Глава 2
Энергетические системы человека
Основными источниками энергии для работы мышц являются:
1. Фосфатные соединения – аденозинтрифосфат (АТФ) и креатинфосфат (КФ);
2. Углеводы – глюкоза и гликоген;
3. Жиры;
4. Белки, но к счастью, в энергообеспечении организма они играют далеко не ведущую роль и принимают участие в энергетическом обмене веществ лишь в случаях голодания, продолжительных и очень тяжелых нагрузках.
Запасы АТФ, КФ, гликогена и жиров накапливаются в самой мышечной клетке и, кроме того, гликоген и жиры копятся так же в печени и в подкожной жировой клетчатке.
Запасы АТФ и КФ настолько малы и ничтожны, и, в лучшем случае составляют всего несколько килокалорий, их хватает всего лишь на 1–3 секунды интенсивной работы!
А вот запасов гликогена у нас значительно больше. У нетренированного человека запасы гликогена составляют около 450 гр (примерно 1800 ккал), а у тренированных людей могут доходить и до 750 гр, что дает порядка 3000 ккал.
Большая часть запасенного гликогена располагается в мышцах, а печени достается около 150 г, т. е. порядка 600 ккал. Поэтому в плане энергетического обеспечения мышц, мышечный гликоген намного эффективней, так как его не нужно транспортировать по кровеносному руслу из запасников и хранилищ и запихивать в клетку – он уже там!
Мышцы с радостью накапливают поступающую к ним глюкозу в виде гликогена, НО с большой неохотой отдают накопленный гликоген назад, для потребления другими, интенсивно работающими мышцами. Это означает, что работающая мышца, исчерпав свои запасы гликогена, не полезет «в карман» к другим, не работающим сейчас мышцам, а будет использовать уже другие источники энергии. И, во-вторых, гликоген из печени так же очень не часто используется для работы мышц, так как он необходим в первую очередь для работы головного мозга и всей нервной системы. Поэтому всевозможные защитные механизмы препятствуют чрезмерному потреблению гликогена печени мышцами и поддерживают постоянный уровень сахара в крови.
О жирах. Вот их у нас еще больше чем гликогена, намного больше – примерно от 30 000 до 100 000 и более килокалорий. Понятно, что подавляющее количество этих калорий хранится на наших талиях, животах, ногах и прочих прелестях, а в мышцах жира «всего-то» около 1900 калорий, т. е. примерно 200 гр. с небольшим.
Все приведенные здесь данные достаточно приблизительны и усреднены, и дают только общее представление о количестве хранящейся в нас энергии.
Непосредственным источником энергии для мышечных волокон всегда является аденозинтрифосфат (АТФ). Поэтому, все преобразования жиров, углеводов и других энергоносителей в клетке сводятся к постоянному синтезу АТФ. Т. е. все эти вещества «горят» для создания молекул АТФ.
Как все происходит. Для получения энергии аденозинтрифосфат (АТФ) расщепляется на аденозиндифосфат (АДФ) и фосфат (Ф). При этом расщеплении выделяется энергия, которая и используется для сокращения мышечных. Условно этот процесс можно записать вот так:
АТФ – > АДФ + Ф + Энергия(1)
Но полученной таким образом энергии хватает ненадолго (1–3 сек), так как запасы АТФ очень малы, да и используется полученная энергия для выполнения работы лишь на одну треть, остальные две трети выделяются в виде тепла. Поэтому тут же запускаются механизмы обратного синтеза АТФ, т. е. возникающие в результате расщепления АТФ продукты АДФ и Ф соединяются снова:
АДФ + Ф + Энергия – > АТФ (2)
Для осуществления этой реакции уже требуется энергия. Вот для ее получения и задействуются другие вещества. Причем, в зависимости от того, участвует ли кислород в получение этой энергии, или же этот процесс обходится без него, и различают анаэробное (без участия кислорода) и аэробное (с участием кислорода) энергообразование.
С помощью каких энергоносителей будет осуществляться восстановление АТФ, зависит от количества энергии требуемой в единицу времени?
При очень интенсивной мышечной работе, резко начинающей выполняться из состояния покоя, АТФ восстанавливается с помощью креатинфосфата (КФ) – вот и до него очередь дошла. В этом случае схема получения АТФ выглядит следующим образом:
КФ + АДФ – > Креатин (К) + АТФ (3)
В данной ситуации креатинфосфат распадается на Креатин и Фосфат с высвобождением необходимой энергии, которая и задействуется при соединении образовавшегося фосфата (Ф) с аденодиндифосфатом (АДФ) для синтеза АТФ. Для большего понимания можно попробовать записать вот так:
КФ + АДФ – > К + Ф + энергия + АДФ – > К + АТФ (3)
Такой процесс достаточно энергоэффективен, так как выход энергии в результате таких преобразований примерно соответствует энергии получаемой от расщепления АТФ.
Но, креатинфосфата в мышце содержится всего лишь в 3–4 раза больше, чем самих запасов АТФ, так что и его хватает лишь на 7-12 секунд предельно интенсивной работы, ну, или же на 15–30 секунд просто интенсивного сокращения мышц. А дальше – всё. Особенно эта ситуация бывает заметна у новичков, 30 секунд они весело машут ногами, а потом «сдыхают» – их запасы фосфатов, богатых энергий, практически исчерпаны, и организм в такой ситуации просто вынужден переключаться на получение энергии из менее эффективного источника-гликогена.
Гликоген, содержащийся в мышце, в таких вот условиях будет расщепляться без участия кислорода на молочную кислоту-лактат. Точнее даже без участия кислорода гликоген расщепляется не полностью, а лишь до образования молочной кислоты. Само собой при таком расщеплении будет выделяться энергия необходимая для синтеза АТФ. Упрощенно наша формула будет выглядеть так:
Гликоген – > Лактат + АТФ (4)
Ну, а более подробно вот так:
Гликоген – > Лактат (молочная кислота) + энергия + Ф + АДФ – >Лактат + АТФ (4)
Такая вот система носит название анаэробной лактатной системы или как еще ее называют анаэробная гликолитическая система.
Но вот беда, при таком способе расщеплении гликогена, за одно и тоже время энергии получается в несколько раз меньше, чем при расщеплении креатинфосфата. Вот поэтому и приходится снижать интенсивность выполняемой работы, ибо для более быстрых и мощных движений энергии просто не хватает.
Анаэробное расщепление гликогена начинается практически с самого начала работы, ведь наш организм не знает заранее, какая нагрузка его ждет, поэтому и старается активизировать все свои энергетические системы практически одновременно, чтобы не допустить перерывов в работе. На свою максимальную мощность анаэробная лактатная система выходит примерно через 15–20 секунд работы предельной интенсивности, т. е. когда заканчиваются запасы креатинфосфатов. Но действие и этой системы не может длиться долгое время, так что её хватает на 2–3 минуты очень интенсивной работы. И тут дело не в том, что запасы гликогена заканчиваются, нет, его остается еще достаточно много для продолжения работы. Причина невозможности продолжать работу заданной интенсивности кроется в молочной кислоте. При продолжительных интенсивных нагрузках количество образуемой молочной кислоты превышает порог ее возможного усвоения и утилизации другими мышцами и буферными системами крови. Ну, а далее, упуская слишком умные термины и химические реакции, избыток молочной кислоты в конечном счете приводит к снижению скорости расщепления гликогена, что приводит к уменьшению количества синтезируемой АТФ и как следствие, к снижению работоспособности. В такой ситуации нам ничего не остается делать, как остановиться, что бы «перевести дыхание» и дождаться вывода из работающих мышц излишков молочной кислоты, или же еще снизить интенсивность выполняемой работы, что бы запустить следующую систему получения энергии – аэробную.
Так вот, гликоген для образования энергии может распадаться не только на молочную кислоту (лактат). В присутствии достаточного количества кислорода (О2), гликоген может распадаться до углекислого газа (СО2) и воды (Н2О), конечно же с высвобождением энергии. Но процесс этот не быстрый, и проходит он в два этапа: сначала гликоген расщепляется до уже известной нам молочной кислоты, а потом происходит окисление молочной кислоты. На выходе получается углекислый газ, вода и большое количество энергии, причем даже большее, чем при анаэробном расщеплении гликогена, ведь в ход идет еще и молочная кислота, из которой тоже извлекается энергия. Соответственно, наша формула будет выглядеть следующим образом:
Гликоген + О2 – > Н2О + СО2 + АТФ (5)
Такая же реакция может происходить и с жирными кислотами, которые так же превращаются в воду и углекислый газ:
Жирные кислоты + О2 – > Н2О + СО2 + АТФ (6)
Но и в работе аэробной системы тоже не все так просто. Запасов гликогена и жиров хватает на многие и многие часы мышечной работы, при таком способе получения энергии не образуется молочная кислота, которая влияет на утомляемость мышц, но зато имеются ограничения по количеству кислорода, так как его поступление зависит, в основном, от работы сердечно-сосудистой и дыхательной системы. Чем больше сердце и легкие могут поставить работающим мышцам кислорода – тем больше энергии можно произвести таким аэробным способом.
Причем для сгорания жирных кислот кислорода требуется еще больше, чем для расщепления гликогена – по некоторым данным больше на 12%. Эффективность энергообеспечения за счёт жировых запасов зависит еще от скорости протекания липолиза (процесса расщепления жиров на составляющие их жирные кислоты) и от скорости кровотока в жировой ткани для обеспечения своевременной доставки этих жирных кислот к мышечным клеткам.
Аэробная система, как и другие системы получения энергии для синтеза АТФ запускается практически сразу же в момент начала физических нагрузок, но «раскочегаривается» очень медленно и постепенно, поэтому на свою максимальную мощность выходит после 2–3 минут интенсивной нагрузки. Причем, как уже говорилось, вначале преобладает распад гликогена, и только потом, минут через 20–30 начинает преобладать распад жирных кислот.
Вывод:
У нас всегда одновременно работают 4 энергетические системы:
1) Аэробная алактатная (фосфатная) (АТФ, креатинфосфат);
2) Анаэробная лактатная (гликолитическая) (гликоген мышц и печени и глюкоза крови);
3) Аэробный гликолиз (гликоген мышц, печени и глюкоза крови);
4) Аэробное окисление жирных кислот (жирные кислоты);
Их запасы можно увеличивать за счет тренировок, так же как и их эффективность за счет улучшения работы сердечно-сосудистой и дыхательной системы. Можно «переучить» мышцы для работы под определенной системой. Какими тренировками – это уже другой вопрос.
Во время выполнения тренировочных нагрузок энергообеспечение работающих мышц осуществляется тремя путями, в зависимости от интенсивности работы:
1) сгорание (окисление) углеводов (гликогена) и жиров при участии кислорода – аэробное энергообеспечение;
2) расщепление гликогена – анаэробно-гликолитическое энергообеспечение;
3) расщепление креатинфосфата.
Принята следующая классификация тренировочных нагрузок, в зависимости от их интенсивности и характера физиологических сдвигов в организме спортсмена, при выполнении соответствующей нагрузки:
1-я зона интенсивности – аэробная восстановительная («фоновые нагрузки»: разминка, заминка, восстановительные занятия);
2-я зона интенсивности – аэробная развивающая;
3-я зона интенсивности – смешанная аэробно-анаэробная;
4-я зона интенсивности – анаэробно-гликолитическая;
5-я зона интенсивности – анаэробно-алактатная.
Тренировочные нагрузки в этой зоне интенсивности используются как средства восстановления после тренировок с большой и значительной нагрузками, после соревнований, в переходном периоде. Этой зоне соответствуют и так называемые «фоновые нагрузки».
Интенсивность выполняемых упражнений умеренная (около порога аэробного обмена). Частота сердечных сокращений (ЧСС) – 130–140 ударов в минуту (уд/мин.). Концентрация молочной кислоты в крови (лактат) – до 2–3 миллимолей на литр (Мм/л). Уровень кислородного потребления 50–60% от МПК (максимального потребления кислорода). Продолжительность работы от 20–30 минут до 1 часа. Основные источники энергии (биохимические субстраты) – углеводы (гликоген) и жиры.
Тренировочная нагрузка в этой зоне интенсивности применяется для выполнения упражнений большой продолжительности с умеренной интенсивностью. Такая работа необходима для увеличения функциональных возможностей сердечно-сосудистой и дыхательной систем, а также для поднятия уровня общей работоспособности.
Интенсивность выполняемых упражнений – до уровня порога анаэробного обмена, то есть концентрация молочной кислоты в мышцах и крови – до 20 Мм/л.; ЧСС – 140–160 уд/мин. Уровень потребления кислорода от 60 до 80% от МПК.
Скорость передвижения в циклических упражнениях 50–80% от максимальной скорости (на отрезке, продолжительностью 3–4 секунды, преодолеваемого с хода с максимально возможной скоростью в данном упражнении). Биоэнергетическое вещество – гликоген.
При выполнении тренировочных нагрузок в этой зоне интенсивности применяется непрерывный и интервальный методы. Продолжительность работы при выполнении тренировочной нагрузки непрерывным методом составляет до 23 часов и более. Для повышения уровня аэробных возможностей широко используется непрерывная работа с равномерной и переменной скоростью.
Непрерывная работа с переменной интенсивностью предполагает чередование малоинтенсивного отрезка (ЧСС 140145 уд/ мин.) и интенсивного отрезка (ЧСС 160–170 уд/мин.).
Применяя интервальный метод, продолжительность отдельных упражнений может составлять от 1–2 мин. до 8-10 мин.
Интенсивность отдельных упражнений можно определять по ЧСС (к концу выполняемого упражнения ЧСС должна быть 160–170 уд/мин.). Продолжительность интервалов отдыха также регламентируется по ЧСС (к концу паузы отдыха ЧСС должна быть 120–130 уд/мин.).
Применение интервального метода очень эффективно для увеличения способности к максимально быстрому развёртыванию функциональных возможностей систем кровообращения и дыхания.
Это объясняется тем, что методика проведения интервальной тренировки предполагает частую смену интенсивной работы пассивным отдыхом. Поэтому на протяжении одного занятия многократно «включаются» и активизируются до околопредельных величин деятельность систем кровообращения и дыхания, что способствует укорочению процесса врабатывания.
Непрерывный метод тренировки способствует совершенствованию функциональных возможностей кислородо-транспортной системы, улучшению кровоснабжения мышц.
Применение непрерывного метода обеспечивает развитие способности к длительному удержанию высоких величин потребления кислорода.
Интенсивность выполняемых упражнений должна быть выше скорости порога анаэробного обмена (ПАНО), ЧСС – 160–180 уд./мин. Концентрация молочной кислоты в крови (лактат) до 10–12 м-м/л. Уровень потребления кислорода приближается к максимальному (МПК). Скорость выполнения циклических упражнений – 85–90% от максимальной скорости. Основное биоэнергетическое вещество – гликоген (его окисление и расщепление).
При выполнении работы в этой зоне, наряду с максимальной интенсификацией аэробной производительности, происходит значительная интенсификация анаэробно-гликолитических механизмов энергообразования.
Основные методы тренировки: непрерывный метод с равномерной и переменной интенсивностью и интервальный метод.
При выполнении работы интервальным методом, продолжительность отдельных упражнений составляет от 1–2 мин. до 6–8 мин. Интервалы отдыха регламентируются по ЧСС (в конце паузы отдыха ЧСС – 120 уд/мин.) или до 2–3 мин.
Продолжительность работы в одном занятии до 1–1,5 часов.
Интенсивность выполняемых упражнений составляет 90–95% от максимально доступной. ЧСС свыше 180 уд/мин. Концентрация молочной кислоты в крови достигает предельных величин – до 20 Мм/л. и более.
Упражнения, направленные на повышение возможностей гликолиза должны выполняться при высоком кислородном долге.
Решению этой задачи способствует следующая методика: выполнение упражнений с субмаксимальной интенсивностью с неполными или сокращенными интервалами отдыха, при которых очередное упражнение выполняется на фоне недовосстановления оперативной работоспособности.
Выполнение упражнений в этой зоне интенсивности может быть только интервальным (или интервально-серийным). Продолжительность отдельных упражнений от 30 секунд до 2–3 минут. Паузы отдыха неполные или сокращённые (40–60 сек.).
Суммарный объём работы в одном занятии до 40–50 минут. Основное биоэнергетическое вещество – гликоген мышц.
Для повышения анаэробно-алактатных возможностей (быстроты, скоростных способностей) применяются упражнения продолжительностью от 3 до 15 секунд с максимальной интенсивностью. Показатели ЧСС в этой зоне интенсивности не информативны, так как за 15 секунд сердечно-сосудистая и дыхательная системы не могут выйти на свою даже околомаксимальную оперативную работоспособность.
Скоростные способности в основном лимитируются мощностью и ёмкостью креатинфосфатного механизма. Концентрация молочной кислоты в крови невелика – 5–8 Мм/л. Основное биоэнергетическое вещество – креатинфосфат.
При выполнении упражнений в этой зоне интенсивности, несмотря на кратковременность выполняемых упражнений (до 15 сек.), интервалы отдыха должны быть достаточными для восстановления креатинфосфата в мышцах (полные интервалы отдыха). Продолжительность пауз отдыха, в зависимости от продолжительности упражнения, составляет от 1,5 до 2–3 минут.
Тренировочная работа должна выполняться серийно-интервально: 2–4 серии, в каждой серии по 4–5 повторений. Между сериями отдых должен быть более продолжительный – 5–8 минут, который заполняется малоинтенсивной работой. Потребность в более продолжительном отдыхе между сериями объясняется тем, что запасы креатинфосфата в мышцах невелики и к 5–6 повторению они в значительной мере исчерпываются, а в процессе более продолжительного междусерийного отдыха они восстанавливаются.
Продолжительность тренировочной работы в одном занятии в этой зоне интенсивности – до 40–50 минут.