Особенности биоэнергетики растущего организма

Течение энергетических процессов определяется направленностью метаболизма, потребностью тканей в энергии и характером питания. Энергозатраты растущего организма имеют определенную направленность. После рождения энергия расходуется на основной обмен и интенсивный рост ребенка. Основной обмен – это минимальные затраты энергии в состоянии покоя, до приема пищи, при нормальной температуре тела и окружающей среды, необходимые для поддержания основных функций систем жизнеобеспечения организма. Эти затраты энергии у детей в расчете на кг массы тела выше, по сравнению со взрослыми людьми. Реальные затраты энергии у растущего организма значительно превышают основной обмен в связи с интенсивным синтезом белков, нуклеиновых кислот, с повышенной двигательной активностью, а также в связи с большими теплопотерями, обусловленными несовершенством процессов терморегуляции и бόльшей удельной поверхностью тела (отношением поверхности тела к его массе). Так, у детей 4-6 лет расход энергии на кг массы тела в два раза выше, чем у взрослых. Суточный расход энергии с возрастом значительно увеличивается, причем у мальчиков обычно в большей мере, чем у девочек.

Согласно данным Санкт-Петербургского НИИ физической культуры, суточные энергозатраты учащихся обычных школ составили: для учащихся 7-10 лет - 2400 ккал, 11-13 лет - 1850 ккал, 14-17 лет - 3150 ккал для юношей и 2750 ккал - для девушек.

Для воспитанников спортивных школ: 3619 ± 475 ккал (лыжные гонки) и 4173 ± 186 ккал (академическая гребля).

Высокий уровень энергозатрат растущего организма обеспечивается, в первую очередь, интенсивно протекающими процессами аэробного окисления - тканевого дыхания. Это отражается в более высоком, чем у взрослых, потреблении кислорода на кг веса тела. Потребление кислорода в покое у 10-летнего ребенка составляет около 6,0 мл/кг·мин, а у 16-летнего юноши - в среднем 4,7 мл/кг·мин, в то время как у взрослых эта величина равна 3-4 мл/кг·мин.

Общее же количество потребляемого кислорода за единицу времени у взрослых выше из-за бόльшего веса.

Повышенное потребление кислорода на кг массы у детей обеспечивается напряжением дыхательной и сердечно-сосудистой систем. При этом все системы организма, участвующие в потреблении, транспорте и использовании клетками кислорода, имеют у детей и подростков более низкий уровень развития, по сравнению с взрослыми.

В детском возрасте ниже кислородная емкость крови, что обусловлено пониженным содержанием гемоглобина в крови. Относительное содержания его у детей ниже, но к 12-14 годам это содержание может соответствовать нижней границе взрослого организма. Возможности тканевого дыхания ограничены также из-за пониженного содержания мышечного белка миоглобина, участвующего в транспорте кислорода из крови в митохондрии клеток. Кроме того, растущий организм отличается меньшими энергетическими запасами, доступными для использования (гликогенными, жировыми, белковыми). Все метаболические процессы, протекающие в организме, осуществляются при участии ферментов. У детей количество и активность ферментов тканевого дыхания существенно ниже, по сравнению с взрослыми.

Еще одним фактором, ограничивающим тканевое дыхание у растущего организма, является высокая степень разобщения переноса электронов в дыхательной цепи с реакцией фосфорилирования, что приводит к увеличению теплопотерь организма и к снижению выработки АТФ.

Аэробный путь ресинтеза АТФ в упрощенном виде может быть представлен схемой:

Чаще всего окисляемыми веществами являются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК). Данный цикл является завершающим этапом катаболизма, в ходе которого происходит окисление углеводов, жиров, белков через ацетил - КоА (в присутствии кислорода) до конечных продуктов окисления СО₂ и Н₂О.

Основным показателем, характеризующим возможности тканевого дыхания, является МПК (максимальное потребление кислорода). У детей этот показатель ниже, чем у взрослых. Даже у юношей МПК ниже, чем у взрослых.

На более низком уровне, чем у взрослых, находятся и анаэробные пути ресинтеза АТФ. Метаболическая емкость, время поддержания максимальной мощности анаэробных способов энергообеспечения, особенно у детей и подростков, значительно уступают взрослым.

Одним из анаэробных путей образования АТФ является креатинфосфатная реакция, протекающая согласно уравнению:

 

КрФ + АДФ Кр + АТФ

Креатинфосфат Креатин

 

Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ является обратимой реакцией, но ее равновесие уже в начале любой работы смещено в сторону образования АТФ. Данная реакция может включаться в энергообеспечение неоднократно, по ходу выполнения физических нагрузок, если меняется характер работы (скорость, мощность и т.д.). Оценивают запасы КрФ в мышцах по креатининовому коэффициенту - количеству креатинина, выделенного с мочой за сутки в расчете на кг массы тела. Этот коэффициент у взрослых мужчин составляет 18-32 мг/сутки·кг, у женщин – 10-25 мг/сутки·кг, у детей – значительно ниже.

У растущего организма также ниже содержание и активность фермента креатинкиназы, катализирующего креатинфосфатную реакцию, что тоже ограничивает мощность данного анаэробного пути ресинтеза АТФ.

С возрастом, с увеличением мышечной массы возможности энергообеспечения за счет креатинфосфатного ресинтеза АТФ возрастают. Особенно усиленно развиваются возможности данной реакции в возрасте 15-17 лет.

Еще одним анаэробным способом выработки АТФ является гликолитический путь ресинтеза (гликолиз, лактатный). Этот процесс представставляет собой анаэробный распад мышечного гликогена до молочной кислоты (лактат) без участия митохондрий и без потребления кислорода и является дополнительным способом получения энергии, особенно при выполнении интенсивных нагрузок.

Итоговое уравнение гликолиза:

(С₆Н₁₀О₅)_n + 3 АДФ + 3Н₃PО₄ → (C₆H₁₀O₅)_n-1 + 2C₃H₆O₃ + 3 АТФ + 2 Н₂О

Гликоген Укороченный Лактат

гликоген

У детей возможности гликолитического (лактатного) анаэробного энергообеспечения низкие, что объясняется пониженным содержанием мышечного гликогена, меньшей активностью ферментов гликолиза и, особенно, низкой устойчивостью детского организма к повышению кислотности вследствие образования и накопления лактата.

Источником лактата может быть и глюкоза, поступающая в мышцы из крови.

Все основные критерии, характеризующие гликолитический путь ресинтеза АТФ (мощности, емкости и времени поддержания максимальной мощности), у детей, подростков и даже юношей имеют более низкие величины, по сравнению с взрослыми. Данный путь энергообеспечения медленнее выходит на максимальную мощность, имеет более низкую ее величину. Вклад гликолиза в энергообеспечение оценивают по возрастанию уровня лактата в крови после нагрузки (∆С лактата), по выделению лактата с мочой и по величине лактатного кислородного долга.

У спортсменов с хорошей физической подготовкой величины лактатного кислородного долга могут достигать 18-20 л. У детей и подростков даже при выполнении физических нагрузок на уровне индивидуальных рекордов эта величина значительно ниже.

К концу подросткового периода, особенно юношеского, повышаются как аэробные, так и анаэробные механизмы энергообеспечения и работоспособности.