Лекция № 1 Теория адаптации и спортивная тренировка

Лекция № 2 Биоэнергетика живых систем и Макроэргические соединения

Лекция № 3 Биохимия мышц

Химический состав мышц.

Вода с оставляет70 – 80 % веса мышцы.

Белки. На долюбелковприходится от17 до 21 % веса мышцы: примерно 40% всех мышечных белков сосредоточены в миофибриллах, 30% – в саркоплазме, 14% – в митохондриях, 15% – в сарколемме, остальные в ядрах и других клеточных органеллах.

В мышечной ткани содержатся ферментативные белки миогеновой группы, миоальбумин – запасной белок (его содержание с возрастом постепенно снижается), красный белок миоглобин – хромопротеид (его называют мышечным гемоглобином, он связывает кислорода больше, чем гемоглобин крови), а также глобулины, миофибриллярные белки. Болееполовины миофибриллярных белков приходится на миозин, около четверти – актин, остальное – тропомиозин, тропонин, α- и β-актинины, ферменты креатинфосфокиназа, дезаминаза и другие. В мышечной ткани имеются ядерные белки – нуклеопротеиды, митохондриальные белки. В белках стромы, оплетающей мышечную ткань, – основная часть – коллаген и эластин сарколеммы, а также миостромины (связанные с Z -мембранами).

Водорастворимые азотистые соединения. В скелетных мышцах человека содержатся различные водорастворимые азотистые соединения: АТФ, от 0,25 до 0,4 %, креатинфосфат (КрФ) – от 0,4 до 1 % (при тренировке его количество увеличивается), продукты их распада – АДФ, АМФ, креатин. Кроме того, в мышцах содержатся дипептид карнозин, около 0,1 – 0,3 %, участвующий в восстановлении работоспособности мышц при утомлении; карнитин, отвечающий за перенос жирных кислот через клеточные мембраны; аминокислоты, и среди них преобладает глютаминовая (не этим ли объясняется применение глютамата натрия, читайте состав приправ, для придания пище вкуса мяса); пуриновые основания, мочевина и аммиак. Скелетные мышцы содержат также около 1,5 % фосфатидов, которые участвуют в тканевом дыхании.

Безазотистыесоединения. В мышцах содержатся углеводы, гликоген и продукты его обмена, а также жиры, холестерин, кетоновые тела, минеральные соли. В зависимости от пищевого рациона и степени тренированности количество гликогена варьирует от 0,2 до 3 %, при этом тренировки увеличивают массу свободного гликогена. Запасные жиры в мышцах накапливаются в ходе тренировок на выносливость. Связанный с белками жир составляет примерно 1%, а в мембранах мышечного волокна может содержаться до 0,2 % холестерина.

Минеральные вещества. Минеральные вещества мышечной ткани составляют примерно 1 – 1,5 % от веса мышцы, это, в основном, соли калия, натрия, кальция, магния. Минеральные ионы, такие как К⁺,Nа⁺, Мg²⁺, Са²⁺, Сl^-, НР0₄~ играют важнейшую роль в биохимических процессах при сокращении мышц (их включают в состав «спортивных» добавок и минеральной воды).

Биохимия мышечных белков.

Основной сократительный белок мышц – миозин относится кфибриллярным белкам (Молекулярная масса около 470000). Важная особенность миозина – способность образовывать комплексы с молекулами АТФ и АДФ (что позволяет «отбирать» энергию у АТФ), и с белком – актином (что дает возможность удерживать сокращение).

Молекула миозина имеет отрицательный заряд и специфически взаимодействует с ионами Са⁺⁺и Мg⁺⁺. Миозин в присутствии ионов Са⁺⁺ускоряет гидролиз АТФ, и, таким образом, проявляет ферментативную аденозинтрифосфатную активность:

миозин-АТФ +H2O → миозин + АДФ + H₃PO₄ + работа (энергия 40 кДж/моль)

Белок миозин образован двумя одинаковыми, длинными полипептидными α-цепями, закрученными как двойная спираль, рис.7. Под действием протеолитических ферментов молекула миозина распадается на две части. Одна из ее частей способна связываться посредством спаек с актином, образуя актомиозин. Эта часть отвечает за аденозинтрифосфатазную активность, которая зависит от рН среды, оптимум – рН 6,0 - 9,5, а также концентрации КСl. Комплекс – актомиозин распадается в присутствии АТФ, но в отсутствие свободной АТФ он стабилен. Вторая часть молекулы миозина тоже состоит из двух перекрученных спиралей, за счет электростатического заряда они связывают молекулы миозина в протофибриллы.

Рис. 7. Структура актомиозина.

 

Второй важнейший сократительный белок – актин (рис. 7). Он может существовать в трех формах: мономерной (глобулярной), димерной (глобулярной) и полимерной (фибриллярной). Мономерный глобулярный актин, когда его полипептидные цепи плотно уложены в компактную сферическую структуру, связан с АТФ. Расщепляя АТФ, мономеры актина – А, образуют димеры, включающие АДФ:A– АДФ –A. Полимерный фибриллярный актин – двойная спираль, состоящая из димеров, рис. 7.

Актин глобулярный переходит в фибриллярный в присутствии ионов К⁺, Мg⁺⁺и в живых мышцах преобладает фибриллярный актин.

В миофибриллах содержится значительное количество белка тропомиозина, который состоит из двух – α-спиральных полипептидных цепей. В покоящихся мышцах он образует комплекс с актином и блокирует его активные центры, поскольку актин способен связываться с ионами Са⁺⁺ они и снимают эту блокаду.

На молекулярном уровне толстые и тонкие протофибриллы саркомера взаимодействуют электростатически, так как имеют особые участки – выросты и выступы, где формируется заряд. На участке А-диска толстые протофибриллы построены из пучка продольно ориентированных молекул миозина, тонкие протофибриллы располагаются радиально вокруг толстых, образуя структуру, похожую на многожильный кабель. В центральной М-полосе толстых протофибрилл миозиновые молекулы соединены своими «хвостами», а их выступающие «головы» – выросты направлены в разные стороны и расположены по правильным спиральным линиям. Фактически напротив них в спиралях фибриллярного актина на определенном расстоянии друг от друга встроены мономерные глобулы актина тоже выступающие. В каждом выступе имеется активный центр, за счет которого возможно образование спаек с миозином.Z-мембраны саркомеров (как чередующиеся постаменты) скрепляют между собой тонкие протофибриллы.

Спасительный ресинтез.

Конкретно, преобразовать химическую энергию (ее свободную часть, которая – в фосфатных связях) в механическую – энергию движения (полета, бега и скольжения) может только АТФ. Она обеспечивает энергией процесс укорочения спайки, соответственно, сокращение мышцы в целом ( и еще поставляет энергию на образование ионов Са⁺⁺, участвующих в сокращении). Живая клетка постоянно поддерживает рабочую концентрацию АТФ на уровне примерно 0,25 %, в том числе и при интенсивной мышечной работе. Если (в случае нарушений в обмене) произойдет увеличение концентрации АТФ, то сократительная способность мышцы нарушится (она будет похожа на «тряпку»), если уменьшение – наступит ригор – состояние стойкого не проходящего сокращения («окаменение»). Рабочей концентрации АТФ хватает на секунду мощной работы (3 – 4 одиночных сокращения). Во время длительной мышечной деятельности, рабочая концентрация АТФ поддерживается за счет реакций по ее восстановлению. С цельюобеспечения нормальной (длительной) работы мышц в процессе обмена веществ АТФ восстанавливается с такой же скоростью, с какой она расщепляется.

Вспомним, что расщепление АТФ это реакция ферментативного гидролиза, и ее можно выразить уравнением:

Атф-аза + атф + н2о ———> адф + н3ро4

Энергию на ресинтез АТФ (она же потом выделится при расщеплении – около 40 кДж на 1 моль) необходимо получить за счет реакций, протекающих с высвобождением энергии (катаболических). Поэтому на клеточном уровне реакция гидролиза АТФ сопряжена с реакциями, обеспечивающими ресинтез АТФ. В ходе таких реакций образуются промежуточные макроэргические соединения, имеющие в своем составе фосфатную группу, которую вместе с запасом свободной энергии передают на АДФ. Такие реакции переноса (передачи «эстафетной палочки»), катализируемые ферментами фосфотрансферазами, называют реакциями трансфосфорилирования или перефосфорилирования. Макроэргические соединения, необходимые для ресинтеза АТФ, либо постоянно присутствуют, например, креатинфосфат (накапливается в симпласте), либо образуются (дифосфоглицериновая кислота, фосфопировиноградная кислота) в окислительных процессах (катаболических).

Ресинтез АТФ при мышечной деятельности может осуществляться двумя путями: за счет реакций без участия кислорода – анаэробных (когда кислородная доставка к мышцам не успевает или затруднена) и за счет окислительных процессов в клетках (с участием кислорода, которым мы дышим, и который спортсмен учащенно вдыхает при нагрузках, и в начальной фазе отдыха).

В скелетных мышцах человека выявлено три вида анаэробных процессов, в ходе которых осуществляется ресинтез АТФ:

- креатинфосфокиназная реакция (фосфогенный или алактатный анаэробный процесс), где ресинтез АТФ происходит за счет перефосфорилирования между креатинфосфатом и АДФ;

- гликолиз (лактацидный анаэробный процесс), где ресинтез АТФ осуществляется по ходу ферментативного анаэробного расщепления углеводов, заканчивающегося образованием молочной кислоты.

- миокиназная реакция, при которой ресинтез АТФ осуществляется за счет дефосфорилирования определенной части АДФ;

Для сравнения и количественной оценки процессов различных видов преобразования энергии при мышечной деятельности используют три основных критерия:

- критерий мощности – указываетскорость преобразования энергии в данном процессе (упражнении);

- критерий емкости – отражает общие запасы энергетических веществ (измеряется количеством освобождаемой энергии и выполненной работы);

- критерий эффективности – характеризует соотношение между энергией, затраченной на ресинтез АТФ, и общим количеством энергии, выделенной в ходе данного процесса (упражнения).

Процессы преобразования энергии, анаэробные и аэробный, различаются по мощности, емкости и эффективности. Анаэробные процессы преобладают при выполнении кратковременных упражнений высокой интенсивности, аэробные – при длительной работе умеренной интенсивности.

Состояние утомления.

Выполнение организмом напряженной или длительной работы, физической (жим штанги, вспашка огорода) или умственной (шахматный тур, компьютерное программирование) вызывает в обмене веществ изменения, организм их чувствует как утомление. Утомление – состояние нормальное (а не патологическое, как после допинга) для здорового организма и, главное, временное. «Автоматическое» снижение работоспособности в состоянии утомления выполняет защитную функцию для организма (особенно, неразумного). При выполнении физической работы интенсивной или длительной (а не ленивого поворачивания себя с боку на бок) во внутренней среде организма накапливаются продукты обмена мышечной деятельности, проявляются неблагоприятные биохимические и функциональные сдвиги. Из них наиболее заметные и симптоматичные для состояния утомления следующие:

1. Нарушение в работе ЦНС: уменьшение концентрации АТФ в нервных клетках и снижение скорости синтеза ацетилхолина в синапсах, замедление формирования и передачи двигательных импульсов к работающим мышцам, развитие факторов охранительного торможения.

2. Угнетение деятельности желез внутренней секреции: уменьшение выработки гормонов, снижение активности некоторых ферментов. В первую очередь снижается активность миофибриллярной АТФ-азы, отвечающей за образование спайки при преобразовании химической энергии в механическую работу. Снижение скорости расщепления АТФ автоматически уменьшает мощность миофибриллярной работы. Второй фактор – уменьшение активности ферментов аэробного окисления и нарушение нормального фосфорилирования. Организм вынужден поддерживать ресинтез АТФ до необходимого уровня за счет вторичного гликолиза (что ведет к закислению внутренней среды) и усиления распада белков (а это – причина повышенного содержания мочевины в крови).

3. Снижение и исчерпание запасов энергетических субстратов (креатинфосфата, гликогена), сопровождающееся накоплением продуктов распада (молочной кислоты, кетоновых тел). В этом случае наблюдается резкое изменение состава внутриклеточной среды, нарушение регуляции процессов энергообеспечения мышц, а также наблюдаются изменения в работе систем дыхания и кровообращения.

В целом утомление рассматривается как сложное многофакторное явление. В каждом конкретном случае первопричиной утомления и, соответственно, снижения работоспособности, является какое-либо «слабое звено» сложной биологической системы – живого организма. В зависимости от степени тренированности, режимов мышечной деятельности, а также от индивидуальных особенностей организма определяющей в развитии утомления становится та система организма, которая наименее «готова» и не выдерживает заданной нагрузки. Конкретно, какая система «подводит» и является главной причиной утомления, определяют на основе исследований: измерений нагрузки, расчета усилий, анализа затрат и выполненной работы. Результаты важны для оптимизации тренировочного процесса и выявления «слабого звена».

Установлено, что при мощной работе (интенсивной, кратковременной, когда в энергообеспечении превалирует КрФ-реакция) основной причиной утомления является возникновение охранительного торможения в центральной нервной системе (ЦНС), вызванное изменением соотношения АТФ/АДФ, снижением активности фермента миозиновой АТФ-азы (из-за накопившихся продуктов обмена). При работе относительно умеренной (с преобладанием гликолиза) и продолжительной (в аэробном режиме) причины утомления – исчерпание внутримышечных запасов гликогена, накопление продуктов неполного окисления жиров (кетоновые тела), снижение возбудимости мышц из-за выхода калия в межклеточное пространство.

Лекция № 1 Теория адаптации и спортивная тренировка

Человек, спортсмен он, бизнесмен, или музыкант, функционирует как биологическая система согласно законам природы.

В числе разнообразных видов человеческой деятельности спорт занимает особое место и является важной и неотъемлемой частью общечеловеческой культуры.

Если в древние времена занятия спортом основывались на опыте, интуиции, азарте соревнований, то современная научная теории постулирует, что объективной основой спорта является биологический закон адаптационных изменений.

Все живые организмы, по крайней мере, все известные на Земле, обладают жизненно необходимым качеством – приспособляемостью к воздействиям, точней, влияющим на них изменениям, происходящим в окружающей среде. Приспособляемость иначе способность к адаптации – универсальное свойство всех живых систем, позволяющее им выжить в постоянно изменяющихся условиях и эволюционировать. Не следует смешивать с привыканием, оно также свойственно живым объектам (многим, в том числе, двуногим), но является объективной основой проявления зависимостей, особенно негативных.

Суть явления адаптации живых организмов составляют изменения биохимических процессов иначе биохимические сдвиги обмена веществ, фактически индуцированные, то есть вызванные, изменениями условий окружающей (внешней или внутренней) среды. Как ответная реакция организма они направлены на установление нового физиологического состояния – гомеостатического равновесия, позволяющего человеку нормально функционировать уже в новых измененных условиях. Каждое новое состояние – это новый уровень приспособленности – адаптированности к изменившимся условиям, соответственно, уровень тренированности, согласно теории спорта.

Теория адаптационных изменений рассматривает изменение обмена веществ, вызванное спортивной физической нагрузкой как теоретическую биохимическую основу спортивной тренировки. В соответствии с теорией спорта тренировочный процесс это процесс направленной, сознательно управляемой адаптации организма к специфическим, то есть обусловленным особенностями определенного вида спорта, нагрузкам.

В отношении массовой физической культуры и спорта нагрузки обуславливаются функциональными задачами – укреплением здоровья, общего физического состояния, повышения уровня работоспособности, выносливости. Для большого спорта и спорта высших достижений нагрузки являются соревновательными, максимальными, часто на пределе человеческих возможностей.

В спорте ставятся разные цели и задачи в зависимости от уровня (охвата масс или личных амбиций). Массовая физическая культура и спорт направлены на поддержание физического состояния, как одной из основных составляющих здоровья каждого конкретного человека (каждого из «массы»), на оптимальном уровне. Определим оптимальный уровень как все то, что обеспечивает выживаемость в постоянно изменяющихся условиях, поддерживает высокий уровень работоспособности, и вообще, способствует положительным эволюционным изменениям биологического вида HomoSapiensи, разумеется, его прогрессивному развитию.

Цели большого спорта, спорта высоких достижений – теоретические – рекорды и расширение пределов физических, человеческих возможностей, практические – рекорды и победы – завоевание в честном, спортивном соревновании высоких призовых мест и наград, соответственно.

Согласитесь, что достижение целей спорта невозможно без знания и практического применения законов природы, которые изучают биология, физиология, анатомия, биохимия и другие науки. В этом плане знание теории адаптации и биохимических основ тренировки служит специфической (по аналогии с компьютерной) умственной базой теоретических данных, без которой невозможно формирование сознательного отношения к регулярным занятиям физической культурой всех тех, кого называют широкими массами населения. Для спортсменов, занятых в большом спорте – спорте высоких достижений, база теории адаптации и биохимических основ тренировки является необходимым минимумом, позволяющим от сознательного отношения к тренировочному процессу перейти к теоретически обоснованному подходу к нему, к научной организации спортивных тренировок.

Обобщим, и для личности спортсмена-профессионала и для спортсмена-любителя тренировка это процесс сознательно направленной адаптации организма к воздействию физических (и, или умственных) нагрузок, добровольно принимаемых на себя (в трезвом уме и твердой памяти). Результат тренировок – новый уровень тренированности и новое состояние организма спортсмена, которое определяют как спортивную форму (в данном случае имеется в виду не спортивная одежда, конечно).

Большинство специалистов в области теории спорта считают, что

- спортивная форма это строго индивидуальное адаптивное состояние организма, которое постоянно изменяется в процессе спортивного совершенствования;

- естественная, материальная основа спортивной формы это тренированность, как первичное состояние, формируемое в ходе спортивной тренировки.

Доктор педагогических наук Ц. Желязков (Национальная Академия спорта, София) подчеркивает, что «спортивная форма может формироваться как качественно новое состояние только и единственно на основе высокой степени тренированности».

Специалистами сделано следующее обобщение сути спортивной формы:

- состояние "спортивной формы" – закономерный результат тренировочных воздействий и связанных с этим адаптационных изменений в организме;

- тренировочные адаптационные изменения имеют фазовый характер, и характеризуются своими количественными и качественными параметрами;

- спортивная форма может возникнуть только при устойчивом состоянии общей и специальной работоспособности, определенном как тренированность организма;

- оба состояния – тренированность и спортивная форма - качественно различны, независимо от их общей природы;

- спортивная форма – не статичное, а развивающееся во времени состояние, которое наряду с общими чертами имеет и свою специфику для различных видов спорта;

- спортивная форма – главный постоянно действующий фактор для достижения высоких спортивных результатов».

Понятия тренированность и спортивная форма как состояния спортсмена имеют общую объективную основу, поскольку обусловлены появлением устойчивых адаптационных изменений в его организме, однако они не идентичны и в отношении степени оптимальной готовности к достижению высоких спортивных результатов рассматриваются как два качественно различных состояния организма.

В самой начальной стадии тренированности (состояние 1 – крайний правый товарищ на рис. 1) вряд ли можно говорить о наличии спортивной формы, как состояния обеспечивающего специфическую работоспособность в каком-то конкретном виде спорта (верней, спортивная форма равна нулю). Согласитесь, что достижение спортивных результатов, даже самых минимальных (этим нетренированным субъектом) – очень маловероятное событие, хотя, в общем, он работоспособен (считаем, что он не болен).

Рис. 1. Изменение тренированности и приобретение в ходе тренировочного процесса спортивной формы.

 

Оптимальное (с позиций результативности) состояние специфической работоспособности, в конкретном виде спорта, (состояние 5, рис 1) на основе высокой степени (ступень 5, рис. 1) тренированности – это необходимое условие для приобретения (а не покупки) спортивной формы, но недостаточное. Чтобы придти к состоянию наилучшей спортивной формы – готовности к высшему спортивному результату, кроме высокой степени тренированности, относительно стабильной составляющей формы, требуется оптимальное сочетание ряда биосоциальных параметров (включающих психоэмоциональные факторы, мотивацию и другие). Эти параметры лабильны – подвижны и привносятся из внешней среды. Кроме того, не следует забывать, что готовность – это еще не реальное достижение цели, она лишь создает максимальную вероятность (например, олимпийского рекорда). Д. Желязков пишет, «что чем выше квалификация спортсмена, тем меньше времени ему необходимо для перехода из состояния высокой тренированности в состояние спортивной формы».

В последние годы влияние биосоциальных параметров на состояние спортивной формы значительно усиливается. Коммерциализация спорта, аспекты престижности подвергают испытаниям нравственные, волевые и эмоциональные качества спортсменов. "Срывы" спортивной формы часто обусловлены стрессовым влиянием социальной среды. Даже относительно стабильная составляющая тренированность может одномоментно (и как раз в «неподходящий» момент – на соревнованиях) подвергаться психорегуляторному влиянию, то есть влиянию лабильной составляющей спортивной формы.

В то же время специалисты указывают на возрастающее «значение положительных эмоций, осознанной мотивации и предстартовой настройки спортсменов и умения тренера (достаточно часто его интуиции) направлять их самым правильным образом». Нельзя не согласиться с выводом, который делает доктор Ц. Желязков в своей статье «О сущности спортивной формы»: «главным критерием спортивной формы являются высокие и стабильные спортивные результаты, достигнутые в ответственных соревнованиях».

В целом комплекс качеств спортсмена: его индивидуальные и генетические особенности, личностные характеристики, приемы и методы тренировочного процесса, образ жизни и питание, социальные, психоэмоциональные и мотивационные аспекты подготовки составляют базис спортивной формы, пик которой, так необходим для достижения высших целей спорта – рекордов и медалей.