Динамика биохимических изменений в организме при работе биохимические основы утомления

Цель занятия: Изучить динамику биохимических процессов при разных видах работы и при утомлении.

Мышечная деятельность приводит к многообразным изменениям обмена веществ, химизма органов и тканей. Изменения происходят не только в мышцах и органах, непосредственно связанных с обеспечением физической работы (сердце, легкие, и др.), но и во многих других органах и тканях, происходит перестройка обмена веществ всего организма. Совершенствуется нервная и гормональная регуляция обмена веществ. Усиливается поступление кислорода в организм и его транспорт к работающим органам и тканям.

При мышечной работе увеличивается потребление кислорода (в 20−30 раз и даже по сравнению с уровнем покоя), потребность же организма в нем («кислородный запрос») удовлетворяется не полностью, иногда лишь на 10% и даже на 3−5% от необходимого. Такая работа может выполняться непродолжительное время, так как обеспечивается в основном за счет внутримышечных механизмов энергообеспечения, которые ограничены. Это временное несоответствие между потребностью в кислороде и его потреблением, наблюдается, как правило, в начале работы и быстро ликвидируется благодаря перестройке обмена. Наступает состояние, при котором потребление кислорода соответствует потребности в нем. Это так называемое устойчивое состояние по потреблению кислорода. Наличие этого состояния является условием для осуществления любой продолжительной работы.

При мышечной деятельности увеличивается скорость реакций распада АТФ и следовательно, активизируются процессы анаэробного и аэробного ресинтеза АТФ. Участие анаэробных процессов в энергообеспечении работы мышц приводит к снижению запасов креатинфосфата, используемых впервые секунды, и гликогена мышц.

При длительных упражнениях начинает использоваться и гликоген печени, так как запасов гликогена мышц оказывается недостаточно. В мышцах и крови накапливаются продукты анаэробного обмена: креатин, неорганический фосфат, молочная кислота. С увеличением длительности работы в энергообеспечении мышц в основном начинают использоваться продукты распада жиров — жирные кислоты и кетоновые тела. Таким образом, усиливается мобилизация энергетических ресурсов организма, что приводит к повышению содержания в крови глюкозы, жирных кислот, глицерина, кетоновых тел.

Продолжительная напряженная мышечная работа вызывает усилие распада белков и увеличение в крови продуктов белкового обмена (мочевины).

Таким образом, под влиянием физических упражнений происходят многообразные изменения обмена: повышение уровня окислительных процессов, распада энергетических запасов мышц (гликоген, триглицериды), мобилизация резервных питательных веществ организма (жирные кислоты, глицерин из жировой ткани, глюкоза из гликогена печени), поступление в кровь и доставка к мышцам и другим интенсивно работающим органам.

Наряду с усилением процессов обмена, направленных на энергообеспечение мышечной работы, в организме происходит снижение интенсивности процессов биосинтеза (белков и др.), угнетение процессов пищеварения, снижение скорости всасывания питательных вещества из кишечника и др. изменения.

Выполнение физических упражнений сопряжено со значительным повышением теплопродукции, что в свою очередь приводит к изменениям водно-солевого обмена в организме: потере воды, потере и перераспределению в организме минеральных солей и ионов.

Мышечная деятельность характеризуется усилением выработки гормонов и повышение их содержания в крови.

Степень выраженности изменений обмена в организме, сдвиги внутренней среды находятся в зависимости от мощности и продолжительности выполняемых упражнений, режима деятельности мышц, количества участвующих в работе мышечных групп и других особенностей работы.

Различия в характере метаболических процессов при разных видах работы определяются особенностями ее энергетического обеспечения. Они лежат в основе классификации мышечных упражнений на зоны относительной мощности: максимальной, субмаксимальной, большой и умеренной.

Зависимость биохимических процессов от мощности выполняемых упражнений и ее длительности выражается в том, что чем выше мощность, а, следовательно, больше скорость распада АТФ, тем в большей степени выражены анаэробные процессы ресинтеза АТФ. Мощность упражнения, при которой впервые обнаруживается усиление анаэробных реакций, называется порогом анаэробного обмена (ПАНО). У спортсменов он составляет 60−75% от критической мощности, т. е. от мощности, при которой достигается максимальное потребление кислорода (МПК). Мощность работы связана обратно пропорциональной зависимостью с ее продолжительностью.

Предельная длительность работы в зоне максимальной мощности составляет 12−20 сек., на уровне 90−100% МПО2 и работа обеспечивается энергией в основном за счет креатинфосфата и частично за счет гликолиза.

В зоне субмаксимальной мощности — на уровне 80−90% МПО2, работа продолжается от 20 сек, до 2−3 мин., энергетическое обеспечение такой работы идет за счет гликолиза, о чем свидетельствует высокое содержание молочной кислоты в крови.

Длительность работы в зоне большой мощности (50−70% МПО2) составляет до 30 мин. и основное значение в обеспечении энергией приобретают аэробные процессы.

Наиболее интенсивные упражнения в зоне умеренной мощности (25−50% МПО2), продолжительность которой может составлять до 4−5 часов, совершаются при максимуме аэробных процессов производства энергии. С точки зрения биоэнергетики полярные мощности физической нагрузки значительно различаются, и эти различия характеризуют степень и обратимость метаболических сдвигов, различные механизмы «запуска» и разный фон, на котором начинаются и протекают восстановительные процессы.

Значительное влияние на характер и глубину биохимических изменений при мышечной работе оказывает режим деятельности мышц (статический, динамический, смешанный).

Статический режим работы мышц снижает скорость кровообращения, в результате чего затрудняется снабжение мышц кислородом, питательными веществами, снижается скорость устранения продуктов обмена.

Биохимические изменения при такой работе связаны в основном с участием анаэробных процессов ресинтеза АТФ.

При динамическом режиме работы обеспечивается значительно лучшее снабжение тканей кислородом. В такой работе велика доля участия аэробного производства энергии.

Особенности энергетического обмена и характер биохимических изменений при мышечной деятельности определяются участием разного количества мышечных групп, участвующих в работе (локальных, региональных, глобальных).

Региональная и глобальная работы, при которых участвуют более ¾ всех мышц тела (бег, плавание, лыжные гонки и т. д.) вызывают значительные биохимические изменения во всех органах и тканях организма. При выполнении такой работы усиливается деятельность дыхательной и сердечно — сосудистой систем, мышцы лучше обеспечиваются кислородом и обеспечение энергией происходит за счет аэробных процессов.

Локальная работа, в которой участвует ¼ всех мышц тела, в организме в целом вызывает незначительные биохимические сдвиги.

В энергетическом обеспечении локальной работы велика доля анаэробных процессов.

При мышечной деятельности развивается состояние утомления, для которого характерно временное снижение работоспособности. В зависимости от интенсивности и длительности работ утомление может развиваться быстро или нарастать медленно. Поэтому различают две формы утомления:

быстро развивающееся и медленно нарастающее.

В обоих случаях утомления возникают биохимические изменения в мышцах, характеризующиеся снижением содержания АТФ, К/Ф и гликогена, однако, они неспецифичны.

Обе формы утомления по происходящим биохимическим изменениям в мышцах и головном мозге нетождественны, хотя и имеют общие черты. Это снижение содержания АТФ, КФ и гликогена, и повышение уровня АДФ (правда, в мозге оно менее значительно и кратковременно). Специфичным для обеих форм утомления в мышцах являются снижение активности АТФ-азы миозина и возможностей выделения и поглощения Са2+саркоплазматическим ретикулом — параметров, непосредственно связанных с сокращением и расслаблением мышцы. К этому присоединяется и нарушение проводимости в нервно-мышечном синапсе. Что объясняется затруднением ресинтеза ацетилхолина из-за нехватки АТФ как источника энергии. В самой общей форме утомление можно охарактеризовать как обратимое нарушение физиологического и биохимического гомеостаза, которое компенсируется в послерабочем периоде. Утомление связано с большим или меньшим исчерпанием резервных возможностей организма продолжать работу. Причина возникновения утомления многообразны и в настоящее время окончательно не выяснены: слишком различаются по структуре, напряженности и характеру физические нагрузки, ведущие к утомлению.

При работе максимальной мощности энергообеспечение идет в основном за счет распада готовых фосфагенов в сокращающихся мышцах. Запасы их в переводе на кислородный эквивалент составляют примерно 40 мл/кг О2, но не более половины спортсмен может реализовать в предельно напряженной работе. Наибольший выход ее не превышает 83,74−104,67 кДж (Борилкевич В.Е., 1982). Поскольку работа такого темпа продолжается за очень короткие интервалы времени, функция кардиореспираторного аппарата и состояние обмена приобретают ведущее значение лишь в восстановительном периоде.

Утомление, возможно, связано с несостоятельностью центрального механизма организации и координации движений такого темпа. Вероятны нарушения синаптической передачи на уровне — двигательное окончание — мышечное волокно вследствие остаточной деполяризации электровозбудимых мембран и развития парабиоза. Запасы фосфагенов, определяемые в мышце, суммарно могут быть пространственно недоступными для сократительных белков и работы ионных насосов из разных секторов клетки.

Работа субмаксимальной мощности на 40−80% покрывается за счет анаэробных процессов. Максимально реализуемый энергетический выход гликолиза в кислородных эквивалентах оценивается у молодых мужчин примерно в 55−80 мл/кг 02, до 200 мл/кг 02 и более у высококвалифицированных спортсменов (Борилкевич В.Е., 1982). Работа завершается на фоне наибольших сдвигов гомеостаза: выраженной лактацидемии, ацидоза (до рН 6,8−6,9 в крови высокотренированных спортсменов), гипогликемии, обеднения запасов гликогена в мышцах и печени, снижения ударного объема сердца. Основную роль в возникновении утомления видят в общих и местных (в работающих мышцах) сдвигах обмена и в неспособности организма компенсировать далее острые нарушения гомеостаза.

При работе большой мощности явно преобладает аэробный путь энергообеспечения (75−97%) и эффективность его, повидимому, зависит в основном от состояния кардиореспираторного аппарата и српособности организма длительно компенсировать нарастающие сдвиги кислотно-щелочного состояния, гипогликемию (энергетический голод мозга), нарушение терморегуляции.

Работа умеренной мощности характеризуется практически полным аэробным энергообеспечением и возможностью длительного выполнения. Утомление, по-видимому, обусловлено суммой причин: истощением углеводного резерва и нарушением питания мозга, накоплением и ухудшением функций митохондрий, нарушениями терморегуляции и способности устойчиво регулировать и поддерживать гомеостатические механизмы. С исчерпанием этой способности, в том числе резервов кардиореспираторной системы, и связано прекращение работы.