Текст книги "Биохимия в практике спорта"

Автор книги: Иван Лапшин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 3 страниц)

Креатинин. Суточное выделение его с мочой относительно постоянно для человека и зависит от мышечной массы его тела. По содержанию креатинина в моче можно косвенно оценить скорость креатинфосфокиназной реакции, а также содержание мышечной массы тела.

Степень выраженности срочных и отставленных постнагрузочных изменений состава мочи отражает преимущественно индивидуальную реакцию системы мочевыделения на физические нагрузки.

2.3. Биохимия скоростно-силовых качеств

Тренировочные занятия, направленные на развитие силы, мощности или скорости, оказывает незначительное влияние (или не оказывает вообще) на аэробные возможности и вызывают относительно небольшие адаптационные изменения в сердечно-сосудистой системе. Это находится в соответствии с принципом специфичности спортивной тренировки. Относительно кратковременные физические нагрузки с отягощениями либо спринт, которые требуют проявления высокого уровня анаэробного метаболизма, вызывают специфические изменения в немедленной (АТФ и КФ) и короткоотставленной (гликолиз) системах энергообеспечения, улучшают спринтерские способности. К гликолизу относится увеличение максимальной мощности мышечных сокращений, количества производимой за короткий промежуток времени интенсивной работы, а также увеличение продолжительности выполнения высокоинтенсивных физических упражнений (скоростной выносливости).

Один из существенных моментов, определяющих мышечную силу, – режим работы мышц:

– преодолевающий режим работы – при преодолении внешнего сопротивления мышцы сокращаются и укорачиваются;

– уступающий режим – мышцы при напряжении удлиняются;

– статический (изометрический).

Преодолевающий и уступающий режимы объединяются понятием динамического режима. Вместе с тем очень часто возникает ситуация, когда человеку приходится проявлять силу без изменения длины мышц. Такой режим их работы называется изометрическим или статическим. Наибольшую силу мышцы проявляют в статическом режиме, хотя в целом для организма этот режим оказывается самым неблагоприятным.

Сила, развиваемая мышцей, в основном зависит:

1) от ее физиологического поперечника;

2) активирующего влияния со стороны ЦНС;

3) соотношения в ней двух основных типов волокон: сильных и быстрых – белых (тип II), выносливых и медленных – красных (тип I);

4) от внешних биомеханических условий (например, от показателей телосложения, индивидуальных особенностей техники выполнения упражнений), а также от некоторых других внешних и внутренних особенностей.

Анаэробные возможности можно оценить непрямым стендовым способом. Определяется величина кислородного долга после бега на «бегущей дорожке» до отказа. Спринтерская тренировка способствует увеличению анаэробных возможностей. Кратковременная высокоинтенсивная тренировка оказывает незначительное влияние (или совсем не оказывает влияния) на композиционный состав мышечных волокон.

Исследования мышц спортсменов, занимавшихся силовыми видами спорта, показало, что мышечных волокон у них было не больше, чем у нетренированных лиц.

Анализ мышечных биоптатов, полученных до и после тренировки с отягощениями, которая способствовала увеличению мышечной силы, показал увеличение внутримышечной концентрации АТФ, КФ и гликогена. Показатели концентраций в мышечных образцах отражают относительное их увеличение в волокнах типа II. Согласно имеющимся данным, эти волокна в состоянии покоя имеют более высокие концентрации фосфагена и гликогена по сравнению с волокнами типа I. После такого типа тренировки запасы мышечного гликогена повышались, что не удивительно, поскольку гликоген служит важным энергетическим источником, используемым при повторных выполнениях спринтерских упражнений.

В случае, когда в результате спринтерской тренировки беговые спринтерские возможности улучшались, это сопровождалось увеличением обращаемости АТФ благодаря повышению вклада анаэробного гликолиза в энергообеспечение. Количество и активность ферментов, задействованных в гликолитическом пути (например, фосфофруктокиназа), постоянно проявляют тенденцию к возрастанию под влиянием как спринтерской, так и силовой тренировки с наиболее выраженными изменениями в волокнах типа II. Однако степень этих изменений не столь велика, как в отношении окислительных ферментов при аэробной тренировке, направленной на развитие выносливости. Активность ЛДГ у тяжелоатлетов высокой квалификации в волокнах типа II была на 62 %, а в волокнах типа I – на 50 % выше по сравнению с мужчинами, ведущими малоподвижный образ жизни (Р. Мохан, 2001).

Различий в миокиназной активности в волокнах типа I между тяжелоатлетами и испытуемыми контрольной группы отмечено не было, тогда как в волокнах типа II у первых она оказалась на 40 % выше.

В отношении изменений, касающихся аэробных (митохондриальных) ферментов, отмечается значительная гипертрофия волокон, в которых происходит снижение активности окислительных энзимов и цитохромов, связанное с увеличением площади поперечного сечения мышечных клеток (преимущественно волокон типа II), без адаптивного повышения количества митохондрий. У тренирующихся в видах спорта, требующих проявления силовых возможностей, количество капилляров может оставаться неизменным за счет большей их поверхности, которая обусловливает снижение капиллярной плотности, приходящейся на единицу площади сечения.

Под влиянием тренировочных занятий анаэробной направленности при выполнении физических упражнений максимальной интенсивности концентрация лактата в крови достигает более высоких значений с более высоким содержанием внутримышечного гликогена и ферментов гликолиза. Напряженная тренировка требует значительной мотивации и толерантности к болевым ощущениям, возникающим в результате метаболического ацидоза из-за повышения уровня лактата в крови.

Повышение способности мышц к буферированию протонов, накапливающихся в связи с накоплением лактата, имеет немаловажное значение. Волокна типа II характеризуются высокими буферными возможностями, поэтому их увеличение по сравнению с волокнами типа I указывает на повышение этой способности. Значительное увеличение в мышцах физико-химического буферирования после выполнения тренировочных программ (если буферная способность рассчитывается на основании показателей рН и содержания лактата), определяемое после физической нагрузки, под влиянием спринтерской тренировки возрастает.

Повышение мышечной силы в течение первых нескольких недель тренировочных занятий, направленных на развитие силовых возможностей, способствует нейтральному «растормаживанию», приводящему к полной активации двигательных единиц и мышечных групп. Первоначальный быстрый прирост силы, отмечаемый на первых этапах тренировочного процесса, оказывается не связанным с увеличением размеров мышц и площади их физиологического поперечника.

Более продолжительная и напряженная тренировочная программа, направленная на развитие силовых возможностей, приводит к гипертрофии мышц и дальнейшему приросту их силы. Последний эффект весьма важен, поскольку в работающих мышцах он способствует снижению доли проявления их максимальной сократительной активности при физической нагрузке. Увеличение мышечной массы означает, что большее количество мышечной ткани задействовано в выполнении работы, в результате которой повышаются предельная мощность и общая энергопродукция анаэробных систем.

Метаболические изменения, происходящие в организме под влиянием аэробной тренировки, направленной на развитие выносливости, достаточно широко изучены в лабораторных условиях. Следует учитывать, что эти эффекты специфичны для мышц, задействованных в реализации тренировочной программы, особенно для отдельных типов мышечных волокон, рекрутированных в выполнение физических упражнений.

Вполне очевидно, что очень высокоинтенсивные тренировочные занятия требуют активации волокон типа IIб.

Адаптация мышц к силовой тренировке происходит при следующих изменениях:

Гипертрофия мышечных волокон.

Увеличение площади анатомического поперечника.

Повышение содержания КФ и гликогена.

Повышение гликолитической способности.

Улучшение буферных свойств мышц.

Снижение (оптимальное) митохондриальной плотности.

Повышение способности к выполнению физических упражнений высокой интенсивности.

2.4. Биохимия выносливости

Значительные тренировочные воздействия, включающие выполнение физических упражнений на уровне 50–80 % максимального потребления кислорода (VO₂max) в течение длительного периода, несколько раз в неделю, вызывают в организме адаптационные изменения, улучшающие функциональные возможности, связанные с доставкой кислорода, его поступлением в ткани и утилизацией.

Возможность поддерживать выполнение пролонгированных физических упражнений зависит от соответствия скорости утилизации АТФ скорости его ресинтеза в активных мышечных волокнах. Отсутствие такого соответствия приводит к развитию утомления, скорость утилизации АТФ начинает снижаться, и, следовательно, снижается и мощность выполняемой работы.

Во время любого физического упражнения, продолжающегося больше нескольких минут, основным путем ресинтеза АТФ является окислительное фосфорилирование в митохондриях, утилизирующих в качестве энергетического топлива углеводы и липиды.

Адаптация мышц к тренировке, направленной на развитие выносливости, включает следующие позиции:

– избирательную гипертрофию волокон I типа;

– увеличение количества капилляров, приходящихся на одно волокно;

– увеличение содержания миоглобина;

– повышение способности митохондрий к окислительному ресинтезу АТФ;

– увеличение размеров и количества митохондрий;

– повышение способности к окислению липидов и углеводов;

– увеличение использования липидов как энергетического топлива;

– увеличение содержания гликогена и триглицеридов.

Адаптация требует адекватного обеспечения кислородом, доставляемым кровью, и наличия определенного количества энергетических источников. Последние могут извлекаться из запасов, которые находятся в самих мышечных волокнах (гликоген и триглицериды), а также из циркулирующей крови (глюкоза и свободные жирные кислоты). Нарушение ресинтеза АТФ может произойти в случае, когда истощаются запасы внутримышечных энергетических источников или когда падение эффективности кровоснабжения мышц приводит к снижению доставки к ним энергетических субстратов и кислорода. Систематическое выполнение физических упражнений, направленных на развитие выносливости, вызывает мышечную и сердечно-сосудистую адаптацию, которая влияет на эти процессы и таким образом преобладающе воздействует на обеспечение энергетическим топливом и кислородом. Такая адаптация модифицирует и улучшает регуляцию метаболизма в отдельных мышечных волокнах.

Композиционный состав мышечных волокон

У спортсменов высокой квалификации – представителей видов спорта, связанных с преимущественным проявлением выносливости, доминируют волокна типа I.

Однако в мышцах ведущих бегунов преобладает не только количество волокон типа I. Площадь поперечного сечения отдельных волокон этого типа также оказывается больше примерно на 30 %.

Тренировка, направленная на развитие выносливости, влияет на размер отдельных мышечных волокон, вызывая избирательную гипертрофию волокон типа I, а также может выраженно изменять их окислительную способность. Тренировка способна также сильно повлиять на функциональные и метаболические свойства мышц и компонентный состав их волокон. Под влиянием перекрестной иннервации или пролонгированной электростимуляции может происходить трансформация типов мышечных волокон. Интенсивная интервальная тренировка, как и тренировка, направленная на развитие выносливости, вызывает изменение композиционного состава мышечных волокон. Доказано, что реализация относительно умеренных тренировочных программ может способствовать заметному изменению композиционного состава мышц у человека.

Во многих исследованиях, в которых сообщалось об изменениях композиционного состава мышечных волокон в мышцах под влиянием тренировки, не придавалось значения возможным изменениям в различных типах волокон. Но обнаружилось, что после 15 недель высокоинтенсивной интервальной тренировки увеличиваются пропорции волокон типа I и снижаются пропорции волокон типа II без изменений содержания волокна подтипа IIа, при этом площадь поперечного сечения волокон типа I и подтипа IIб возрастала. Мышечные волокна могут расти в диаметре до определенного предела.

Плотность капилляров в мышцах

Тренировка способствует увеличению капиллярной плотности в скелетных мышцах, выражаемой количеством капилляров, приходящихся на одно волокно или на единицу площади поперечного сечения. Капиллярное ложе мышцы играет важную роль в обеспечении поверхности, через которую происходит обмен между мышцей и кровью. Мышечные волокна становятся более доступными для снабжения кровью увеличенным количеством капилляров. Повышение капиллярной плотности создает возможность возрастания скорости доставки кислорода, питательных веществ и удаления конечных продуктов метаболизма.

Повышение капилляризации способствует снижению скорости тока крови через капилляры при одной и той же общей скорости кровотока через ткань, что увеличивает время диффузии для кислорода, поскольку каждый эритроцит дольше находится в капилляре. Если время транспорта эритроцита через капилляр составляет менее одной секунды, то скорости транспорта снижается. Повышение плотности капилляров позволяет тренированным мышцам поддерживать более продолжительное время перенос кислорода, в связи с чем достигается более высокая экстракция его даже тогда, когда скорость общего мышечного кровотока по сравнению с нетренированным состоянием возрастает. Все это начинает происходить уже в течение первых недель тренировки. Плотность мышечных капилляров проявляет тенденцию к прогрессивному увеличению в процессе тренировочных воздействий. При прекращении тренировок отмечается исчезновение эффекта замедления скорости кровотока в капиллярах.

Содержание миоглобина в мышцах

Под влиянием тренировки содержание миоглобина в мышцах может возрастать, следовательно, потенциальная возможность мышечного волокна, находящегося в неактивном состоянии, к запасанию кислорода увеличивается. При этом повышения содержания миоглобина в скелетных мышцах не наблюдается, оно может даже снизиться. При очень значительных нагрузках концентрация миоглобина в крови повышается, и он может преодолевать почечный барьер и определяться в моче.

Запасы внутримышечных энергетических источников

У хорошо тренированных лиц в состоянии покоя обнаруживается более высокое содержание гликогена (примерно в 2,5 раза по сравнению с нетренированным состоянием). Увеличение запасов гликогена может быть обусловлено, в частности, повышением чувствительности к инсулину, что происходит в результате тренировки. Активность гликогенсинтетазы (общей и инсулинзависимой) повышается под влиянием регулярной физической нагрузки, возрастает и активность ферментов, имеющих отношение к распаду гликогена (фосфорилаза). Воздействие инсулина может повысить доставку кислорода к тренированным мышцам. Это позволяет предположить, что в тренированных мышцах развита повышенная способность к запасанию глюкозы в виде гликогена. Более высокое содержание мышечного гликогена у тренированных лиц может отражать феномен гликогеновой суперкомпенсации.

В тренировочном процессе увеличивается также доступность и липидного субстрата, что обеспечивает временной промежуток для восполнения внутримышечных запасов энергетики после предшествующей тренировочной нагрузки.

Гликолитические возможности

Значительно ниже влияние тренировочных занятий, направленных на развитие выносливости, на развитие гликолитических возможностей, по сравнению с влиянием на аэробную способность. Содержание ферментов гликолиза в мышцах спортсменов, тренирующихся в видах спорта, требующих проявления выносливости, обычно низкое, это можно объяснить преобладанием в них процентного содержания волокон I типа, характеризующихся низкой гликолитической способностью по сравнению с волокнами типа II.

Плотность митохондрий в мышцах и окислительная активность ферментов

В тренированных мышцах митохондрии характеризуются значительно более высокой способностью к окислительному ресинтезу АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Окислительный потенциал скелетных мышц повышен за счет увеличения размера, количества митохондрий, приходящихся на единицу площади мышечной ткани, и площади поверхности митохондриальной мембраны. Взаимосвязано это с двукратным увеличением активности ферментов ЦТК (цикл лимонной кислоты, цикл Кребса) и количества компонентов электрон-транспортной цепи. В среднем размеры митохондрий скелетных мышц у выносливых спортсменов на 14–40 % больше по сравнению с нетренированными. Эта специфическая особенность проявляется только в волокнах, задействованных в выполнении тренировочного упражнения.

Активность отдельных ферментов изменяется в разной степени: активность ферментов ЦТК, содержание цитохрома возрастает, что обусловливает большую способность ЦТК и электрон-транспортной цепи генерировать АТФ в присутствии кислорода.

Дифференцированные изменения в метаболических характеристиках различных типов мышечных волокон могут быть обусловлены различиями в направленности спортивной тренировки. Интервальная тренировка с использованием физических нагрузок максимальной интенсивности либо выполнение длительных физических упражнений субмаксимальной аэробной мощности приводят к увеличению в мышцах активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ). Для повышения способности к проявлению выносливости важным является изменение окислительной активности ферментов в волокнах типа II.

Метаболический ответ на напряженную физическую нагрузку, направленную на развитие выносливости:

– незначительное увеличение в плазме концентрации свободных жирных кислот (СЖК);

– снижение скорости утилизации мышечного гликогена;

– снижение утилизации глюкозы крови мышцами;

– незначительное накопление в мышцах лактата;

– более высокое окисление липидов по сравнению с углеводами;

– повышенная утилизация внутримышечных триглицеридов.

Происходит это благодаря повышению капиллярной плотности в мышцах, позволяющему большей площади поверхности захватывать СЖК из крови, а также в связи с увеличением активности липидмобилизующих и липидметаболизующих ферментов. Главный эффект происходящего в мышцах под влиянием тренировки состоит в увеличении вклада энзиматических изменений липидов и, соответственно, снижении вклада углеводов в окислительный энергетический метаболизм (ресинтез АТФ) при выполнении физических упражнений субмаксимальной аэробной мощности.

Снижение скорости окисления углеводов у тренированных лиц, во время выполнения физического упражнения взаимосвязано со снижением скорости продукции лактата. Снижение захвата и утилизации глюкозы крови мышцами понижает также степень гликогенолиза в печени и обеспечивает лучшее поддержание гомеостаза глюкозы в крови во время выполнения длительных физических нагрузок.

При выполнении физических упражнений субмаксимальной аэробной мощности концентрация лактата у тренированных спортсменов ниже, чем у нетренированных лиц. Это утверждение справедливо независимо от того, выражается интенсивность выполнения физического упражнения в абсолютных или относительных величинах. Скорость глюконеогенеза в печени во время выполнения физического упражнения под влиянием тренировки становится ниже.

Эти два важных эффекта – снижение скорости окисления углеводов и снижение скорости продукции лактата – способствуют сохранению ограниченного углеводного резерва в организме, поскольку скорость утилизации мышечного гликогена под влиянием тренировки становится ниже. В связи с установлением тесной взаимосвязи между наличием мышечного гликогена и способностью к проявлению выносливости, снижение скорости утилизации гликогена следует рассматривать в качестве главного фактора, способствующего повышению физической работоспособности в соответствующих видах спорта. Изменения в использовании субстратов, происходящие под влиянием тренировки, происходят с повышением функциональных возможностей митохондрий.

Снижение скорости гликогенолиза и гликолиза в тренированных мышцах, по сравнению с нетренированными, происходит за счет менее выраженного возрастания внутримышечной концентрации АМФ и Ф_н.

Происходящее под влиянием тренировки снижение окисления углеводов во время выполнения мышечной работы компенсируется увеличением скорости окисления липидов.

Скорость гидролиза липидов очень низкой плотности (ЛОНП) также возрастает под влиянием тренировки благодаря повышению в мышцах энзиматической активности и большей площади поверхности эндотелиальных капилляров. Однако даже в этом случае ЛОНП не могут составить более 10 % своего вклада в общее энергообеспечение. Этот эффект может иметь отношение к улучшению в крови липидного профиля, проявляющегося у людей, которые после малоподвижного образа жизни стали более активными. Восстановление запасов внутримышечных липидов после пролонгированных физических нагрузок может улучшить извлечение их из крови.

Гормональная адаптация при тренировке выносливости

Повышение окислительной способности мышц не является единственным способом, благодаря которому происходит модификация субстратного метаболизма под влиянием тренировки. Нейроэндокринные ответы играют важную роль в регуляции мобилизации и утилизации энергетических субстратов во время мышечной работы. Активность симпатического отдела вегетативной нервной системы, о которой можно судить по концентрации норадреналина в плазме, при выполнении одинаковой мышечной работы абсолютной мощности под влиянием тренировки снижается, оставаясь, однако, неизменной при работе одинаковой относительной мощности.

Уровни адренокортикотропного гормона, кортизола, глюкагона и гормона роста во время выполнения физических упражнений у тренированных лиц повышаются в меньшей степени. Концентрация инсулина при напряженной мышечной работе обычно падает. Однако в состоянии тренированности это снижение менее выражено, в связи с чем, концентрация инсулина у тренированных лиц во время мышечной активности проявляет тенденцию к более высоким показателям по сравнению с нетренированными. Этот эффект тренировки отражает менее выраженную степень угнетения инсулиновой секреции под влиянием меньшей концентрации адреналина в плазме тренированных лиц. Эти адаптационные изменения в гормональном ответе на физические нагрузки представляют собой специфическую реакцию на тренировку.

Более низкие уровни кортизола и катехоламинов должны указывать на снижение чрезмерного стресса, снижение ЧСС.

Проявляющееся под влиянием тренировки замедление скорости мышечного гликогенолиза отчасти обусловлено снижением концентрации в плазме адреналина, который вносит свой вклад в снижение скорости продукции глюкозы в печени и в менее выраженный липолиз в адипозной ткани.

Возможно, что столь высокая концентрация инсулина при физической нагрузке будет способствовать дополнительному поступлению глюкозы в скелетные мышцы. Однако известно, что под влиянием тренировки использование глюкозы плазмы во время мышечной работы снижается. Отмечаемая под влиянием тренировки относительно более высокая концентрация инсулина во время выполнения физического упражнения, возможно, имеет большее значение для угнетения липолиза и продукции глюкозы в печени, чем для его предполагаемого влияния на утилизацию глюкозы мышцами.

Следует отметить, что ни одно из указанных эндокринных изменений не может удовлетворительно объяснить повышение внутримышечного липолиза под влиянием тренировки. Теоретически он может возрастать, если чувствительность скелетных мышц к адреналину увеличивается.

Длительность адаптации при тренировочных занятиях и дезадаптации (детренировки)

Продолжительность периода адаптации к тренировке зависит в основном от величины тренировочных нагрузок (их интенсивности, продолжительности и частоты) и является специфичной для мышц, задействованных в сократительной активности. Тренировочные занятия должны проводиться на протяжении нескольких недель или месяцев, чтобы происходящие под ее влиянием процессы специфической биохимической адаптации позволили мышцам перейти на более высокий функциональный уровень. На активность митохондрий влияет сочетание интенсивности физических нагрузок с их продолжительностью. Пик адаптационных изменений митохондрий проявляется при сокращении времени выполнения упражнений и увеличении их интенсивности примерно от 40 до 90 % VO₂max.

Продолжительность периода изменений субстратной утилизации во время выполнения физических упражнений, происходящих под влиянием тренировки, тесно связана с периодом возрастания активности митохондриальных ферментов, что отмечается при исследовании эффектов как тренировки, так и детренировки. Но после пяти-семи дней тренировки активность митохондриальных ферментов или их окислительная способность не меняется.

Вполне возможно, что на первых этапах тренировочного процесса не повышение метаболической способности митохондрий, а другие механизмы ответственны за происходящие изменения в использовании субстратов. К таким факторам можно отнести раннее изменение гормонального ответа на физическую нагрузку. По истечении нескольких дней тренировочных занятий катехоламиновая реакция на физическую нагрузку значительно ослабевает. После одной недели тренировки концентрация адреналина в плазме снижается примерно на 40 %, а концентрация норадреналина во время выполнения физического упражнения с мощностью, эквивалентной 70 % VO₂max, снижается примерно на 25 %.

Происходящие под влиянием тренировки на выносливость адаптационные изменения могут поддерживаться только при систематическом занятии физическими упражнениями. В течение периода прекращения тренировочных занятий приобретенные адаптационные изменения утрачиваются. Некоторые изменения могут возвратиться к исходному уровню за очень короткое время.

Около 50 % прироста количества митохондрий под влиянием тренировки может быть потеряно в течение 1 месяца без тренировочного процесса. Возобновление тренировки позволяет восстановить адаптационные изменения, однако времени, необходимого для возвращения прежнего уровня тренированности, требуется больше, чем для достижения детренированности.