гликолиз – это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (Пируват). Дальнейший метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями — аэробным и анаэробным.
При аэробной работе пировиноградная кислота (Пируват) участвует в обмене веществ и многих биохимических реакциях в организме. Она превращается в Ацетил-кофермент А, который участвует в Цикле Кребса обеспечивая дыхание в клетке. У эукариот (клетки живых организмов, которые содержат ядро, то есть в клетках человека и животных) Цикл Кребса протекает внутри митохондрии (МХ, это энергетическая станция клетки).
Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) – ключевой этап дыхания всех клеток использующих кислород, это центр пересечения многих метаболических путей в организме. Кроме энергетической роли, Циклу Кребса отводится существенная пластическая функция. Участвуя в биохимических процессах он помогает синтезировать такие важные клетки-соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Если кислорода недостаточно, то есть работа проводится в анаэробном режиме, тогда пировиноградная кислота в организме подвергается анаэробному расщеплению с образованием молочной кислоты (лактата)
Гликолитическая анаэробная система характеризуется большой мощностью. Начинается этот процесс практически с самого начала работы и выходит на мощность через 15-20 сек. работы предельной интенсивности, и эта мощность не может поддерживаться более 3 – 6 минут. У новичков, только начинающих заниматься спортом, мощности едва ли хватает на 1 минуту.
Энергетическими субстратами для обеспечения мышц энергией служат углеводы – гликоген и глюкоза. Всего же запаса гликогена в организме человека на 1-1,5 часа работы.
Как было сказано выше, в результате большой мощности и продолжительности гликолитической анаэробной работы в мышцах образуется значительное количество лактата (молочной кислоты).
Гликоген ⇒ АТФ + Молочная кислота
Лактат из мышц проникает в кровь и связывается с буферными системами крови для сохранения внутренней среды организма. Если уровень лактата в крови повышается, то буферные системы в какой-то момент могут не справиться, что вызовет сдвиг кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону. При закислении кровь становится густой и клетки организма не могут получать необходимого кислорода и питания. В итоге, это вызывает угнетение ключевых ферментов анаэробного гликолиза, вплоть до полного торможения их активности. Снижается скорость самого гликолиза, алактатного анаэробного процесса, мощность работы.
Продолжительность работы в анаэробном режиме зависит от уровня концентрации лактата в крови и степенью устойчивости мышц и крови к кислотным сдвигам.
Буферная емкость крови – способность крови нейтрализовать лактат. Чем тренированнее человек, тем больше у него буферная емкость.
Источники энергии при продолжительной работе.
Источниками энергии для организма человека при продолжительной аэробной работе, необходимые для образования АТФ служат гликоген мышц, глюкоза в крови, жирные кислоты, внутримышечный жир. Этот процесс запускается при длительной аэробной работе. Например, жиросжигание (окисление жиров) у начинающих бегунов начинается после 40 минут бега во 2-й пульсовой зоне (ПЗ). У спортсменов процесс окисления запускается уже на 15-20 минуте бега. Жира в организме человека достаточно для 10-12 часов непрерывной аэробной работы.
При воздействии кислорода молекулы гликогена, глюкозы, жира расщепляются синтезируя АТФ с выделением углекислого газа и воды. Большинство реакций происходит в митохондриях клетки.
Гликоген + Кислород ⇒ АТФ + Углекислый газ + Вода
Образование АТФ с помощью данного механизма происходит медленнее, чем с помощью источников энергии, используемых при кратковременной и непродолжительной работе. Необходимо от 2 до 4 минут, прежде чем потребность клетки в АТФ будет полностью удовлетворена с помощью рассмотренного аэробного процесса. Такая задержка вызвана тем, что требуется время, пока сердце начнет увеличивать подачу крови обогащенной кислородом мышцам, со скоростью необходимой для удовлетворения потребностей мышц в АТФ.
Жир + Кислород ⇒ АТФ + Углекислый газ + Вода
Фабрика по окислению жира в организме является самой энергоемкой. Так как при окислении углеводов, из 1 молекулы глюкозы производится 38 молекул АТФ. А при окислении 1 молекулы жира – 130 молекул АТФ. Но происходит это гораздо медленнее. К тому же для производства АТФ за счет окисления жира требуется больше кислорода, чем при окислении углеводов. Еще одна особенность окислительной, аэробной фабрики – она набирает обороты постепенно, по мере увеличения доставки кислорода и увеличения концентрации в крови выделившихся из жировой ткани жирных кислот.
Больше полезной информации и статей вы можете найти ЗДЕСЬ.
Если представить все энергообразующие системы (энергетический обмен) в организме в виде топливных баков, то выглядеть они будут так:
Все это я придумал не сам, а брал выжимки из книг, литературы, интернет-ресурсов и постарался лаконично донести до вас. Если остались вопросы — пишите.
Энергетические системы организма
Источник: «Программы тренировок», научное изд.
Автор: профессор, доктор наук Тудор Бомпа, 2016 г.
Содержание
Тренировка энергетических систем организма [ править | править код ]
Каждый вид спорта имеет собственный физиологический профиль, и каждый тренер, разрабатывающий и внедряющий программу тренировок для определенного вида спорта, должен понимать энергетические системы организма человека и их использование в спортивной подготовке. Если говорить более конкретно, физиологическая сложность каждого вида спорта требует понимания тренерами энергетических систем организма, преобладающих в конкретном виде спорта, а также их взаимосвязь с силовой подготовкой. Тренеры, отделяющие силовую подготовку и требования к разработке программы силовой подготовки от прочих физиологических характеристик, совершают ошибку, которая может со временем повлиять на результативность. В данной главе рассматривается проблема интегрирования силовой подготовки и подготовки определенных энергетических систем организма для различных видов спорта.
Энергетические системы организма [ править | править код ]
Когда спортсмен тренируется с отягощением или выполняет метаболические упражнения, энергия, необходимая для сокращения мышц, высвобождается за счет превращения высокоэнергетичного соединения АТФ в АДФ + фосфат. Благодаря данному процессу высвобождается энергия, и осуществляется движение. Для продолжения тренировки тело должно постоянно восполнять клеточный объем АТФ, поскольку в мышечных клетках хранится только ограниченное количество данного соединения (5-6 миллимоль на килограмм мышц) и клетка не может в полной мере задействовать собственный запас АТФ (задействуется максимум 60-70 процентов от объема АТФ в клетке).
Три энергетические системы организма [ править | править код ]
Человеческое тело может обеспечивать поступление АТФ при помощи одной из трех энергетических систем организма, в зависимости от типа тренировки: анаэробная алактатная система (АТФ-КФ), анаэробная лактатная система или аэробная система.
Переход от теории к практике тренировки энергетических систем организма [ править | править код ]
Тренеры, не обладающие реальным знанием энергетических систем организма, зачастую разрабатывают программы, нацеленные на тренировку доминирующей энергетической системы для конкретного вида спорта, полагаясь при этом на собственную интуицию. Например, тренеры, занимающиеся подготовкой спринтеров, предлагают своим подопечным бег на короткие дистанции в качестве тренировки, при том, что им совершенно не известен положительный эффект данного вида тренировок для нервной системы и анаэробных энергетических систем. Тем не менее во время тренировки энергетических систем следует принимать во внимание степень задействования типов мышечных волокон. Повышение эффективности энергетической системы зависит от возможности нервно-мышечной системы выдерживать напряжение и усталость, возникающие в результате систематических тренировок. Например, непрерывная тренировка анаэробной лактатной системы позволяет быстро сокращающимся мышечным волокнам генерировать силу при наличии накопившейся молочной кислоты. Подобный результат достигается за счет повышения степени задействования медленно сокращающимися мышечными волокнами двигательной единицы и повторного использования молочной кислоты. Максимизация анаэробного обмена веществ возможна за счет использования программы, сочетающей тренировки на выработку максимальной силы и выносливости и бег на дистанции от 150 до 400 метров.
Энергетическая система, используемая для выработки энергии во время занятий спортом, зависит от интенсивности и продолжительности тренировки. Анаэробная алактатная система в основном генерирует энергию для всех видов краткосрочной спортивной деятельности (до 8-10 секунд), при которой преобладающими характеристиками являются сила и скорость. Анаэробная алактатная система доминирует в таких видах спорта, как бег на короткие дистанции, прыжковые и метательные дисциплины в легкой атлетике, прыжки на лыжах с трамплина, прыжки в воду, опорные прыжки в гимнастике и олимпийское двоеборье. Данные виды спорта характеризуются резкими и короткими движениями при высокой нагрузке, иными словами, они требуют максимального применения силы и мощи. Таким образом, анаэробная алактатная система используется в связи с задействованием большого количества быстро сокращающихся мышечных волокон (для максимальной силы) и повышенной отдачи от данных волокон (для максимальной мощи).
С другой стороны, анаэробная лактатная система является основным поставщиком энергии для высокоинтенсивных и продолжительных видов спортивной деятельности (15-60 секунд). В качестве видов спорта, в которых доминирующей является анаэробная лактатная система, можно выделить бег на 200 и 400 метров в легкой атлетике, плавание на 50 метров, велогонки на треке и бег на коньках на дистанции 500 метров. Занятия данными видами спорта требуют максимальной отдачи как от анаэробной алактатной системы, так и от анаэробной лактатной системы. Для занятий теми видами спорта, которые характеризуются большей продолжительностью, такими как бег на средние дистанции в легкой атлетике, плавание на дистанции 100 и 200 метров, гребля на байдарках и каноэ на дистанции 500 метров, бег на коньках на дистанции 1000 метров, большинство гимнастических дисциплин, горнолыжный спорт, художественная гимнастика и гонки преследования на велотреке, требуется максимальный уровень анаэробного обмена веществ.
Целью силовой тренировки при занятиях данными видами спорта является развитие силовой выносливости или краткосрочной мышечной выносливости. Спортсмен должен уметь не только повышать степень отдачи быстро сокращающихся мышечных волокон, но также и поддерживать степень отдачи в течение продолжительного периода времени (10-120 секунд). Следует помнить, что повышение силовой выносливости и краткосрочной мышечной выносливости возможно только в результате увеличения максимальной силы. Таким образом, спортсмены, занимающиеся данными видами спорта, должны заложить хорошую базу для развития максимальной силы.
Как уже упоминалось выше, аэробная энергетическая система используется для производства энергии при занятиях видами спорта продолжительностью от одной минуты до более чем трех часов. У многих тренеров возникают затруднения с пониманием сути тренировок, предназначенных для подготовки к дисциплинам с таким длительным временным диапазоном. В качестве общего правила можно отметить, что, чем ближе продолжительность дисциплины к одной минуте, тем меньшим является вклад аэробной системы в общий объем выполняемой работы. Справедливо также и обратное правило: чем больше продолжительность тренировки, тем большее значение приобретает аэробная система.
Несмотря на то, что большинство видов спорта находятся в непрерывном диапазоне попеременного участия энергетических систем организма, следует уделять особое внимание командным видам спорта, боксу, боевым искусствам и видам спорта, где используются ракетки, то есть, тем спортивным дисциплинам, которые характеризуются переменной активностью. При занятиях данными видами спорта задействуются все три системы в соответствии с интенсивностью, ритмом и продолжительностью соревнований. При осуществлении большинства из указанных видов спортивной деятельности канал анаэробной энергии используется во время активной части соревнований, а для быстрого восстановления и регенерации в период между активными действиями задействуется аэробная способность [3] (ресинтез креатинфосфата за счет аэробного фосфорилирования). В конечном итоге, данная категория видов спорта требует выполнения существенного объема работы во время тренировок, способствующего выработке максимальной силы, мощности и силовой выносливости.
В таблице 1 показано соотношение между энергетическими системами организма и типом силовой тренировки, который предлагается для видов спорта, подпадающих под каждую категорию. В соответствии с данной таблицей, необходимость тренировки максимальной силы для всей совокупности энергетических систем очевидна. Вне зависимости от того, является данный вид спорта анаэробным, аэробным или характеризуется равнозначным участием обеих систем, развитие максимальной силы обеспечивает базу, которая помогает достичь оптимального уровня других основных возможностей спортсмена.
Таблица 1. Соотношение между энергетическими системами и методами силовых тренировок