Секция «Физическая культура и спорт»

п/с «Спортивная медицина и реабилитация»

¹Казакова С.М., ²Пюрко О.Е., ¹Казаков Е.А.

¹ Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

²Мелитопольский государственный педагогический университет

Мультивариабельность энергообеспечения организма человека и его диагностические возможности

В материальном мире все процессы осуществляются в соответствии с общебиологическими законами природы [2], что подтверждается рисунком 1.

Рис. 1. Круговорот веществ и взаимосвязь энергетических ресурсов

Фотосинтетически усвоенная энергия Солнца в виде органических соединений (ежегодно синтезируется до 173 млрд. тонн сухих веществ) в дальнейшем является движущей силой всех процессов жизнедеятельности как авто-, так и гетеротрофных организмов, в том числе и человека [6]. При этом для прокариотов характерны процессы брожения, осуществляемые ради освобождения энергии (2 моля АТФ), промежуточных углеродосодержащих веществ и конечных продуктов, по которым называется тип брожения.

У большинства гетеротрофов, в том числе и человека, окисление органических веществ осуществляется с потреблением О₂ в процессе дыхания согласно уравнения: , в котором субстрат (глюкоза) окисляется до СО₂ и Н₂О с выделением 38 молекул АТФ [5].

Несмотря на довольно хорошую изученность общих вопросов дыхания (анатомию, газометрию, физиологию, биохимию), интерес к этому процессу не ослабевает, особенно к его энергетическим аспектам в связи с научным обоснованием различных видов деятельности человека в изменяющихся условиях среды, выяснением потенциальных возможностей и перспективным прогнозированием этих возможностей [1,7,8].

Центральное место в данной проблеме отводится макроэргическим соединениям, которые подразделяются на «высокоэнергетические» и «низкоэнергетические», в зависимости от DG их гидролиза (таблица) [4].

Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых биологически важных фосфорилированных соединений

Наименование вещества	DG^о, ккал	Потенциал переноса фосфатных групп ^1)
Фосфоенолпируват	-14,80	14,8
1,3-дифосфоглицерат	-11,80	11,8
Креатинфосфат	-10,30	10,3
Ацетилфосфат	-10,10	10,1
Аргининфосфат	-7,70	7,7
АТФ	-7,3	7,3
Глюкозо-1-фосфат	-5,00	5,0
Фруктозо-6-фосфат	-3,80	3,8
Глюкозо-6-фосфат	-3,30	3,3
Глицерол-1-фосфат	-2,20	2,2
^1) определяется как DG^о¢^.ккал^-1

Между «высокоэнергетическими» и «низкоэнергетическими» соединениями не существует четкой границы, а АТФ занимает в этой энергетической шкале промежуточное положение и этим определяется основная функция - перенос фосфатных групп (макроэргов) от первых ко вторым.

Полифункциональности и многоуровневости использования АТФ (рис.2) предшествует разнообразие путей, как первичного синтеза, так и ресинтеза по мере использования фонда этого соединения на потребности организма. Основными механизмами ресинтеза АТФ являются: 1 – креатинфосфатный; 2 – гликолитический; 3 – миокиназный; 4 – аэробный [3].

Рис. 2. Разнообразие путей использования энергии АТФ в организме

Алактатный анаэробный механизм быстрого ресинтеза АТФ происходит за счет высокоэнергетического фосфогенного вещества – креатинфосфата, концентрация которого в мышцах в 3-4 раза выше по сравнению с АТФ [1]. Последний локализован непосредственно на миофибриллах и способен быстро вступать в реакцию перефосфорилирования согласно уравнения: .

Анаэробный гликолитический механизм ресинтеза АТФ [2] вовлекается в работу тогда, когда первый перестает обеспечивать необходимую скорость восстановления АТФ в мышцах. При этом в основном используются внутримышечные запасы гликогена и глюкоза, поступающая из крови. Обобщенно процесс гликолиза и гликогенолиза могут быть представлены в виде следующих уравнений:

Энергетический баланс гликолиза при использовании глюкозы составляет 2 моля АТФ на 1 моль расщепляемых углеводов, а гликогенолиза (гликогенез) – 3 моля АТФ. Это объясняется отщеплением от гликогена уже фосфорилированого (глюкозо-6-Ф) сахара [5].

Максимальная мощность гликолиза у хорошо тренированных спортсменов может достигать 3,1, а у нетренированных – всего 2,5 кДж ^. кг^{-1 .} мин^-1. На максимальную мощность этот механизм выходит уже на 25-30 секунду после начала нагрузки. К концу 1^ой минуты работы гликолиз становится основным механизмом ресинтеза АТФ. Он характеризуется невысокой эффективностью, потому что в процессе анаэробного распада 1 моля глюкозы освобождается всего 240 кДж, а в доступную для использования форму (АТФ) преобразуется всего 80-120 кДж и поэтому КПД составляет 0,35-0,52. Остальная энергия превращается в тепло и поэтому температура работающих мышц повышается до 40-41^оС. Гликолиз играет важную роль при напряженной мышечной деятельности в условиях недостатка кислорода и сопровождается накоплением молочной кислоты (СН₃-СНОН-СООН), концентрация которой прямо пропорциональна мощности и продолжительности работы. Последняя диссоциирует и сдвигает рН в кислую сторону, активизируя работу ферментов дыхательного цикла в митохондриях и усиливая аэробное энергообеспечение. При рН 6,4 в мышцах прекращается расщепление гликогена, что сопровождается резким снижением уровня АТФ и развитием утомления. Уровень нагрузки выполняемых упражнений превышающих 50% максимальной аэробной мощности называется порогом анаэробного обмена (ПАНО), используемый как диагностический показатель.

Миокиназный механизм ресинтеза [3] функционирует в мышцах при значительной концентрации АДФ в саркоплазме согласно уравнению: . Это «аварийный» механизм ресинтеза АТФ в условиях, когда другие пути ресинтеза затруднены.

Аэробный механизм ресинтеза АТФ [8] в обычных условиях обеспечивает 90% энергообеспеченности организма. В качестве субстратов аэробного окисления используются углеводы, жирные кислоты, аминокислоты, молочная кислота и другие недоокисленные продукты:

При этом эффективность «топлива», определяемая как затраты кислорода на синтез молекулы АТФ, наивысшая при использовании углеводов, промежуточная – жиров, наименьшая – белков. Поэтому при физических нагрузках энергообеспечение в первую очередь осуществляется за счет углеводов: глюкозы и гликогена мышц, глюкозы крови, гликогена печени. Максимальная мощность аэробного механизма ресинтеза АТФ наименьшая – 1,2 кДж ^. кг^{-1 .} мин^-1 и в равной степени зависит от скорости поступления и утилизации кислорода, а поэтому оценивается по величине максимального потребления О₂ (МПК), которая у спортсменов достигает 5,5-6 л ^. мин^-1, а у неспортсменов – 2,5-3,5 л ^. мин^-1. Для сравнения аэробных возможностей разных людей величина МПК выражают в расчете на 1 кг массы тела. У молодых людей не занимающихся спортом МПК составляет 40-45 кДж ^. кг^{-1 .} мин^-1 (800-1000 кДж ^. кг^{-1 .} мин^-1), у спортсменов – в 1,5-2 раза выше. Максимальная мощность аэробного процесса достигается к 3-4 минуте неинтенсивной работы и может продержаться 20-30 минут.

Метаболическая емкость аэробного механизма ресинтеза АТФ практически безграничная благодаря запасам и разнообразию окисляемых субстратов. Эффективность этого механизма составляет до 50% и определяется по ПАНО (до 50% МПК у нетренированных, до 90% МПК – у спортсменов). Аэробный механизм энергообразования является основным при длительной работе и выступает основой биохимической выносливости у спортсменов – стаеров и марафонцев, а также сотрудников производительной сферы при средних по интенсивности и мощности, но длительных нагрузках [9].

Материалы работы позволяют заключить, что для гетеротрофов дыхательный процесс является основным в жизнеобеспечении, включает ряд альтернативных путей, каждый из которых имеет свою специфичность и функционирует согласно общебиологическим законам. Знание этих закономерностей позволяет выявить специфичность и потенциальные возможности каждого организма и прогнозировать перспективы реализации этих возможностей в реабилитационных процессах и формировании конкретных профессиональных навыков.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богдановська н.в. фізична реабілітація різних нозологічних груп. – Запоріжжя: Б.в., 2002. – 50 с.

2. Бровдій В.М., Гаца О.О. Енергетичні закони екології. – К.: Б.в., 2001. – 102 с.

3. Волков Н.И., Нэсэн Э.Н., Осипенко А.А., Корсун С.Н. Биохимия мышечной деятельности. – К.: Олимпийская литература, 2000. – Ч. 2. – 216 с.

4. Ленинджер А. Биохимия. – М.: Мир, 1974. – 957 с.

5. Мецлер Д. Биохимия. – М.: Мир, 1980. – Т. 3. – 606 с.

6. Моргун В.В., Курчий Б.А. Продовольствие ХХІ века: нерешенные проблемы, неотложные задачи //Физиология и биохимия культурных растений. – 2003. – Т. 35, №4. – С. 281-293.

7. Солодков А.С., Сологуб Е.Б. Физиология человека: общая, спортивная, возрастная. – М.: Олимпия Press, 2005. – 527 с.

8. Физиология мышечной деятельности /Под ред. Я.М. Коца. – М.: ФиС, 1982. – 347 с.

9. Ященко С.Г., Куркчи О.Э. Оценка факторов, возникающих при работе с персональным компьютером //Матер. ІІ Междунар. научно-практической конф. «Ключевые аспекты научной деятельности - 2007». – Днепропетровск: Наука и образование, 2007. – Т. 4, серия «Медицина и биология». – С.42-45.