Знание основных путей энергообеспечения мышечной работы необходимо для понимания отличий и целесообразности разных физических нагрузок. Это не значит, что обязательно нужно разобраться в формулах и уравнениях взаимодействий и превращений веществ на всех этапах как анаэробного, так и аэробного гликолиза, окисления жирных кислот и аминокислот (хоть я и пытался в своё время).
Важно лишь общее представление о путях энергообеспечения под нагрузкой, их нюансах и особенностях – этим я и руководствовался при написании некоторых своих статей и заметок (например, заметка о многоповторке, некоторые поднятые вопросы в разделе вопросы-ответы и др.), в качестве теоретического обоснования некоторых практических моментов в тренировках.
И вот решил теперь написать отдельную теоретическую статью – что считаю важным именно в прикладном значении. Без этого минимума осознанный подход к тренировкам немыслим, на мой взгляд.
Оговорюсь, что я не могу ручаться за абсолютную корректность и научность, а также полноту предоставленной информации – я не биохимик.
С другой стороны, едва ли заинтересованный читатель найдёт где-то ещё такое упрощённое, последовательное и структурированное изложение биохимических основ энергетики при мышечной работе. Даже химических формул веществ и их превращений мне удалось избежать – надеюсь, это оценят читатели далёкие от химии и биологии, а без чего обойтись не удалось – в помощь словарик в конце статьи.
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ – катаболизм органических веществ (глюкозы, жирных кислот, аминокислот), в результате которого синтезируются высокоэнергетические соединения – АТФ и КФ, уже при катаболизме которых непосредственно освобождается энергия, используемая для мышечных сокращений (и вообще всеми клетками тела для жизнедеятельности и функционирования). Все реакции энергетического обмена катализируются и регулируются ферментами, и протекают с использованием энергии той же АТФ.
Окислительное фосфорилирование – механизм производства АТФ, в котором органические вещества (глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты и другие субстраты) расщепляются и превращаются с участием кислорода, с образованием большого количества АТФ и свободных фосфатов, а также тепла, углекислого газа и воды.
Окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях клетки, и это основной механизм энергообеспечения организма (в покое, при лёгкой физической работе и спортивных аэробных нагрузках).
На самом деле, или, точнее, как я понимаю, окислительное фосфорилирование – это завершающий этап в ряде окислительно-восстановительных реакций (последовательно: гликолиз – если субстрат глюкоза, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование), но иногда, в рамках упрощения, им обозначают аэробное производство энергии как таковое, что и я сделал, и буду иногда делать в дальнейшем.
Субстратное фосфорилирование – механизм производства АТФ путём быстрого восстановления за счёт прямого переноса фосфата с другого субстрата на АДФ. Этот механизм имеет место на некоторых промежуточных стадиях и этапах гликолиза (см. далее), а главное, является единственным способом энергообеспечения кратковременных максимальных мышечных усилий – с участием КФ (креатинфосфата) в качестве донатора фосфата. Это, например, подъём максимального веса для 1-5 повторений в подходе или спринт на 60-100 метров.
Также мгновенный ресинтез АТФ за счёт КФ имеет место при переходе от покоя к движению, а уже потом, с некоторой задержкой, происходит дифференциация на тип энергообеспечения в соответствии с интенсивностью мышечных сокращений (аэробный или анаэробный гликолиз).
Гликолиз – расщепление глюкозы (основного источника энергии в организме человека), может получать развитие в двух направлениях:
- анаэробный гликолиз – происходящий только во внутриклеточной жидкости и заканчивающийся образованием АТФ и молочной кислоты;
- аэробный гликолиз – тоже начинающийся во внутриклеточной жидкости, но минующий образование молочной кислоты, и заканчивающийся окислительным фосфорилированием в митохондриях клетки, с образованием АТФ, углекислого газа и воды (которые без проблем выводятся из клетки).
Высокоинтенсивные мышечные сокращения обеспечивает анаэробный гликолиз, но он лимитирован быстрым накоплением молочной кислоты внутри клетки и истощением её запасов глюкозы и гликогена (в отличие от аэробного гликолиза, в процессе анаэробного глюкоза не может поступать в клетку из крови). Примером такой нагрузки будет бег на 200-400 метров или подход упражнения с отягощением, состоящий из 10-50 и более повторений до отказа мышц.
Аэробный гликолиз может являться продолжением анаэробного – осуществляясь при поступлении достаточного количества кислорода и частично доокисляя образовавшуюся от анаэробного гликолиза молочную кислоту уже в митохондриях (это происходит всегда между подходами упражнений выполняемых в анаэробном режиме – иначе невозможно было бы делать несколько подходов в упражнении).
А анаэробный гликолиз, как и субстратное фосфорилирование, может иметь место первое время даже при низкоинтенсивной мышечной работе, пока не «раскочегарится» аэробное окисление.
Гликогенолиз – расщепление гликогена (как внутримышечного, так и в печени) до глюкозы, с последующим её гликолизом. Запускается при длительной мышечной работе любой интенсивности (гликоген – компактный запас связанной глюкозы в организме). Распад гликогена печени с выходом глюкозы в кровь инициируется симпатическими гормонами (глюкагон, адреналин и норадреналин, и др.).
ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Жирные кислоты могут быть субстратом только для окислительного фосфорилирования, т. е. их участие в энергетических процессах возможно только в аэробных условиях (в отличие от глюкозы – анаэробный гликолиз). Жирные кислоты, находящиеся во внутриклеточной жидкости, с участием витаминоподобного вещества карнитина, проникают в митохондрии, где в ряде химических превращений преобразуется в энергию в виде АТФ и фосфатов (а также тепло, углекислый газ и воду).
Гликогенолиз – расщепление гликогена (как внутримышечного, так и в печени) до глюкозы, с последующим её гликолизом. Запускается при длительной мышечной работе любой интенсивности (гликоген – компактный запас связанной глюкозы в организме). Распад гликогена печени с выходом глюкозы в кровь инициируется симпатическими гормонами (глюкагон, адреналин и норадреналин, и др.).
ОКИСЛЕНИЕ ЖИРНЫХ КИСЛОТ
Жирные кислоты могут быть субстратом только для окислительного фосфорилирования, т. е. их участие в энергетических процессах возможно только в аэробных условиях (в отличие от глюкозы – анаэробный гликолиз). Жирные кислоты, находящиеся во внутриклеточной жидкости, с участием витаминоподобного вещества карнитина, проникают в митохондрии, где в ряде химических превращений преобразуется в энергию в виде АТФ и фосфатов (а также тепло, углекислый газ и воду).
Окисление жирных кислот очень эффективный способ получения энергии, в плане количества получаемой энергии на единицу окисляемого субстрата, но и очень медленный, и требующий поступления даже большего количества кислорода, чем аэробный гликолиз.
Поэтому окисление жирных кислот является основным способом энергоснабжения в условиях покоя или совсем лёгкой физической активности (типа спокойной ходьбы), когда энергии надо не много и не быстро, а при возрастании двигательной активности и её интенсивности энергообеспечение переключается в основном на глюкозу.
Тем не менее, окисление жирных кислот для обеспечения мышечных сокращений становится возможным в условиях продолжительной аэробной мышечной работы и повышенной интенсивности – на фоне истощения запасов глюкозы и гликогена (например, медленный бег после 10й-20й минуты). При этом, на фоне действия гормонов симпатической нервной системы, становится возможно также расщепление жира в жировых депо, выход жирных кислот в кровь и их транспортировка в мышечные клетки для последующего окисления.
Использованию жирных кислот как субстрата для окислительного фосфорилирования при соответствующих физических нагрузках (где они могут быть использованы – а это только аэробные и смешанные аэробно-анаэробные), способствует и диета с дефицитом калорий, тренировки натощак, аэробная нагрузка сразу после короткой и умеренной анаэробной (всё это способствует пониженному запасу гликогена перед началом аэробной нагрузки, и, как следствие, более быстрому началу использования жирных кислот), воздержание от пищи в течение получаса-часа после тренировки (чтобы жирные кислоты, которые оказались в крови во время тренировки, были использованы в энергетических процессах и сразу после неё, а не вернулись в жировые депо).
ОКИСЛЕНИЕ АМИНОКИСЛОТ
При нехватке глюкозы и жирных кислот субстратом для окислительного фосфорилирования могут быть и аминокислоты, поступая как из крови, так и вследствие частичного разрушения самого сократительного белка клетки и других внутриклеточных белковых структур.
Также, при избытке аминокислот в крови, может происходить их превращение в глюкозу (глюконеогенез в печени) с последующим использованием по назначению (но это не значит, что можно питаться только белком, исключив углеводы и/или жиры, – это абсолютно антифизиологично, а избыток белка также вреден, как и его недостаток).
Потеря мышц обычно связана с голоданием – когда из-за нехватки энергии разрушаются мышечные белки, и освободившиеся аминокислоты активно используются в энергетических процессах.
Также разрушение мышц связано с высокоинтенсивными (анаэробными) мышечными сокращениями, поэтому диета с дефицитом калорий и силовые тренировки плохо сочетаются друг с другом – получается двойной фактор катаболизма мышц, и ни одного их восстановления, что приводит к значительным потерям мышечной массы.
Тем не менее, высокоинтенсивные силовые нагрузки возможны и на «сушке» (точнее, именно на сушке, а не просто при похудении, они необходимы, чтобы был фактор сохранения ранее набранных мышц), но они должны быть чисто поддерживающими для силовых показателей, т. е. сильно сокращены по объёму и частоте, по сравнению с периодом наращивания мышц.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ТЕРМИНЫ
Даже при таком крайнем упрощении не обошлось без некоторых терминов и обозначений химических веществ, поэтому этот словарик.
АДФ – аденозиндифосфорная кислота, предшественник АТФ, молекула состоит из азотистого основания – аденина, сахара – рибозы, и двух остатков фосфорной кислоты.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, то же что и АДФ, но с тремя остатками фосфорной кислоты. Непосредственный высокоэнергетический субстрат, распад которого, за счёт богатых энергией фосфатных связей, обеспечивает энергией все клеточные функции.
Интенсивность нагрузки – под высокоинтенсивными мышечными сокращениями я имел в виду превышение порога аэробного энергообеспечения. Аэробные нагрузки – низкоинтенсивные, анаэробные – высокоинтенсивные.
Это уместно в контексте упрощённого изложения механизмов энергообеспечения – когда неважно то, что, конечно, и в рамках аэробных нагрузок есть свой диапазон интенсивности (например, ходьба и медленный бег – аэробные нагрузки разной интенсивности), и в рамках анаэробных (высокоинтенсивные – большие веса и малое число повторений, низкоинтенсивные – малые веса и большое число повторений, к тому же ещё и степень отказа – есть прямой отказ, а есть кумулятивный, и в последнем случае, ещё и с малыми весами, это может быть вообще смешанная анаэробно-аэробная нагрузка). Обо всём этом подробно – здесь.
Катаболизм – распад, расщепление.
КФ – креатинфосфат, соответственно, креатин + фосфат, высокоэнергетический субстрат служащий для быстрого ресинтеза АТФ за счёт переноса фосфата на АДФ.
И да, если кто-то подумал – принимая экзогенный креатин в виде пищевой добавки, мы пытаемся увеличить концентрацию транспортёров фосфатов, для быстрого ресинтеза АТФ, но для этого креатин должен ещё попасть внутрь клетки и там фосфорилироваться до этого самого креатинфосфата (поэтому, возможно, не всё так однозначно с эффективностью креатина для разных людей, а также в разных условиях, схемах и способах приёма).
Митохондрии – органоиды клетки, в которых осуществляются процессы цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.
Окислительно-восстановительные реакции – реакции энергетического обмена (гликолиза, цикла Кребса, окислительного фосфорилирования), заключающиеся во взаимодействиях и превращениях веществ, посредством присоединения/отщепления электронов, атомов водорода и кислорода.
Субстрат – исходное вещество в тех или иных окислительно-восстановительных реакциях, в результате которых оно преобразуется в один или несколько конечных продуктов (которые, в свою очередь, могут быть действительно конечными продуктами или субстратами для других реакций и превращений).
Фосфорилирование – присоединение молекулы фосфорной кислоты.
Также читайте статью о нейрогуморальной регуляции, в прикладном значении для осознанных спортивных тренировок.
Автор: Dr. Podval’nyj Kachok