Энергетика мышечного сокращения

При работе мыши, химическая энергия превращается в механичес­кую, т. е. мышца является химическим двигателем, а не тепловым. Для процессов сокращения и расслабления мышц потребляется энергия. АТФ. Расщепление АТФ с отсоединением одной молеку­лы фосфата и образованием аденозиндифосфата (АДФ) сопровожда­ется выделением 10 ккал энергии на 1 моль: АТФ = АДФ + Ф + Эн.. Однако запасы АТФ в мышцах невелики (около 5 ммоль ). Их хватает лишь на 1-2 с работы. 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.

Для продолжения работы требуется постоянное восполнение за­пасов АТФ. Восстановление АТФ происходит в анаэробных услови­ях — за счет распада креатинфосфата (КрФ) и глюкозы (реакции гликолиза) — и в аэробных условиях — за счет реакций окисления жиров и углеводов. Энергосистемы, используемые в качестве ис­точников энергии, обозначают как фосфагеиная энергетическая си­стема или система АТФ-КрФ, гликолитическая (или лактацидная) система и окислительная (или кислородная) система.

Быстрое восстановление АТФ происходит в тысячные доли секунды за счет распада КрФ. АДФ + КрФ = АТФ + Кр. Наи­большей эффективности этот путь энергообразования достигает к 5-6-й секунде работы, но затем запасы КрФ исчерпываются, так каких также немного (около 30 ммоль ).

Медленное восстановление АТФ в анаэробных условиях обеспечивается энергией расщепления глюкозы (выделяемой из глико­гена) —реакцией гликолиза с образованием в конечном итоге молоч­ной кислоты (лактата) и восстановлением 3 молекул АТФ. Эта реак­ция достигает наибольшей мощности к концу 1-й минуты работы.

Особое значение этот путь энергообразования имеет при высокой мощности работы, которая продолжается от 20 с до 1 -2 мин (напри­мер, при беге на средние дистанции), а также при резком увеличении мощности более длительной и менее напряженной работы (спурты и финишные ускорения при беге на длинные дистанции) и при недо­статке кислорода во время выполнения статической работы. Ограни­чение использования углеводов связано не с уменьшением запасов гликогена (глюкозы) в мышцах и в печени, а с угнетением реакции гликолиза избытком накопившейся в мышцах молочной кислоты.

Реакции окисления обеспечивают энергией работу мышц в условиях достаточного поступления в организм кислорода, т. е. при аэробной работе длительностью более 2-3 мин. Доставка кислорода достигает необходимого уровня после достаточного развертывания функций кислород транспортных систем организма (дыхательной, сердечно-сосудистой систем и системы крови). Важным показателем мощности аэробных процессов является предельная величина по­ступления в организм кислорода за 1 мин — максимальное по­требление кислорода (МПК). Эта величина зависит от индивидуальных возможностей каждого человека. У нетренированных лиц в 1 мин поступает к работающим мышцам около 2.5-3 л О , а у высококвалифицированных спортсменов —лыжников, пловцов, бегунов-стайеров и др. достигает 5-6 л и даже 7л в 1 мин.

При значительной мощности работы и огромной потребности при этом в кислороде основным субстратом окисления в большинстве спортивных упражнений являются углеводы, так как для их окисления требуется гораздо меньше кислорода, чем при окислении жиров. При использовании одной молекулы глюкозы (), полученной из гликогена, образуется 38 молекул АТФ, т.е. аэробный путь энергообра­зования обеспечивает при том же расходе углеводов во много раз больше продукции АТФ, чем анаэробный путь. Молочная кислота в этих реакциях не накапливается, а промежуточный продукт — пировиноградная кислота сразу окисляется до конечных продуктов — СО , и Н О.

В качестве источника энергии жиры используются в состоянии двигательного покоя, при любой работе сравнительно невысокой мощности (требующей до 50% МПК) и при очень длительной работе на выносливость (требующей около 70-80% МПК). Среди всех ис­точников энергии жиры обладают наибольшей энергетической емко­стью: 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 (Коц Я. М., 1982). Однако использование жиров при работе высо­кой мощности лимитируется трудностью доставки кислорода рабо­тающим тканям.

Работа мышц сопровождается выделением тепла. Теплообразова­ние происходит в момент сокращения мышц — начальное теплообра­зование (оно составляет всего одну тысячную всех энерготрат) и в пе­риод восстановления — запаздывающее теплообразование.

В обычных условиях при работе мышц тепловые потери состав­ляют около 80% всех энерготрат. Для оценки эффективности меха­нической работы мышцы используют вычисление коэффициента полезного действия (КПД). Величина КПД показывает, какая часть затрачиваемой энергии используется на выполнение механичес­кой работы мышцы. Ее вычисляют по формуле:

КПД=[А:(Е-е)] ,

где: А — энергия, затраченная на полезную работу; Е — общий расход энергии; е —расход энергии в состоянии покоя за время, равное длитель­ности работы.

У нетренированного человека КПД примерно 20%, у спортсмена — 30-35%. При ходьбе наибольший КПД отмечается при скорости 3.6-4.8 км • час , при педалировании на велоэргометре — при длительно­сти цикла около 1 с. С увеличением мощности работы и включением «ненужных» мышц КПД уменьшается. При статической работе, по­скольку А = 0, эффективность работы оценивается по длительности поддерживаемого напряжения мышц.

ПРОИЗВОЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ

Двигательная деятельность человека является основной формой его поведения во внешней среде. При этом следует указать, что не только физическая работа, но и разнообразные виды умственного труда в конечном итоге проявляются двигательной активностью. И. М. Сеченов (1863) по этому поводу писал, что «... все бесконеч­ное разнообразие внешних проявлений мозговой деятельности сво­дится окончательно к одному лишь явлению — мышечному движе­нию».