Введение
Изменения биохимических процессов в организме при мышечной деятельности зависят от мощности и продолжительности упражнения, а также от тренированности спортсмена. Между мощностью работы и ее продолжительностью существует обратная зависимость – чем больше мощность работы, тем меньше время, которое можно ее выполнять. В предложенной задаче работа выполняется тренированным спортсменом в условиях соревнований, т.е. при максимальном физическом напряжении. Следовательно, основным критерием, от которого зависит характер биохимических сдвигов, является продолжительность работы. Хотя в каждом циклическом виде спорта имеются определенные особенности работы, тем не менее, на основе продолжительности работы можно судить о зоне мощности, в которой она выполняется, и о соотношении различных энергетических процессов. Зная относительное участие энергетических процессов при данной нагрузке, можно составить представление об изменениях обмена веществ во время работы и в период отдыха после нее.
Цель курсовой работы: научиться оценивать направленность энергетических процессов и характер биохимических изменений в организме при выполнении физических нагрузок в избранном виде физкультурно-спортивной деятельности.
Задачи:
1. Дать биохимическую характеристику данной физической нагрузке. Зона мощности, в которой выполняется данная работа. Соотношение аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения, ведущие энергетические системы.
2. Дать развернутую характеристику основной энергетической системы. Указать энергетические субстраты, описать их превращения при выполнении нагрузки, механизм образования АТФ. Характеристика основного энергетического процесса (мощность, емкость и эффективность).
3. Описать биохимические изменения в организме при выполнении данной физической нагрузки, а также в период отдыха. Изменения обмена углеводов, липидов, белков в мышцах, во внутренних органах, изменения содержания различных метаболитов в крови. Указать последовательность восстановления разных энергетических систем. Составить график, характеризующий эти биохимические изменения.
4. Описать направленность изменений, развивающихся при адаптации организма к нагрузкам данного типа. Биохимические изменения, обуславливающие рост спортивных результатов. Методы оценки ведущих энергетических критериев. Качества двигательной деятельности, которые являются основными при выполнении заданной нагрузки и биохимическое обоснование методов их развития.
1. Дать биохимическую характеристику данной физической нагрузке. Зона мощности, в которой выполняется данная работа. Соотношение аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения, и ведущие энергетические системы
Механизмы энергообразования при выполнении работы существенно различаются в зависимости от ее интенсивности и продолжительности. Данную тренировочную нагрузку – бег на 800 м. в течение 2 минут можно отнести к зоне субмаксимальной мощности.
Выполняемая работа преимущественно анаэробного характера – 70%, и только 30% - вклад аэробного механизма энергообеспечения. До 30 секунд идет анаэробный алактатный путь – креатинфосфокиназная система энергообеспечения. На 1-2 минутах достигает своего максимума анаэробный лактатный механизм – гликолиз, который и является ведущей системой энергообеспечения данной нагрузки. Аэробный путь ресинтеза АТФ при данной нагрузке задействован незначительно. (см. Методические указания рис. 2,3)
2. Характеристика основной энергетической системы, обеспечивающей работу. Энергетические субстраты, описание процесса, конечные продукты. Механизм образования АТФ. Факторы, влияющие на физическую работоспособность при данной работе (спортивный результат).
Основная энергетическая система, обеспечивающая работу – анаэробно-гликолитическая. В основе этого пути энергообеспечения лежит процесс гликолиза. Гликолиз – это сложный ферментативный процесс последовательных превращений углеводов (гликогена мышц и глюкозы) протекающий в саркоплазме мышечного волокна без потребления кислорода и сопровождающийся накоплением молочной кислоты. Следовательно, энергетические субстраты гликолиза, необходимые для образования АТФ – гликоген мышц и частично глюкоза, поступающая в мышцы с кровью. Конечный продукт гликолиза – молочная кислота, которая накапливается в мышцах с большой скоростью, поступает в кровь и вызывает выраженное снижение рН. Процесс гликолиза можно разделить на три стадии:
1. Подготовительная стадия. Происходит активация углеводов и образование субстрата биологического окисления.
2. Биологическое окисление и образование первичных макроэргических соединений.
3. Восстановление пирувата с образованием лактата.
Пусковыми ферментами гликолиза являются фосфорилаза и гексокиназа, расщепляющие соответственно гликоген и глюкозу. Активность этих ферментов зависит от содержания в саркоплазме АДФ и неорганического фосфора, ионов Са2, освобождающихся при мышечном сокращении, и концентрации катехоламинов в крови.
Первая стадия начинается с реакции фосфоролиза гликогена или с активации глюкозы при помощи АТФ с участием гексокиназы. В том и другом случае образуется глюкозо-6-фосфат, который превращается во фруктозо-6-фосфат. Это соединение активируется при помощи АТФ и фермента фосфофруктокиназы, и образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Под действием фермента альдолазы это соединение распадается на 2 молекулы фосфоглицеринового альдегида.
На 2-й стадии протекает окисление 3-фосфоглицеринового альдегида с участием НАД-дегидрогеназы и фосфорной кислоты. При этом образуется 1,3-дифосфоглицерат – макроэргическое соединение. Далее происходит перефосфорилирование этого соединения с АДФ и образование АТФ путем субстратного фосфорилирования. В следующей реакции остаток фосфата из положения 3 переносится в положение 2, а затем происходит дегидратация 2-фосфоглицерата. Это приводит к образованию фосфоэнолпирувата с макроэргической связью, появление которой обусловлено электронной перестройкой молекулы. Затем вновь происходит реакция субстратного фосфорилирования – перенос макроэргического остатка с фосфоэнолпирувата на АДФ. Образуется еще одна молекула АТФ и пируват (пировиноградная кислота).
На заключительной 3 стадии гликолиза водород, отнятый НАД-дегидрогеназой от 3-фосфоглицеринового альдегида переносится от НАД∙Н2 на пируват, который при этом превращается в лактат (молочную кислоту) при участии фермента лактатдегидрогеназа. Кофермент НАД освобождается таким образом от протонов и электронов водорода и может участвовать в окислении новых молекул 3-фосфоглицеринового альдегида.
Биологическая роль гликолиза заключается в образовании промежуточных макроэргических соединений: дифосфоглицериновой и фосфоэнолпировиноградной кислот. Под действием ферментов эти соединения отдают свои высокоэнергетические фосфатные группировки на АДФ и образуется АТФ.
ФГК ~ Ф + АДФ фосфоглицераткиназа АТФ + ФГК
дифосфоглицериновая фосфоглицериновая
кислота кислота
ЭПВК ~ Ф + АДФ пируваткиназа АТФ + ПВК
фосфоэнолпировиноградная пировиноградная кислота
кислота
Наивысшей скорости гликолиз достигает уже на 30 секунде и обеспечивает поддержание максимальной мощности упражнения в интервале от 30 до 90 секунд. Однако довольно быстрое исчерпание запасов гликогена мышц и резкое повышение концентрации молочной кислоты, образующейся в результате гликолиза, приводит к снижению активности ключевых ферментов и внутриклеточного рН, что приводит к падению скорости гликолиза и подключению аэробных процессов (дыхания).
Мощность процесса менее 750 кал/кг/мин. Мощность зависит в основном от скорости процесса и регулируется активностью ферментов фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Мощность достигает максимума с 20-30 секунды, держится 1-2 минуты и постепенно снижается при поступлении кислорода в мышцы, а также при снижении рН.
Емкость процесса около 2-3 минут. Емкость зависит от запасов гликогена в мышцах, от возможностей буферных систем и от устойчивости ферментов к накоплению лактата.
Эффективность низкая – 30-40%, т.к. углеводы расщепляются только до лактата и большое количество энергии расходуется в виде тепла.
Лимитирующим ферментом гликолиза является фосфофруктокиназа. Увеличение активности этого фермента в 5 раз увеличивает валовый поток гликолиза в 1000 раз. Также значительно влияют на процесс гликолиза фермент фосфорилаза, накопление лактата, емкость буферных систем и запасы гликогена в мышцах.
В спорте гликолитическая система энергообеспечения является основной при выполнении физических нагрузок продолжительностью от 30 секунд до 2,5 минут (в данной случае бег на 800м. – 2 минуты) с предельной для этой продолжительности интенсивностью и составляет основу скоростной выносливости. А также обеспечивает возможность ускорения по ходу дистанции и на финише.
3. Биохимические изменения в организме при выполнении данной физической нагрузки, а также в период отдыха. Изменения обмена углеводов, липидов, белков в мышцах, во внутренних органах, изменения содержания различных метаболитов в крови
Биохимические изменения в организме при физической работе в основном обусловлены тем, какие механизмы принимают участие в ее энергообеспечении. Данная работа – бег на 800 м. в течение 2 минут – выполняется в зоне субмаксимальной мощности. Значит ведущий механизм энергообеспечения – гликолиз. В начале также происходит небольшой вклад анаэробного алактатного механизма.
1. Биохимические изменения в скелетных мышцах
КрФ (креатинфосфат) уже к 45 секунде затрачивается до минимума (ок. 5 ммоль.кг-1 сырой ткани).
Концентрация гликогена в мышцах уменьшается примерно на 15-20% на 1-2 минуте физической работы.
Потребление кислорода уже на 2 минуте максимально – до 100%.
Незначительно тратится белок. Увеличивается поступление в мышцы аммиака, свободных аминокислот и пептидов.
2. Биохимические изменения в крови
В крови накапливается продукт распада КрФ – Кр (креатин).
Концентрация продукта распада гликогена – лактата – в крови на 1-2 минуте достигает 20 ммоль.л-1, что приводит к увеличению кислотности и снижению рН.
На 1-2 начинает повышаться количество ионов водорода Н+ примерно до 6.10-7 ммоль. Следовательно, происходит сдвиг кислотно-щелочного равновесия (рН) максимально до 7.0.
Накапливается в плазме крови продукт распада белка – мочевина.
3. Биохимические изменения в головном мозге
Во время работы в головном мозге за счет процессов возбуждения активно используется энергия АТФ. Восстановление АТФ обеспечивается путем окислительного фосфорилирования. Основным источником энергии является глюкоза, поступающая с кровью.
4. Биохимические изменения в миокарде
При работе резко учащается частота сердечных сокращений, что требует усиленного образования АТФ, которая обеспечивается за счет аэробного окисления глюкозы. Энергетическими субстратами при данной работе является глюкоза.
5.Биохимические изменения в моче
В моче может появиться белок, а также увеличивается содержание лактата.
Вышеизложенные изменения представлены на графике сравнительного расходования и восстановления различных энергетических субстратов.
Восстановление после окончания нагрузки
После окончания работы содержание различных метаболитов возвращается к исходному уровню. При этом происходит не только восстановление затраченных энергетических ресурсов, но и их сверхвосстановление.
Прежде всего, восстанавливается содержание КрФ в мышцах. На 90% КрФ восстанавливается за 2-6 минут. А полное восстановление происходит за 0,5 – 4-6 часов. Кр устраняется быстро за 0,5 часа. Суперкомпенсаторная фаза (сверхвосстановление содержания КрФ в мышцах) происходит на 6-8 часу.
Затем восстанавливается гликоген мышц, для которого необходимо достаточное количество глюкозы. Восстановление гликогена мышц происходит за 12-20 часов. Фаза суперкомпенсации длится 24-48 часов. Лактат ликвидируется следующим путем. На 3-4 минуте после окончания работы уровень лактата в крови увеличивается, так как происходит его выход из работавших мышц. Затем начинается его устранений различными путями. 60% лактата окисляется до СО2 и Н2О. 20% превращается в пировиноградную кислоту, а затем в гликоген печени – происходит процесс глюконеогенез. Некоторая часть выделяется с потом и мочой. Полная нормализация лактата происходит за 0,5-3 часа. При перегрузке это время увеличивается.
Примерно за 0,5-1 час идет нормализация кислотно-щелочного равновесия (рН).
Процесс восстановления белка начинается сразу после нагрузки и ускоряется к 3-4 часу. Продолжается этот процесс около 2-3 суток, фаза суперкомпенсации – 3-4 сутки. Мочевина устраняется из крови примерно за 12-24 часа, причем сразу после окончания работы уровень мочевины в крови повышен.
Динамика биохимических изменений при работе и в период отдыха в большей степени зависит от активности эндокринной системы.
Содержание в плазме кортизола около 5 мг.дл-1.
Свободные жирные кислоты – около 4 ммоль.л-1.
Содержание адреналина и норадреналина слегка увеличивается.
4. Направленность изменений, развивающихся при адаптации организма к нагрузкам данного типа. Биохимические изменения, обуславливающие рост спортивных результатов. Методы оценки ведущих энергетических критериев. Качества двигательной деятельности, которые являются основными при выполнении заданной нагрузки и биохимическое обоснование методов их развития
При адаптации к физическим нагрузкам происходят определенные изменения в работающих мышцах и в организме в целом. Можно выделить следующие основные направления развития адаптационных изменений:
1. Увеличение энергетических ресурсов (КрФ, гликоген мышц).
При данной работе в основном тратится гликоген из быстрых мышечных волокон. При адаптации к такой работе произойдет увеличение запасов гликогена примерно на 50-70% от исходного уровня. Так как в начале работы тратится КрФ, то при адаптации произойдет увеличение содержания КрФ в мышцах примерно на 58%. Также тратится белок, значит, при адаптации увеличится количество сократительных белков:
- в саркоплазматическом ретикулуме на 54 %;
- в саркоплазме на 57%;
- в миофибриллах на 63%.
Толщина мышечных волокон увеличивается при постоянных тренировках примерно на 24%. Относительная масса мышц увеличивается на 32%.
2. Увеличение количества и активности ферментов, которые ускоряют реакции энергетического обмена
Количество и активность аденозинтрифосфатазы миозина увеличивается на 18%. Также увеличивается активность фосфорилазы и фосфофруктокиназы примерно на 30%.
3. Повышение эффективности энергетических процессов (повышение сопряженности окисления и фосфорилирования, увеличение доли аэробных процессов). (см. методические рекомендации, рис. 21)
Скорость основного энергетического процесса при данной работе – гликолиза – возрастает на 56%. Увеличивается мощность данного процесса: возрастает скорость накопления молочной кислоты, а также скорость избыточного выделения СО2 (~ 35 мл.кг-1). Однако в процессе многолетней тренировки, скорость избыточного выделения СО2 может уменьшаться.
Увеличивается емкость гликолиза: повышается максимальное накопление молочной кислоты в крови (~32 ммоль.л-1) , максимальная величина кислородного долга (~50 мл.кг-1), а также максимальный сдвиг рН крови.
Максимальное потребление кислорода при данной нагрузке ~ 77 мл.кг-1.мин-1. Максимальная анаэробная мощность – 1.8 м.с-1. Максимальный приход кислорода – 1.3 л.кг-1.
Таким образом, создаются предпосылки для увеличения мощности и емкости лактатного компонента выносливости, для развития скоростно-силовых качеств гликолиза. Повышается аэробная выносливость: вклад аэробных процессов идет быстрее и эффективнее.
4. Совершенствование процессов вегетативной регуляции, что приводит к быстрой мобилизации энергетических ресурсов.
5. Увеличение возможностей поддержания постоянства рН (буферной емкости организма и устойчивости к накоплению продуктов распада – лактата).
6. Увеличение структурных белков. Возрастает число митохондрий на единицу площади примерно на 30%. Содержание миоглобина повышается на 58%. Количество миостроминов увеличивается на 7-10%.
Изменения, происходящие в организме при систематических тренировках при адаптации к физическим нагрузкам, повышают возможности энергетических систем, что проявляется в изменении выраженности различных реакций на физическую нагрузку.
Методы, используемые для определения тех биоэнергетических характеристик, которые играют ведущую роль при выполнении данной соревновательной нагрузки:
Педагогические – нужно давать специфическую нагрузку и ориентироваться по времени.
Биохимические:
- величина лактатного кислородного долга;
- максимальное увеличение лактата после специфической нагрузки (1 мин – бег на 400м, 1 мин – отдых, и так 4 раза);
- максимальный сдвиг рН.
У более тренированного спортсмена максимальное накопление лактата будет выше. А увеличение показателя рН наоборот свидетельствует о недостаточной тренированности спортсмена.
Исходя из всего вышесказанного, для достижения высоких спортивных показателей при выполнении данной нагрузки, необходимо развивать такие ведущие качества двигательной деятельности, как скоростно-силовые качества и аэробную выносливость.
Словарь используемых терминов
1. АТФ – (аденозинтрифосфорная кислота) макроэргическое соединение, молекула которого состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех последовательно соединенных остатков фосфорной кислоты. АТФ содержится в каждой клетке в цитоплазме, митохондриях, ядрах и снабжает энергией большинство процессов, происходящих в клетке.
2. АДФ – (аденозиндифосфорная кислота) макроэргическое соединение, молекула которого состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и двух последовательно соединенных остатков фосфорной кислоты. Принимает участие в синтезе АТФ.
3. АМФ – (аденозинмонофосфорная кислота) макроэргическое соединение, молекула которого состоит из азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и одного остатка фосфорной кислоты.
4. Адаптация – приспособление организма к действию физических нагрузок, вызываемое биохимическими изменениями в организме.
5. Активная реакция среды – (рН) кислотно-щелочное равновесие – определенное соотношение кислот и оснований. Она достаточно постоянна в крови и составляет 7,4.
6. Актин – глобулярный белок, скрученный в две нити спиралью, составляющий тонкую нить миофибрилла.
7. Алкалоз – повышение рН, повышение щелочной реакции среды.
8. Ацидоз – понижение рН, повышение кислой реакции среды.
9. АТФ-аза – (аденозинтрифосфатаза) фермент, катализирующий отщепление от аденозинтрифосфорной кислоты одного или двух остатков фосфорной кислоты с освобождением энергии, используемой в процессах мышечного сокращения.
10. Аэробное окисление углеводов – катаболизм, процесс, идущий во всех органах и тканях, заканчивающийся полным окислением глюкозы до углекислого газа и воды.
11. Анаэробное окисление углеводов – гликолиз, ферментативный процесс превращения углеводов в мышцах до молочной кислоты (лактата).
12. Бета-окисление – реакции окисления жирных кислот, в результате которых происходит отщепление молекулы ацетил-КоА.
13. Биологическое окисление - это совокупность окислительных процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода.
14. Буферная система – смесь слабой кислоты и ее растворимой соли, либо смесь двух солей и белков, которые способны препятствовать изменению рН водных сред.
15. Водородный показатель – (показатель рН) отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода.
16. Гетерохронность восстановления – неравномерность и расхождение во времени различных процессов восстановления организма.
17. Гидролиз – реакции обмена между различными веществами и средой.
18. Дыхательная цепь – (цепь биологического окисления) последовательно расположенные на внутренней мембране митохондрий окислительно-восстановительные ферменты.
19. Креатинфосфат – азотсодержащее макроэргическое соединение, в большом количестве содержащееся в скелетных мышцах и выполняющее роль энергетического резерва, может быть использован для синтеза АТФ при стремительных действиях (напр. бег на короткие дистанции).
20. Лактат – (молочная кислота) сильная кислота, в результате накопления которой в мышцах увеличивается концентрация ионов водорода.
21. Макроэргические соединения – соединения, содержащие высокоэнергетические химические связи (макроэргические). При их гидролитическом разрыве (с участием воды) высвобождается более 4 ккал/моль (20 кДж/моль).
22. Миозин – белок, молекула которого имеет 2 части – фибриллярную и глобулярную, составляющий толстую нить миофибрилла.
23. Окислительное фосфорилирование – основной путь аккумуляции энергии в организме, заключающийся в синтезе АТФ из АДФ и фосфорной кислоты за счет энергии, которая высвобождается при транспорте водорода по дыхательной цепи на кислород.
24. Разобщение окисления и фосфорилирования – процессы рассеивания энергии, которая освобождается при окислении для образования АТФ, в виде тепла, при этом происходит повышение температуры тела.
25. Перекисное окисление липидов – процессы образования свободнорадикальных форм липидов, под воздействием избыточного количества активных форм кислорода. Это приводит к накоплению токсических перекисей липидов и постепенному разрушению клетки.
26. Ресинтез АТФ – постоянное интенсивное восполнение запасов АТФ в клетке.
27. Субстратное фосфорилирование – синтез АТФ, протекающий помимо дыхательной цепи при анаэробном окислении субстратов.
28. Суперкомпенсация – сверхвосстановление затраченных энергетических ресурсов.
Использованная литература
1. Биохимия. Учебник для институтов физической культуры/ под ред. В.В. Меньшикова и Н.И. Волкова – М.: ФиС, 1986.
2. Биохимия физической культуры и спорта. Учебно-методическое пособие (сост. Г.Е. Медведева, Т.В. Соломина) – Челябинск, 2003.
3. Биоэнергетика мышечной деятельности. Учебное пособие. Г.Е. Медведева - Челябинск, 2003.
4. Особенности процессов энергообеспечения физических нагрузок в циклических видах спорта. Учебное пособие. Т.В. Соломина – Омск, Челябинск, 1987.
5. Биохимия обменных процессов. Учебное пособие для студентов институтов и факультетов физической культуры. – Челябинск, 1999.
6. Биохимические изменения в организме при мышечной деятельности. Методические рекомендации по выполнению курсовой работы. Сост. Т.В. Соломина, Н.В. Князев – Челябинск, 2005.