Энергия для мышц: Откуда берется энергия для работы мышц?

Содержание

Откуда берется энергия для работы мышц?

Подробная статья об основных источниках энергообразования в организме

Работа мышцы связана со значительной затратой энергии. Из-за разной активности ее расход сильно отличается у разных людей. Суточные затраты энергии человека, который интенсивно тренируется больше чем в 2 раза превышают затраты человека, который не занимается спортом.

При физической нагрузке энергозатраты существенно возрастают за счет работы мышц. Они расходуют приблизительно 90 процентов всей энергии, тогда как в состоянии покоя их потребности составляют не больше 40 процентов. В некоторых органах человеческого организма при мышечной активности расход энергии может как увеличиваться, так и сокращаться.

Главным источником энергии при мышечной работе является АТФ. При реакции, которая носит название ферментативный гидролиз, происходит освобождении энергии АТФ.

АТФ + h3O = АДФ + h4PO4 + энергия.

Количество процессов, которые потребляют энергию АТФ, достаточно высоко, хотя содержание самой АТФ в мышцах невелико, приблизительно 0,4-0,5 процента от массы мышцы.

Этих запасов хватает на 1-2 секунды работы мышцы с околомаксимальной интенсивностью.

Стабильная работа мышцы возможна лишь при концентрации АТФ в диапазоне 0,25 – 0,5 процента от ее массы.

Для поддержания высокого уровня концентрации АТФ при мышечной работе существует несколько способов ее восполнения, которые называют ресинтезом АТФ . Этот процесс выражается формулой:

АДФ +h4PO4 + энергия = АТФ + h3O

Ресинтез АТФ может быть двух видов. Первый — это аэробный, для осуществления которого нужен кислород, второй — анаэробный, который не требует его участия.

Аэробное окисление является основным процессом, с помощью которого осуществляется ресинтез АТФ при повседневной деятельности. Количество энергии, поставляемое аэробным окислением, во много раз превышает аналогичные показатели анаэробных. Основной «пищей» для этого процесса служат углеводы и жиры. В конце аэробного превращения образуются продукты распада h3O и СО2 которые легко выводятся из организма.

К недостаткам аэробного окисления по сравнению с анаэробными процессами можно отнести низкую скорость развертывания и ограниченную максимальную мощность.

У нетренированных людей аэробный ресинтез АТФ достигает своей максимальной интенсивности после 3-4 минут напряженной мышечной работы, у спортсменов это время значительно сокращается.

Анаэробные процессы ресинтеза АТФ имеют гораздо более высокую скорость развертывания и максимальную мощность.

Можно выделить три основных механизма ресинтеза АТФ:

креатинфосфокиназная реакция, которую также называют креатинфосфатной ;
гликолиз;
миокиназная реакция.

Креатинфосфатная реакция является самым быстро развертывающимся и обладающим самой большой мощностью механизмом ресинтеза АТФ, он достигает максимальной мощности уже через 1-3 секунды с начала интенсивной работы и предотвращает резкое снижение концентрации АТФ.

Так, креатинфосфатная реакция выполняет важную роль для обеспечения энергией кратковременных упражнений максимальной мощности (спринтерский бег, различные прыжки).

При исчерпании запасов креатинфосфата его основное количество восстанавливается в течение 3-8 минут, а полное восстановление – через 20-40 минут после завершения нагрузок.

К еще одному важному механизму ресинтеза АТФ относят также гликолиз. Он является начальным этапом расщепления углеводов (гликогена и глюкозы), который завершается образованием

пировиноградной или молочной кислоты.

Гликолиз уступает креатинфосфатной реакции и по скорости развертывания, которая зависит от интенсивности выполняемого упражнения и тренированности человека, и по максимальной мощности. У тренированных людей гликолиз достигает максимальной мощности в течение 20-40 секунд после начала интенсивного упражнения. При регулярных тренировках можно увеличить скорость развертывания и мощность гликолиза.

Гликолиз характеризуется менее высокой энергетической эффективностью в связи с тем, что большое количество энергии, которая находится в углеводах, не освобождается, а сохраняется в молочной кислоте. Интенсивная работа приводит к быстрому истощению запасов гликогена в мышцах.

Гликолиз является основным механизмом энергообеспечения при выполнении упражнений с максимальной интенсивностью продолжительностью 30 – 180 секунд, например, при вольной борьбе или в гимнастике.

К анаэробным механизмам ресинтеза АТФ также относят миокиназную реакцию, которую еще называют «механизмом последней помощи». Она запускается тогда, когда все остальные процессы ресинтеза АТФ практически полностью себя исчерпают. Это случается при окончании очень интенсивной мышечной работы.

Вывод. Анаэробные процессы энергообразования являются основными во время выполнения непродолжительной интенсивной нагрузки, а работа с умеренной мощностью характеризуется практически полным аэробным энергообеспечением и возможностью длительного выполнения.

Автор: Вячеслав Казанцев

Источники энергии во время нагрузки. Зачем и как тренировать энергообеспечение.

Многие из вас тренируются много часов, делают длительные тренировки, но не задумываются какие задачи решаются увеличивая объем или продолжительность тренировки. Сегодня мы постараемся разобрать несколько таких задач.

В предыдущих публикациях, мы выделили высокую липидную мощность, как одну из основных функций, влияющей на успешный результат в ультрамарафоне. Чтобы вам было понятней, почему это так важно, мы постараемся рассказать, как вообще устроен процесс энергообеспечения у бегуна на длинные дистанции и какие тренировки оптимальней выполнять для улучшения энергообеспечения.

Одним из самых важных физиологических изменений, происходящих при тренировках на «чистую» выносливость, является повышение способности организма утилизировать свободные жирные кислоты для энергии, то есть больше использовать жиры относительно углеводов при определенной интенсивности. Это позволяет экономить гликоген, что в свою очередь, дает возможность бегуну дольше поддерживать необходимый темп. В длительных гонках по пересеченной местности это очень важно, поскольку истощение гликогеновых запасов является ограничивающим фактором на всех дистанция более часа и чем длинней гонка, тем актуальней вопрос вклада жиров в энергообеспечение.

Также, важным изменением, является увеличение гликогеновых запасов. Посредством длительных тренировок мы истощаем гликоген, стимулируя, тем самым мышцы запасать чуть больше. К сожалению, эта способность организма лимитирована, и мы не можем запасать его очень большое количество. Гликоген образует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы. Гликоген содержится в печени, мышцах и других тканях.Содержание гликогена в печени при увеличении его синтеза может составить 5-9 % от массы печени, в основном необходим для образования глюкозы, как источника энергии для ЦНС (мозга), клеток крови, почек. В мышцах гликоген перерабатывается в глюкозу исключительно для локального потребления и накапливается не более 1 — 2 % от общей массы мышц.

В одном грамме жира содержится больше энергии (9 ккал), чем в таком же количестве углеводов и белков (4 ккал). Запасы жира в организме велики, обычно в триглицеридах, находящихся во всех жировых тканях тела человека, хранится от 50 до 60 тысяч килокалорий энергии. В силу того, что такие большие запасы энергии хранятся в относительно небольшом количестве триглицеридов, это дает каждому человеку замечательную возможность носить с собой «топливо» для организма. Но, к сожалению, жиры не являются основным источником энергии и чем быстрей мы будем передвигаться, тем больше организм будет использовать углеводы, но если не тренировать наше энергообеспечение — запасать больше «углеводов» и использовать больше жиров, тогда просто невозможно стать успешным ультрамарафонцем.

К сожалению, организм может усвоить ограниченное количество углеводов в час во время нагрузки, поэтому только все в совокупности может сделать гонку успешной — высокий вклад жиров, пиковый гликогеновый запас и прием углеводов во время нагрузки.

Наш организм так устроен, если чего-то ему систематично не хватает, он создает резерв. Если наша задача только провоцировать организм запасть больше гликогена, нам достаточно сделать часовой бег на уровне ПАНО или хорошую интервальную тренировку, но для ультрамарафонца только этого не достаточно. Мы должны научить наш организм правильно использовать энергию — больше за счет жиров и меньше за счет углеводов. Решается эта задача лучше всего в первую очередь — за счёт увеличения дистанции длительных тренировок и во вторую очередь — за счет увеличения недельного объема.

Оптимальная интенсивность для длительного бега 82 — 92 % от ЧСС ПАНО. Оптимальная интенсивность 60-ти — 70-ти % недельного объема ( восстановительный бег, разминки, заминки, подводящие) 60 — 82 % от ЧСС ПАНО Данный пример интенсивности не актуален, если вся подготовка выполняется только по ровному и в тренировке нет элемента силовой выносливости ( бег по пересеченной местности, лыжи, велосипед, эллипс, беговая дорожка в уклон и тд)

Наверное, самый обсуждаемый вопрос, пару недель назад мы уже рассказывали и приводили примеры недельного объема, если рассматривать длительность тренировок, золотой серединой для решения этих задач для ультрамарафнца будет 120 — 180 минут, более продолжительные тренировки выполняются крайне редко, так как имеют высокий стресс для многих функции нашего организма и решают другую основную задачу — мышечную адаптацию.

Таких тренировок в недельном цикле оптимально делать от 1 до 3-х в зависимости от периода подготовки, чем больше ударной нагрузки, тем больше будет восстановления. Старайтесь выполнять такие тренировки в максимально приближенных условиях к соревновательным.

2. Триглицеридов, находящихся в адипоцитах, т.е. в жировых клетках, которые имеются во всем теле человека, но больше всего их в подкожной ткани и между органами, находящимися в брюшной полости. Это наиболее важные жировые депо в теле человека, достаточные для удовлетворения энергетического запроса не только на марафонской дистанции, но и на более длинных дистанциях.

Снижение окисления мышечного гликогена в результате тренировок на выносливость напрямую связано с увеличением окисления триглицеридов, получаемых из самих мышц, но не из плазмы. Внутримышечные триглицериды являются основным источником жира, окисление которого происходит быстрее в результате адаптации к тренировкам на выносливость и что именно окисление этого внутримышечного жира соотносимо со снижением потребления внутримышечного гликогена и улучшением показателей выносливости. Большие запасы триглицеридов, находящиеся в жировой ткани, активируются с относительно медленной скоростью. Триглицериды сами по себе не могут покинуть жировые ткани, но в начале выполнения физических упражнений, например, во время предсоревновательной разминки, уровень специальных гормонов (адреналин, норадреналин, глюкагон) в крови повышается, в то время как уровень прочих гормонов (инсулина) снижается, способствуя липолизу. В этот момент свободные жирные кислоты могут, покинув адипоциты, быть перенесены в кровь молекулой белка (альбумин) и затем к рабочим мышцам. Здесь они расщепляются на два атома углерода, связанных в коэнзим А, и поступают в митохондрий.

СПС
Анаэробный метаболизм
Аэробный метаболизм
Энергетические системы и скорость бега

АТФ
Аденозинтрифосфат (
АТФ ) является источником энергии для всех мышечных сокращений. Энергия высвобождается, когда АТФ расщепляется на АДФ+Р _и (аденозиндифосфат и фосфатная группа). Поддержание доступности АТФ для мышечного сокращения является ограничивающим фактором, поскольку АТФ не запасается в больших количествах в скелетных мышцах. Жизнеспособными источниками АТФ являются как анаэробные (не требующие O ₂ ) и аэробные (требуется O ₂ ) средства. Первичный источник энергии для данной деятельности будет в первую очередь зависеть от интенсивности мышечных сокращений.
До вершины энергообеспечения мышц
Анаэробный метаболизм
Двумя основными анаэробными источниками АТФ являются Фосфокреатин (PCr) и Анаэробный гликолиз . Внутримышечные запасы ПКр используются для быстрых высокоинтенсивных сокращений, но они истощаются менее чем за 30 секунд, а для пополнения требуется несколько минут. Например, PCr обеспечивает большую часть энергии для спринта на 100 м. Кроме того, способность выполнять повторные подходы с почти максимальным усилием в значительной степени зависит от запасов ПКр. Увеличение магазинов PCr на

Creatine Supplementation может увеличить объем работы, которая может быть выполнена при повторяющихся упражнениях высокой интенсивности.
Анаэробный гликолиз относится к расщеплению глюкозы (гликолиз) до пирувата, который в отсутствие O ₂ превращается в молочную кислоту . В мышечных волокнах глюкоза становится доступной за счет разрушения запасов мышечного гликогена. Анаэробный гликолиз не ограничивается наличием гликогена; вместо этого ограничивающим фактором является накопление молочной кислоты и других метаболитов. Упражнения высокой интенсивности продолжительностью 1-3 минуты (например, забег на 800 м) в первую очередь зависят от анаэробного гликолиза, что приводит к большому накоплению молочной кислоты.

До вершины энергообеспечения мышц
Аэробный метаболизм
Аэробный гликолиз происходит, когда O ₂ доступен для расщепления пирувата, который дает АТФ посредством химических реакций, происходящих в цикле Кребса и электрон-транспортной системе . Как и при анаэробном метаболизме, глюкоза может быть получена из запасов гликогена. Запасы гликогена в изобилии, и поэтому истощение гликогена является проблемой только для спортсменов, которые непрерывно тренируются более 9 часов.0 минут или прерывистые упражнения в течение значительно более длительных периодов времени. Например, спортсмены, занимающиеся выносливостью, нередко истощают запасы гликогена.
В марафонских гонках это называется «удариться о стену». Чтобы снизить вероятность истощения запасов гликогена во время соревнований, спортсмены часто перед соревнованием проводят «углеводную загрузку». Это включает в себя манипулирование содержанием углеводов в рационе, чтобы максимизировать запасы гликогена.
Наиболее распространенным источником энергии, доступным мышечным волокнам, является жир. Расщепление жира с образованием АТФ называется липолиз . В то время как запас жирных кислот практически не ограничен, скорость, с которой происходит липолиз, является ограничивающим фактором в получении АТФ. Липолиз отвечает за мышечную активность в покое, но его вклад в общее энергообеспечение мышц будет уменьшаться по мере увеличения интенсивности сокращения. Например, истощение гликогена происходит, когда скорость липолиза не может удовлетворить потребность в энергии во время тренировки, а зависимость от гликолиза расходует доступные запасы гликогена. Как только происходит истощение гликогена, интенсивность упражнений резко снижается.
Тем не менее, небольшое снижение интенсивности (например, замедление темпа) в начале тренировки сэкономит гликоген в достаточной степени, чтобы избежать истощения. В свою очередь, нельзя переоценить важность облегчения липолиза во время соревнований на выносливость.
До вершины энергообеспечения мышц
Энергетические системы и скорость бега
Судя по времени мировых рекордов, люди могут поддерживать максимальную скорость бега примерно на 200 м. Средние скорости мировых рекордов на 100 м и 200 м одинаковы (21,6 мили в час и 22,4 мили в час соответственно). Однако с увеличением расстояния средние скорости снижаются. Средняя скорость для мирового рекорда в марафоне составляет 12,1 мили в час, что составляет 55% скорости мирового рекорда в спринте. Это примечательно, поскольку длина марафона более чем в 200 раз превышает длину забега на 200 м. Хотя естественный отбор играет решающую роль в элитных спринтерских и марафонских выступлениях, энергетические системы также должны быть хорошо обучены и специфичны для упражнений, чтобы быть успешными.
Например, энергия, необходимая для поддержания средней скорости бега в 22 мили в час на дистанции 200 м или меньше, и средней скорости бега в 12,1 мили в час на марафоне, приобретается двумя очень разными системами (преобладающие энергетические системы, необходимые для бега с разной скоростью, показаны на первом рисунке). Основным источником энергии для спринтерских дистанций до 400 м является ПКр. На высоте от 400 м до 1500 м основным источником энергии является анаэробный гликолиз. На дистанциях более 1500 м спортсмены полагаются в первую очередь на аэробный метаболизм.
Скорость утилизации гликогена и жира зависит от относительной скорости бега. Хотя скорость использования гликогена при марафонском беге низкая, продолжительность мероприятия увеличивает вероятность истощения запасов гликогена. Напротив, скорость утилизации гликогена значительно выше во время бега на 5000 м, но истощение гликогена не вызывает беспокойства из-за короткой продолжительности мероприятия.
Максимальная поддерживаемая скорость падает примерно на 7 миль в час по мере увеличения пройденного расстояния с 200 м до 1500 м (около 1 мили). Однако по мере увеличения расстояния с 1 мили до 26 миль максимальная поддерживаемая скорость падает только дополнительно на 3,5 мили в час. В среднем можно ожидать, что здоровый, подтянутый, не элитный спортсмен-мужчина будет бегать со средней скоростью 16-18 миль в час на 100-200 м и примерно 6-8 миль в час на марафоне.
До вершины энергообеспечения мышц
Энергетическое обеспечение сокращения мышц
Метаболизм
Метаболизм представляет собой совокупность процессов, которые осуществляются в организме человека для выработки энергии и других веществ, необходимых для его деятельности. В нашем организме происходят катаболические и анаболические процессы.
Катаболизм – это процесс, во время которого происходит расщепление органических веществ с одновременным выделением энергии. Характеризуется недостатком запасов гликогена и мобилизацией несахаридных источников энергии – жиров и белков. Катаболизм происходит во время повышенной двигательной активности и необходим для поддержания жизненных функций.
Анаболизм , с другой стороны, представляет собой энергозатратный процесс, в ходе которого образуются вещества. Запас субстрата превышает насущную потребность. Организм создает запасы энергии, создаются и обновляются ткани. Анаболические процессы преобладают в ситуациях пониженной физической активности.
Основные питательные вещества (углеводы, липиды, белки) присутствуют в пище, которую мы едим. Они трансформируются и всасываются через пищеварительную систему. Углеводы распадаются на отдельные углеводы (моносахариды), где глюкоза является одним из наиболее важных. Липиды распадаются на свободные жирные кислоты и глицерин. Белки распадаются на аминокислоты. Затем эти простые агенты могут быть вовлечены в более сложные процессы.
Углеводы используются как в анаэробной, так и в аэробной деятельности. АТФ ресинтезируется из гликогена (гликоген мышц, гликоген печени), который превращается в глюкозу. Запасы гликогена в организме человека ограничены. Липиды используются в двигательной активности низкой интенсивности, основанной на выносливости. В то время как использование белков в ресинтезе АТФ очень ограничено, свободные жирные кислоты используются в значительной степени. Глюкоза образуется в результате глюконеогенеза.
Мышечный метаболизм
Мышцам нужна энергия для сокращения (рис. 6). Энергия поступает из аденозинтрифосфата (АТФ), присутствующего в мышцах. Мышцы, как правило, содержат лишь ограниченное количество АТФ. При истощении АТФ необходимо ресинтезировать из других источников, а именно из креатинфосфата (CP) и мышечного гликогена . Другие запасы гликогена хранятся в печени, и человеческий организм также способен ресинтезировать АТФ из липидов, то есть свободных жирных кислот. В зависимости от интенсивности и продолжительности нагрузки на организм используются разные режимы энергетического воздействия.
Рисунок 6 Энергия для мышц
Система АТФ-ЦФ
Вышеупомянутые АТФ и СР являются источниками энергии мышечного сокращения (рис. 7, 8, 9). Производство энергии, используемой при сокращении мышц, происходит анаэробным путем (без кислорода).
Рисунок 7 Молекула АТФ
Рисунок 8 АТФаза (расщепление АТФ и производство энергии для сокращения мышц)
Рисунок 9 Ресинтез АТФ из СР
Анаэробный гликолиз
Это химический процесс, в ходе которого АТФ обновляется из гликогена, т.е. глюкозы, анаэробным путем (без доступа кислорода). В этих процессах в мышцах образуется лактат, т.е. соль молочной кислоты. Эта энергетическая система производит 2 молекулы АТФ. Гликолиз – превращение глюкозы в 2 молекулы пирувата с образованием чистого выхода из молекул АТФ и 2 молекул НАДН (анаэробное расщепление глюкозы на пируват и лактат) – см. Рис. 10.
Окислительная система
Это химический процесс, во время которого происходит ресинтез АТФ аэробным путем (с доступом кислорода). В качестве источников энергии здесь выступают как гликоген или глюкоза, так и свободные жирные кислоты.
Аэробный гликолиз происходит в цитоплазме клетки, где из гликогена, т.е. глюкозы с присутствием кислорода, образуются 34 молекулы АТФ (рис. 10).
Рисунок 10 Анаэробный и аэробный гликолиз
Свободные жирные кислоты, присутствующие в митохондриях мышечных волокон, превращаются в ацетил-КоА и используются в ресинтезе АТФ. Ацетил-КоА входит в цикл Кребса, в результате чего образуются молекулы АТФ.
Индивидуальные энергетические системы включаются в зависимости от интенсивности выполняемой двигательной активности. Если выполнение проводится на максимальном уровне, происходит постепенное вовлечение всех систем (рис. 11, 12).
Рисунок 11 Энергетический охват при максимальной рабочей нагрузке
Рисунок 12 Энергетический охват при максимальной рабочей нагрузке
Типы мышечных волокон
Мышечные волокна человека обладают различными свойствами. Хотя в настоящее время известно, что в организме человека присутствует почти 30 типов мышечных волокон, мы склонны работать только со следующими тремя типами:
Медленное красное мышечное волокно I (SO — медленные окислительные волокна)
Медленное красное мышечное волокно характеризуется высокой аэробной способностью и устойчивостью к утомлению. Поскольку их анаэробные способности медленны, они не могут демонстрировать большую мышечную силу. Мышечные сокращения имеют тенденцию быть медленными — 110 мс/мышечное сокращение. Одна двигательная единица содержит от 10 до 180 мышечных волокон.
Быстрое красное мышечное волокно IIa (БОГ – быстрые окислительные гликолитические волокна)
Быстрое красное мышечное волокно разделяет некоторые качества с медленным волокном или волокном типа IIx. Это волокно характеризуется средней аэробной способностью и устойчивостью к утомлению. Он также демонстрирует высокую анаэробную способность и способен демонстрировать большую мышечную силу. Скорость сокращения составляет 50 мс/сокращение мышцы. Одна двигательная единица содержит около 300-800 волокон.
Быстрое белое волокно IIx (FG – быстрое гликолитическое волокно)
В отличие от предыдущих типов быстрое белое волокно характеризуется низкой аэробной способностью и склонностью к быстрой утомляемости. С другой стороны, он обладает наибольшей анаэробной способностью и способен демонстрировать значительную мышечную силу. Скорость сокращения составляет 50 мс/сокращение мышцы. Одна двигательная единица содержит около 300-800 волокон.
Объем мышечных волокон этого типа задается генетически (до 90 %) (Jančík et al., 2007) и варьирует у отдельных лиц. В средней популяции соотношение медленных и быстрых волокон составляет 1:1. На следующем рисунке (рис. 13) показано соотношение медленных и быстрых волокон у спортсменов, занимающихся разными дисциплинами.
Рисунок 13 Соотношение быстрых (типа ФГ и ВОГ) и медленных (типа СО) волокон у спортсменов разного профиля
При мышечном сокращении активируются отдельные типы мышечных волокон в соответствии с интенсивностью мышечного движения. Во время упражнений низкой интенсивности задействуются преимущественно медленные волокна. Однако с увеличением интенсивности упражнений активизируются быстрые волокна. Здесь важно отметить, что соотношение волокон различается в разных мышцах человеческого тела. Например, постуральные мышцы, как правило, содержат больше медленных волокон.