Энергетика мышечного сокращения МПК. Аэробные и анаэробные пороги

1.

ЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ
МПК
АЭРОБНЫЕ И АНАЭРОБНЫЕ ПОРОГИ
1

2.

Энергетика мышечного сокращения
Хемодинамический принцип – химическая энергия превращается в механическую.
АТФ – непосредственный источник химической энергии для мышечного сокращения и расслабления
(рис.).
Макронутриенты (углеводы, жиры и белки) не используются непосредственно для энергетических
потребностей клетка.
Энергия молекулярных связей, освобождающаяся при расщеплении макронутриентов, хранится в
виде АТФ (10 ккал энергии на 1 моль АТФ)
2

3.

Запасы энергии в мышцах достаточны на 1-2 с работы (10 одиночных
сокращений).
Количество АТФ в мышцах не может изменяться, так как при отсутствии АТФ в
мышцах развивается контрактура (не работает кальциевый насос и мышцы не в
состоянии расслабляться), а при избытке - теряется эластичность.
Восполнение запасов АТФ осуществляется за счет анаэробного (безкислородного)
и аэробного (с использованием кислорода) метаболизма.
3

4.

Энергетическая ценность макронутриентов
При полном расщеплении в организме с образование конечных продуктов (вода и углекислый газ +
азотосодержащие соединения для белков) 1 г белка или 1 г углеводов высвобождают 4,1 ккал/г энергии
(физиологический калорический коэффициент), а жиры – 9,3 ккал/г. (Для сравнения – при сгорании
спички выделяется примерно 0,5 ккал).
Основными источниками энергии являются углеводы и жиры. Белки используются в энергетических целях
при недостатке углеводов и жиров.
Углеводы
o Расщепляются до глюкозы. Избыток откладывается в виде полисахарида – гликогена в печени и
мышцах.
o Запасы гликогена достаточны для образования 1200-2000 ккал энергии: гликоген печени около 110 г,
гликоген мышц – около 250 г + глюкоза в жидких средах организма – около 15 г. (Этого достаточно для
пробегания около 30 км).
Жиры
o Основной источник – триглицериды. Расщепляются до глицерина и жирных кислот. Только свободные
жирные кислоты используются для образования АТФ.
o Депонируются в жировой ткани. Основным депо жира в организме является подкожная жировая
клетчатка (около 7,8 кг; 70000 - 75000 ккал).
Белки
o Расщепляются до аминокислот (АК), которые используются для образования энергии.
o Обеспечивают 5-10% энергии при интенсивной мышечной работе.
4

5.

Выделяют 3 основных источника АТФ в организме
1. Расщепление креатинфосфата (КФ) и фосфорилирование АДФ (регенерирование АТФ):
o протекают в анаэробных условиях.
2. Анаэробный гликолиз:
o использует глюкозу, поступающую в клетки из крови, или внутриклеточный гликоген для производства АТФ
и рефосфорилирования креатина.
3. Цикл трикарбоновых кислот - ЦТК (цикл Кребса), сопряжённый с электронно-транспортной цепью и
процессами окислительного фосфорилирования АДФ:
o является аэробным процессом («сгорание» при низкой температуре), происходящим в митохондриях.
o приводит к образованию конечных продуктов метаболизма (углекислого газа, воды и азотистых соединений).

6.

Расщепление креатинфосфата (КрФ) и анаэробное фосфорилирование
АДФ (регенерирование АТФ)
КрФ является высокоэнергетическим соединением (как и АТФ), но его энергия,
высвобождающаяся при расщеплении, не может быть непосредственно использована на
совершение работы в клетке. Эта энергия используется для ресинтеза АТФ.
Характеризуются высокой скоростью реакций (тысячные доли с) и коротким латентным
периодом; наибольшая эффективность достигается к 5-6 с работы..
КрФ выполняют роль кратковременного источника энергии ввиду ограниченности запасов в
клетке. Запасы достаточны на 3-15 с спринтерского бега.
6

7.

Анаэробный гликолиз:
Гликолиз - ферментативное расщепление глюкозы, поступающей в клетки из крови, или
внутриклеточного гликогена для производства АТФ и рефосфорилирования креатина.
Имеет низкую эффективность: на каждый моль расщепленной глюкозы образуется 2 моля АТФ, а
на моль гликогена – 3 моля АТФ (1 АТФ используется на превращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат) и
высокую инертность (в гликолизе участвует 12 ферментативных реакций).
Максимальная мощность достигается к концу первой минуты работы; обеспечивает клетки энергией в
течение 30-150 сек.
Важен при высокой кратковременной нагрузке (до 2-х мин), при резком увеличении интенсивности
длительной менее интенсивной работы, при недостатке кислорода во время статической работы.
Конечным продуктом является молочная кислота, которая угнетает гликолитические ферменты и
ограничивает гликолиз, а также снижает способность мышечных волокон связывать кальций –
уменьшение сократимости.
(Ограничение использования глюкозы связано с угнетением
гликолиза накопившимся лактатом, а не с уменьшением запасов гликогена в мышцах.)
7

8.

Окислительная система: цикл трикарбоновых кислот - ЦТК (цикл
Кребса), сопряжённый с электронно-транспортной цепью и процессами
окислительного фосфорилирования АДФ:
o
Является аэробным процессом («сгорание» при низкой температуре), происходящим в
митохондриях.
o
Обеспечивает энергией в условиях достаточного поступления кислорода (достаточное
развёртывание функций кислород-транспортирующих систем и уровня максимального
потребления кислорода) при аэробной работе длительностью более 2-3 мин.
o
Ограничивается доступностью кислорода.
o
Приводит к образованию конечных продуктов метаболизма (углекислого газа, воды и
азотистых соединений).
8

9.

Окисление углеводов
Анаэробный гликолиз происходит с образованием пировиноградной кислоты из которой образуется
молочная кислота (конечный продукт анаэробного гликолиза).
При наличии кислорода пировиноградная кислота превращается в ацетил-коэнзим А, который
вступает в цикл Кребса (цикл лимонной кислоты) - последовательность химических реакций,
которые завершают окисление ацетил-КоА с образованием 2 молей АТФ и углекислого газа.
При гликолизе и в ходе реакций ЦТК выделяется большое количество водорода, которые вступают в
серию реакций – цепочку переноса электронов (электронно-транспортная цепь). В цепочке
атомы водорода расщепляются на Н+ и электроны. Электроны через серию реакций с участием
кислорода обеспечивают энергию для фосфорилирования АДФ и образование АТФ (окислительное
фосфорилирование). В конце цепочки ионы водорода соединяются с кислородом с образованием
воды.
Эффективность (по количеству произведённой АТФ на моль глюкозы) в 19 раз выше, чем у
гликолиза: из 1 молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.
9

10.

10

11.

Окисление жиров
o
Основным источником энергии являются триглицериды, которые расщепляются на глицерин и 3 свободные жирные
кислоты - СЖК (липолиз).
o
СЖК подвергаются метаболизму в митохондриях – бета-окисление. В результате серии реакций образуется Ацетил-КоА,
который вступает в цикл Кребса (как в метаболизме углеводов). Однако, для сжигания СЖК требуется больше кислорода,
чем для углеводов.
o
Эффективность: при окислении 1 молекулы жирной кислоты – 129 молекул АТФ.
o
Как источник энергии жиры используются в состоянии двигательного покоя, при работе невысокой мощности и при
длительной работе на выносливость; является наиболее типичным способом энергообеспечения скелетных мышц.
o
Жиры имеют наибольшую энергетическую ёмкость: при расходовании 1 моля АТФ выделяется около 10 ккал энергии, 1
моля КрФ - около 10.5 ккал, 1 моля глюкозы при анаэробном расщеплении - около 50 ккал, а при окислении 1 моля глюкозы - около 700 ккал, при окислении 1 моля жиров - 2400 ккал.
o
Хотя жиры обеспечивают больше килокалорий энергии на грамм, чем углеводы, для их окисления требуется больше
кислорода, чем для окисления углеводов. Жиры образуют 5,6 молекул АТФ относительно молекулы О2, углеводы - 6,3
молекул АТФ относительно молекулы О2. Доставка кислорода ограничена кислородтранспортной системой, поэтому
предпочтительным источником энергии во время выполнения физического упражнения высокой интенсивности являются
углеводы
11

12.

12

13.

Окисление белков
Процесс окисления белков более сложный,
(аминокислоты) содержат азот, который не окисляется.
поскольку
белки
Вклад белков в образование энергии относительно незначителен, поэтому
обмен белков часто не принимают во внимание.
13

14.

Максимальное потребление кислорода
В качестве наиболее информативного и надёжного показателя физической
работоспособности ВОЗ рекомендует максимальное потребление
кислорода (МПК, Vo2max). Данная рекомендация основана на
представлении о том, что физическая работоспособность коррелирует с
энергетическим потенциалом организма, в частности, с максимальной
аэробной мощностью (производительностью).
Понятие МПК
o наибольший (предельный) объём кислорода, который организм
способен потребить за 1 мин.
o способность организма транспортировать и поглощать кислород в
период максимальной нагрузки, включая динамичное сокращение
крупных групп мышц.
o МПК является мерой аэробной мощности (максимальной аэробной
способности, выносливости) кардиореспираторной системы.
МПК выражается в мл кислорода на кг массы тела за 1 мин. У 20-летнего
мужчины величина МПК в среднем равна 45 ± 5 мл/кг/мин, у
тренированных лиц того же возраста - до 60 мл/кг/мин, у олимпийцев
приближается к 80 мл/кг/мин.
14

15.

Теоретическая
основа
работоспособности:
использования
МПК
для
определения
физической
o Величина потребляемого кислорода (при аэробной нагрузке) пропорциональна
мощности выполняемой физической работы.
o При выполнении работы ступенеобразно возрастающей мощности уровень
потребления кислорода постепенно нарастает в линейной но лишь до определенного
предела, после которого потребление кислорода стабилизируется и дальше не
нарастает, несмотря на дальнейшее увеличение нагрузки, что и соответствует МПК.
Таким образом, МПК является наивысшим достижимым (для конкретного человека)
уровнем аэробного обмена при физической нагрузке, показателем аэробных
способностей организма и выносливости кардиореспираторной системы.
o Потребление кислорода (аэробные возможности) определяется и лимитируется 2-мя
системами
кислород-транспортной системы (органы дыхания, кровь, ССС)
системы утилизации кислорода, главным образом - мышечная. (Солодков, 2014,
Граевская).
15

16.

16

17.

Методы определения
o Прямые – тесты с нагрузкой максимальной мощности на
велоэргометре или бегущей дорожке с газоанализом.
o Косвенные (непрямые) – определение МПК по ЧСС.
Теоретическая основа. Наличие прямой зависимости
между величиной МПК и максимальной ЧСС
определяет возможность стандартизировать нагрузку
по величине последней. (Ограничение – требуется учёт
степени тренированности, так как она влияет на ЧСС).
При работе определённой мощности имеется линейная
зависимость между ЧСС и МПК.
17

18.

18

19.

Анаэробный и анаэробный пороги
Аккумулирование лактата в крови зависит от интенсивности анаэробной физической
нагрузки.
При умеренной и средней нагрузки концентрация лактата в крови существенно не
превышает уровень покоя.
Увеличение интенсивности нагрузки сверх данного уровня приводит к более быстрому
аккумулированию лактата в крови. Это означает, что скорость образования молочной
кислоты в мышцах превышает скорость её утилизации, что приводит к развитию
метаболического ацидоза.
Концепция анаэробного порога, лактатного порога или аэробно-анаэробного перехода
базируется на наличии определенного уровня аэробной нагрузки возрастающей
интенсивности при котором происходит резкое нелинейное увеличение уровня лактата
крови (лактатный порог), лёгочной вентиляции (анаэробный вентиляционный порог),
продукции углекислого газа, фракции выдыхаемого кислорода.
19

20.

Прирост концентрации лактата проходит два
порога
o Аэробный
порог)
порог
(первый
анаэробный
Начало аккумулирования лактата в
крови (образование молочной кислоты
в
скелетных
мышцах
начинает
превышать её окисление), в среднем,
при достижении концентрации лактата
2
ммоль/л;
точка
разрыва
непрерывности
на
кривой
концентрации лактата в крови (Жуков,
2011, Земцова И.И., 2010).
При достижении аэробного порога
происходит существенный сдвиг в
сторону анаэробного гликолиза – зона
перехода,
аэробно-анаэробный
метаболизм.
В среднем соответствует достижению
55% МПК.
20

21.

o Анаэробный порог (второй анаэробный порог, порог
анаэробного обмена – ПАНО, порог лактата)
Соответствует началу быстрого нелинейного
прироста лактата в крови, в среднем, при
достижении 4 ммоль/л – уровень начала
накопления лактата в крови.
Порогу анаэробного обмена соответствует, в
среднем, достижение 65-75% от МПК, хотя
величина существенно варьирует.
Может быть существенно повышен в результате
тренировки (более «тренируем», чем МПК);
является
показателем
физической
формы
(физического фитнеса).
Может быть использован для определения
интенсивности физической нагрузки. Однако,
измерение данного показателя во время физической
активности менее практично, чем использование
других методов, так как прямые методы измерения
данного
показателя
являются
инвазивными
(необходим забор пробы крови).
21