Энергия в мышцах во время тренировки
Статья посвящена тому, как расходуется, распределяется и восстанавливается энергия во время и после тренировки.
Начало тренировки
В самом начале тренировки, или когда энергозатраты резко возрастают (спринт), потребность в энергии больше, чем уровень, с которым происходит синтез АТФ с помощью окисления углеводов. Вначале углеводы «сжигаются» анаэробно (без участия кислорода), это процесс сопровождается выделением молочной кислоты (лактата). В результате освобождается некоторое количество АТФ — меньше, чем при аэробной реакции (с участием кислорода), но быстрее.
Другим «быстрым» источником энергии, идущим на синтез АТФ, является креатин фосфат. Небольшие количества этого вещества содержатся в мышечной ткани. При распаде креатин фосфата освобождается энергия, необходимая для восстановления АДФ до АТФ. Этот процесс протекает очень быстро, и запасов креатин фосфата в организме хватает лишь на 10-15 секунд «взрывной» работы, т. е. креатин фосфат является своеобразным буфером, покрывающим краткосрочный дефицит АТФ.
Втягивающий период тренировки
В это время в организме начинает работать аэробный метаболизм углеводов, прекращается использование креатин фосфата и образование лактата. Запасы жирных кислот мобилизуются и становятся доступными как источник энергии для работающих мышц, при этом повышается уровень восстановления АДФ до АТФ за счет окисления жиров.
Основной период тренировки
Между пятой и пятнадцатой минутой после начала тренировки в организме повышенная потребность в АТФ стабилизируется. В течение продолжительной, относительно ровной по интенсивности тренировки синтез АТФ поддерживается за счет окисления углеводов (гликогена и глюкозы) и жирных кислот. Запасы креатин фосфата в это время постепенно восстанавливаются.
При возрастании нагрузки (например, при беге в гору) расход АТФ увеличивается, причем, если это возрастание значительное, организм вновь переходит на анаэробное окисление углеводов с образованием лактата и использование креатин фосфата. Если организм не успевает восстанавливать уровень АТФ, может быстро наступить состояние усталости.
Какие источники энергии используются в процессе тренировки?
Углеводы являются самым важным и самым дефицитным источником энергии для работающих мышц. Они необходимы при любом виде физической активности. В организме человека углеводы хранятся в небольших количествах в виде гликогена в печени и в мышцах. Во время тренировки гликоген расходуется, и вместе с жирными кислотами и глюкозой, циркулирующей в крови, используется как источник мышечной энергии. Соотношение различных используемых источников энергии зависит от типа и продолжительности упражнений.
Несмотря на то, что в жире больше энергии, его утилизация происходит медленнее, и синтез АТФ через окисление жирных кислот поддерживается использованием углеводов и креатин фосфата. Когда запасы углеводов истощаются, организм становится не в состоянии переносить высокие нагрузки. Таким образом, углеводы являются источником энергии, лимитирующим уровень нагрузки во время тренировки.
Факторы, ограничивающие энергозапасы организма во время тренировки.
1. Источники энергии, используемые при различных типах физической активности
слабая интенсивность (бег трусцой): Требуемый уровень восстановления АТФ из АДФ относительно низок, и достигается окислением жиров, глюкозы и гликогена. Когда запасы гликогена исчерпаны, возрастает роль жиров как источника энергии. Поскольку жирные кислоты окисляются довольно медленно, чтобы восполнять расходуемую энергию, возможность долго продолжать подобную тренировку зависит от количества гликогена в организме. средняя интенсивность (быстрый бег): Когда физическая активность достигает максимального для продолжения процессов аэробного окисления уровня, возникает потребность быстрого восстановления запасов АТФ. Углеводы становятся основным топливом для организма. Однако только окислением углеводов требуемый уровень АТФ поддерживаться не может, поэтому параллельно происходит окисление жиров и образование лактата. максимальная интенсивность (спринт):
Синтез АТФ поддерживается, в основном, использованием креатин фосфата и образование лактата, поскольку метаболизм окисления углеводов и жиров не может поддерживаться с такой большой скоростью.
2. Продолжительность тренировки
Тип источника энергии зависит от продолжительности тренировки. Сначала происходит выброс энергии за счет использования креатин фосфата. Затем организм переходит на преимущественное использование гликогена, что обеспечивает энергией приблизительно на <nobr>50-60%</nobr> синтез АТФ. Остальную часть энергии на синтез АТФ организм получает за счет окисления свободных жирных кислот и глюкозы. Когда запасы гликогена истощаются, основным источником энергии становятся жиры, в то же время из углеводов начинает больше использоваться глюкоза.
3. Тип тренировки
В тех видах спорта, где периоды относительно низких нагрузок сменяются резкими повышениями активности (футбол, хоккей, баскетбол), происходит чередование использования креатин фосфата (во время пиков нагрузки) и гликогена как основных источников энергии для синтеза АТФ. В течение «спокойной» фазы в организме восстанавливаются запасы креатин фосфата.
4. Тренированность организма
Чем тренированнее человек, тем выше способность организма к окислительному метаболизму (меньше гликогена превращается в лактозу) и тем экономичнее расходуются запасы энергии. То есть, тренированный человек выполняет какое-либо упражнение с меньшим расходом энергии, чем нетренированный.
5. Диета
Чем выше уровень гликогена в организме перед началом тренировки, тем позднее настанет утомление. Чтобы повысить запасы гликогена, необходимо увеличить потребление пищи, богатой углеводами. Специалисты в области спортивного питания рекомендуют придерживаться таких диет, в которых до 70% энергетической ценности составляли бы углеводы.
Рекомендуемая спортсменам пища, богатая углеводами:
рис
паста (макаронные изделия)
хлеб
зерновые злаки
корнеплоды
Спортсмены должны съедать в день не менее 500 г углеводов. Ниже, в таблице приведено примерное содержание углеводов в различных видах пищи:
Пища — Содержание углеводов (г)
Большая порция спагетти — 90
Большая порция риса — 60
Большая порция картофеля в мундире — 45
Банка бобов — 45
Два куска белого хлеба — 30
500 мл молока — 30
Банан — 20
Яблоко — 10
Из приведенной таблицы видно, что чтобы получить 500 г углеводов, съесть придется довольно много всего, поэтому многие спортсмены предпочитают употреблять специализированные углеводные добавки (глюкозу, спортивные напитки с углеводами).
Аэробные тренировки
Тренировки и пульс
Теория аэробных тренировок
Источником энергии в клетках является вещество аденозинтрифосфат (АТФ), которое при необходимости распадается до аденозинфосфата (АДФ):
АТФ → АДФ + энергия.
При интенсивной нагрузке имеющийся запас АТФ расходуется всего за 2 секунды. Однако АТФ непрерывно восстанавливается из АДФ, что позволяет мышцам продолжать работать. Существует три основные системы восстановления АТФ: фосфатная, кислородная и лактатная.
Фосфатная система
Фосфатная система выделяет энергию максимально быстро, поэтому она важна там, где требуется стремительное усилие, например, для спринтеров, футболистов, прыгунов в высоту и длину, боксеров и теннисистов.
В фосфатной системе восстановление АТФ происходит за счет креатинфосфата (КрФ), запасы которого имеются непосредственно в мышцах:
КрФ + АДФ → АТФ + креатин.
При работе фосфатной системы не используется кислород и не образуется молочная кислота.
Фосфатная система работает только в течение короткого времени — при максимальной нагрузке совокупный запас АТФ и КрФ истощается за 10 секунд. После завершения нагрузки запасы АТФ и КрФ в мышцах восстанавливаются на 70% через 30 секунд и полностью — через 3–5 минут. Это нужно иметь в виду при выполнении скоростных и силовых упражнений. Если усилие длится дольше 10 секунд или перерывы между усилиями слишком короткие, то включается лактатная система.
Кислородная система
Кислородная, или аэробная, система важна для спортсменов на выносливость, так как она может поддерживать длительную физическую работу.
Производительность кислородной системы зависит от способности организма транспортировать кислород в мышцы. За счет тренировок она может вырасти на 50%.
В кислородной системе энергия образуется, главным образом, в результате окисления углеводов и жиров. Углеводы расходуются в первую очередь, так как для них требуется меньше кислорода, а скорость выделения энергии выше. Однако запасы углеводов в организме ограничены. После их исчерпания подключаются жиры — интенсивность работы при этом снижается.
Соотношение используемых жиров и углеводов зависит от интенсивности упражнения: чем выше интенсивность, тем больше доля углеводов. Тренированные спортсмены используют больше жиров и меньше углеводов по сравнению с неподготовленным человеком, то есть более экономично расходуют имеющиеся запасы энергии.
Окисление жиров происходит по уравнению:
Жиры + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода.
Распад углеводов протекает в два шага:
Глюкоза + АДФ → АТФ + молочная кислота.
Молочная кислота + кислород + АДФ → АТФ + углекислый газ + вода.
Кислород требуется только на втором шаге: если его достаточно, молочная кислота не накапливается в мышцах.
Лактатная система
При высокой интенсивности нагрузки поступающего в мышцы кислорода не хватает для полного окисления углеводов. Образующаяся молочная кислота не успевает расходоваться и накапливается в работающих мышцах. Это приводит к ощущению усталости и болезненности в работающих мышцах, а способность выдерживать нагрузку снижается.
В начале любого упражнения (при максимальном усилии — в течение первых 2 минут) и при резком увеличении нагрузки (при рывках, финишных бросках, на подъемах) возникает дефицит кислорода в мышцах, так как сердце, легкие и сосуды не успевают полностью включиться в работу. В этот период энергия обеспечивается за счет лактатной системы, с выработкой молочной кислоты. Чтобы избежать накопления большого количества молочной кислоты в начале тренировки, нужно выполнить легкую разогревающую разминку.
При превышении определенного порога интенсивности организм переходит на полностью анаэробное энергообеспечение, в котором используются только углеводы. Из-за нарастающей мышечной усталости способность выдерживать нагрузку истощается в течение нескольких секунд или минут, в зависимости от интенсивности и уровня подготовки.
Влияние молочной кислоты на работоспособность
Рост концентрации молочной кислоты в мышцах имеет несколько последствий, которые нужно учитывать при тренировках:
- Нарушается координация движений, что делает тренировки на технику неэффективными.
- В мышечной ткани возникают микроразрывы, что повышает риск травм.
- Замедляется образование креатинфосфата, что снижает эффективность спринтерских тренировок (тренировок фосфатной системы).
- Снижается способность клеток окислять жир, что сильно затрудняет энергообеспечение мышц после истощения запасов углеводов.
В условиях покоя на нейтрализацию половины молочной кислоты, накопившейся в результате усилия максимальной мощности, организму требуется около 25 минут; за 75 минут нейтрализуется 95% молочной кислоты. Если вместо пассивного отдыха выполняется легкая заминка, например, пробежка трусцой, то молочная кислота выводится из крови и мышц намного быстрее.
Высокая концентрация молочной кислоты может вызвать повреждение стенок мышечных клеток, что приводит к изменениям в составе крови. Для нормализации показателей крови может потребоваться от 24 до 96 часов. В этот период тренировки должны быть легкими; интенсивные тренировки сильно замедлят восстановительные процессы.
Слишком высокая частота интенсивных нагрузок, без достаточных перерывов на отдых, приводит к снижению работоспособности, а в дальнейшем — к перетренированности.
Запасы энергии
Энергетические фосфаты (АТФ и КрФ) расходуются за 8–10 секунд максимальной работы. Углеводы (сахар и крахмалы) откладываются в печени и мышцах в виде гликогена. Как правило, их хватает на 60–90 минут интенсивной работы.
Запасы жиров в организме практически неисчерпаемы. Доля жировой массы у мужчин составляет 10–20%; у женщин — 20–30%. У хорошо тренированных спортсменов на выносливость процент жира может находиться в диапазоне от максимально низкого до относительно высокого (4–13%).
| * Высвобождаемая энергия при переходе в АДФ | |||||
| * Высвобождаемая энергия при переходе в АДФ | |||||
| Источник | Запас (при весе 70 кг) | Длительность Дли- тель- ность интенсивной работы | Энергети- ческая система | Особенности | |
|---|---|---|---|---|---|
| Граммы | Ккал | ||||
| Фосфаты (фосфатная система энергообеспечения) | |||||
| Фосфаты | 230 | 8* | 8—10 секунд | Фосфатная | Обеспечивают «взрывную» силу. Кислород не требуется |
| Гликоген (кислородная и лактатная системы энергообеспечения) | |||||
| Гликоген | 300— 400 | 1 200— 1 600 | 60—90 минут | Кислородная и лактатная | При нехватке кислорода образуется молочная кислота |
| Жиры (кислородная система энергообеспечения) | |||||
| Жиры | Больше 3 000 | Больше 27 000 | Больше 40 часов | Кислородная | Требуют больше кислорода; интенсивность работы снижается |
По книге Петера Янсена «ЧСС, лактат и тренировки на выносливость».
Подробная статья об основных источниках энергообразования в организме
Работа мышцы связана со значительной затратой энергии. Из-за разной активности ее расход сильно отличается у разных людей. Суточные затраты энергии человека, который интенсивно тренируется больше чем в 2 раза превышают затраты человека, который не занимается спортом.
При физической нагрузке энергозатраты существенно возрастают за счет работы мышц. Они расходуют приблизительно 90 процентов всей энергии, тогда как в состоянии покоя их потребности составляют не больше 40 процентов. В некоторых органах человеческого организма при мышечной активности расход энергии может как увеличиваться, так и сокращаться.
Главным источником энергии при мышечной работе является АТФ. При реакции, которая носит название ферментативный гидролиз, происходит освобождении энергии АТФ.
АТФ + H2O = АДФ + H3PO4 + энергия.
Количество процессов, которые потребляют энергию АТФ, достаточно высоко, хотя содержание самой АТФ в мышцах невелико, приблизительно 0,4-0,5 процента от массы мышцы. Этих запасов хватает на 1-2 секунды работы мышцы с околомаксимальной интенсивностью.
Стабильная работа мышцы возможна лишь при концентрации АТФ в диапазоне 0,25 – 0,5 процента от ее массы.
Для поддержания высокого уровня концентрации АТФ при мышечной работе существует несколько способов ее восполнения, которые называют ресинтезом АТФ . Этот процесс выражается формулой:
АДФ +H3PO4 + энергия = АТФ + H2O
Ресинтез АТФ может быть двух видов. Первый — это аэробный, для осуществления которого нужен кислород, второй — анаэробный, который не требует его участия.
Аэробное окисление является основным процессом, с помощью которого осуществляется ресинтез АТФ при повседневной деятельности. Количество энергии, поставляемое аэробным окислением, во много раз превышает аналогичные показатели анаэробных. Основной «пищей» для этого процесса служат углеводы и жиры. В конце аэробного превращения образуются продукты распада H2O и СО2 которые легко выводятся из организма.
К недостаткам аэробного окисления по сравнению с анаэробными процессами можно отнести низкую скорость развертывания и ограниченную максимальную мощность.
У нетренированных людей аэробный ресинтез АТФ достигает своей максимальной интенсивности после 3-4 минут напряженной мышечной работы, у спортсменов это время значительно сокращается.
Анаэробные процессы ресинтеза АТФ имеют гораздо более высокую скорость развертывания и максимальную мощность.
Можно выделить три основных механизма ресинтеза АТФ:
- креатинфосфокиназная реакция, которую также называют креатинфосфатной;
- гликолиз;
- миокиназная реакция.
Креатинфосфатная реакция является самым быстро развертывающимся и обладающим самой большой мощностью механизмом ресинтеза АТФ, он достигает максимальной мощности уже через 1-3 секунды с начала интенсивной работы и предотвращает резкое снижение концентрации АТФ.
Так, креатинфосфатная реакция выполняет важную роль для обеспечения энергией кратковременных упражнений максимальной мощности (спринтерский бег, различные прыжки).
При исчерпании запасов креатинфосфата его основное количество восстанавливается в течение 3-8 минут, а полное восстановление – через 20-40 минут после завершения нагрузок.
К еще одному важному механизму ресинтеза АТФ относят также гликолиз. Он является начальным этапом расщепления углеводов (гликогена и глюкозы), который завершается образованием пировиноградной или молочной кислоты.
Гликолиз уступает креатинфосфатной реакции и по скорости развертывания, которая зависит от интенсивности выполняемого упражнения и тренированности человека, и по максимальной мощности. У тренированных людей гликолиз достигает максимальной мощности в течение 20-40 секунд после начала интенсивного упражнения. При регулярных тренировках можно увеличить скорость развертывания и мощность гликолиза.
Гликолиз характеризуется менее высокой энергетической эффективностью в связи с тем, что большое количество энергии, которая находится в углеводах, не освобождается, а сохраняется в молочной кислоте. Интенсивная работа приводит к быстрому истощению запасов гликогена в мышцах.
Гликолиз является основным механизмом энергообеспечения при выполнении упражнений с максимальной интенсивностью продолжительностью 30 – 180 секунд, например, при вольной борьбе или в гимнастике.
К анаэробным механизмам ресинтеза АТФ также относят миокиназную реакцию, которую еще называют «механизмом последней помощи». Она запускается тогда, когда все остальные процессы ресинтеза АТФ практически полностью себя исчерпают. Это случается при окончании очень интенсивной мышечной работы.
Вывод. Анаэробные процессы энергообразования являются основными во время выполнения непродолжительной интенсивной нагрузки, а работа с умеренной мощностью характеризуется практически полным аэробным энергообеспечением и возможностью длительного выполнения.
Автор: Вячеслав Казанцев