Биоэнергетика мышечной деятельности в скалолазании

Любое двигательное действие осуществляется с помощью мышечного сокращения. Но для того, чтобы осуществить двигательное действие, помимо фазы сокращения, необходимо наличие фазы расслабления. Для последовательной смены фаз необходима энергия, именно о ней мы и поговорим в этой статье.

Для начала поверхностно разберем процесс произвольного мышечного сокращения. Этот процесс начинается с формирования двигательного импульса (потенциала действия) в коре головного мозга. Затем этот импульс двигаясь по нейронам достигает «границы» мышечной ткани, преодолевая нервно-мышечный синапс (место перехода двигательного импульса от нервной ткани к мышечной), вызывает серию реакций, заканчивающихся сокращением мышечной ткани. Ключевое место в этом процессе занимает молекула АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).
При гидролизе (химическая реакция распада вещества при взаимодействии с водой) АТФ, энергия химической связи преобразуется в механическую энергию, позволяя актин-миозиновому комплексу (ключевой элемент мышечной системы, непосредственно способствующий мышечному сокращению) совершить механическую работу (перемещение).
Для мышечного расслабления, так же необходима энергия гидролиза АТФ, для разрыва связи актин-миозинового комплекса.

Теперь непосредственно поговорим о молекуле АТФ. Для продолжительного осуществления мышечной деятельности необходимо
огромное количество молекул АТФ, мы уже знаем, что эти молекулы занимают центральное место в мышечной деятельности. И тут мы сталкиваемся с главной проблемой энергетического обеспечения – очень малым запасом АТФ в мышечной ткани, около 5 ммоль/кг, этого количества «топлива» хватит на обеспечение работы продолжительностью до 2 секунд.

Для более продолжительной работы, нам необходимо постоянно восполнять запасы АТФ, процесс восполнения запасов АТФ называется ресинтезом АТФ и протекает с потреблением энергии.

Существует три пути ресинтеза АТФ: а) аэробный; б) креатинфосфатный (анаэробный-алактатный); в) гликолитический (анаэробный-лактатный).

Все пути ресинтеза АТФ (энергообеспечения), можно описать количественными критериями: а) максимальная мощность – наибольшее
количество АТФ, которое может образоваться в единицу времени данным путем ресинтеза, измеряется в кал/мин*кг мышечной ткани или Дж/мин*кг мышечной ткани; б) время развертывания – минимальное время, необходимое для выхода данного пути ресинтеза АТФ на свою максимальную мощность, измеряется в единицах времени (секундах, минутах); в) время удержания максимальной мощности – продолжительность функционирования пути ресинтеза АТФ на максимальной мощности, измеряется в единицах времени (секунды, минуты, часы); г) метаболическая емкость – суммарное количество АТФ, произведенное конкретным путем ресинтеза.

Краткая характеристика каждого из путей энергообеспечения (подробные механизмы протекания каждого из путей ресинтеза АТФ в данной статье описываться не будут, т.к. для этого придется использовать много специализированных понятий, что затруднит восприятие материала):

• 1. Аэробный путь ресинтеза АТФ (тканевое дыхание) – базовый путь ресинтеза АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. Для протекания данного пути ресинтеза необходимо наличие кислорода, поэтому он называется аэробным.
  В ходе тканевого
  дыхания от окисляемого вещества отнимается два атома водорода (2 протона и 2 электрона) и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород (О2), доставляемый в мышцы по кровеносной системе, в результате чего возникает вода.
  Благодаря энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ (аденозиндифосфат, возникает в результате гидролиза АТФ) и фосфорной кислоты (Н3РО4).
  На образовавшуюся молекулу воды приходится три молекулы АТФ (схема 1).
  
  
  
  
  
  
  Скорость протекания данного пути ресинтеза АТФ, зависит от содержания в мышечной клетке АДФ, являющийся активатором тканевого дыхания. В покое, когда в мышечных клетках почти нет АДФ, тканевое дыхание функционирует очень медленно.
  
  Данный путь ресинтеза АТФ характеризуется следующими количественными критериями:
  
  
  
  • а) максимальная мощность – 350-450 кал/мин*кг.
    Сравнивая этот показатель с показателями другимх путей ресинтеза АТФ, тканевое дыхание обладает самой низкой мощностью;
    
  • б) время развертывания – 3-4 минуты (у тренированных спортсменов может достигать 1 минуты). Это связано с необходимостью доставки
    кислорода в мышцу, для этого необходимо максимальное развертывание дыхательной системы, сердечно-сосудистой системы и системы крови;
    
  • в) время работы на максимальной мощности – десятки минут. Такое продолжительное время поддержания максимальной мощности объясняется тем, что предшественниками окисляемого вещества могут выступать и углеводы и жиры и даже
    аминокислоты;
    
  • г) метаболическая емкость – образуется огромное количество молекул АТФ, это возможно благодаря очень глубокому окислению веществ и длительному времени функционирования данного пути ресинтеза АТФ.
    
  
  
  
• 2. Креатинфосфатный (анаэробный-алактатный) путь ресинтеза АТФ – путь ресинтеза АТФ, обеспечивающий мышцы энергией до выхода аэробного пути на максимальную мощность и при выполнении работы высокой мощности. Содержание креатинфосфата в
  мышечных клетках в состоянии покоя – 15-20 ммоль/кг.
  Креатинфосфат относится к группе так называемых макроэргических соединений, обладая огромной энергией химических связей. Еще
  одной важной характеристикой креатинфосфата является его высокое сродство к АДФ, как мы уже знаем, количество АДФ при физической работе возрастает. В результате химической реакции, остаток фосфорной кислоты с креатинфосфата переходит к АДФ,
  образуя АТФ и креатин (схема 2).
  
  
  
  
  
  
  Данный путь ресинтеза АТФ характеризуется следующими критериями:
  
  
  
  • а) максимальная мощность – 900-1100 кал/мин*кг. Это в три раза выше чем при аэробном ресинтезе. Такая высокая мощность обусловлена высокой активностью ферментов, обеспечивающих протекание данной химической реакции;
    
  • б) времяразвертывания – 1-2 секунды. Запаса АТФ в мышцах как раз хватает на это время. Такое быстрое развертывание объясняется механизмами регуляции данного пути ресинтеза АТФ, при достижении двигательным импульсом мышечной клетки, происходит высвобождение ионов Ca++ из своих депо, их концентрация в клетке увеличивается в 1000 раз, именно ионы Ca++ регулируют скорость протекания креатинкиназной реакции;
    
  • в) время работы с максимальной мощностью – до 10 секунд, это связано с небольшим исходным запасом креатинфосфата в мышцах и высокой скоростью его расходования;
    
  • г) метаболическая емкость – меньше чем у аэробного пути ресинтеза АТФ, это определяется малым временем функционирования с максимальной мощностью.
    
    
    
    
    • 3. Гликолитический (анаэробно-лактатный) путь ресинтеза АТФ. Этот путь ресинтеза АТФ включается в действие при работе высокой мощности, которую необходимо поддерживать более 10 секунд, это время, когда мощность креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ уже снижается. При гликолитическом пути ресинтеза АТФ окисляемым веществом выступает внутримышечный гликоген и глюкоза (анаэробный распад клюкозы), приносимая кровью в мышцы из резервных депо, например, из печени. Одним из продуктов гликолиза выступает молочная кислота (лактат). Химические преобразования представлены на схеме 3.
      
      
      
      
      
      
      Данный путь ресинтеза АТФ характеризуется следующими критериями:
      
      
      
      • а) максимальная мощность – 750-850 кал/мин*кг. Примерно в два раза превышает данный показатель у тканевого дыхания. Такой показатель максимальной мощности объясняется высоким содержанием гликогена в мышце и наличием механизмов активации деятельности ферментов, увеличивающих скорость гликолиза в 2000 раз;
        
      • б) время развертывания – 20-30 секунд. Такое короткое время развертывания, объясняется наличием всех компонентов гликолиза в саркоплазме мышцы. Так же, активатором гликолиза выступают ионы Ca++, мы уже говорили, что их концентрация в мышце, под действием двигательного импульса увеличивается в 1000 раз;
        
      • в) время работы с максимальной мощностью – 2-3 минуты. Это объясняется тем, что гликолиз протекает с высокой скоростью, что вызывает быстрое истощение окисляемых веществ. Еще одной причиной столь непродолжительного функционирования, выступает накопление в мышечной ткани продуктов химической реакции, в частности молочной кислоты. Повышение концентрации лактата в мышце приводит к смещению водородного показателя в кислую сторону, это негативно отражается на активности ферментов осуществляющих гликолиз;
        
      • г) метаболическая емкость – выше чем у креатинфосфатного пути, но ниже аэробного. Это определяется временными и мощностными факторами функционирования данного пути ресинтеза АТФ
        
      
      
    
    
    
    
    
    
    
    Теперь затронем вопрос соотношения между тремя путями ресинтеза АТФ. Исходной переменной, от которой будет зависеть вовлеченность каждого из процессов энергообеспечения, выступает мощность выполняемой работы. Чем выше мощность работы, тем больше количества АТФ необходимо произвести в единицу времени. Самое большое количество АТФ в единицу времени производится в процессе креатинфосфатной реакции, ее показатель лежит в диапазоне от 900 до 1100 кал/мин*кг. На втором месте по этому показателю находится гликолитический механизм энергообеспечения, его показатель приблизительно равен 800 кал/мин*кг.
    
    Самым низким показателем максимальной мощности процесса энергообеспечения обладает аэробный механизм, примерно 400 кал/мин*кг. Энергообеспечение не может обеспечиваться исключительно одним из рассматриваемых механизмов в чистом виде, при работе любой мощности, все пути ресинтеза АТФ внося свой вклад в энергообеспечение, но в зависимости от мощности, один из
    механизмов является ведущим.
    Например, выполняя работу максимальной мощности, ведущим механизмом энергообеспечения будет выступать креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ, как только будет исчерпан потенциал данного механизма энергообеспечения, нам придется снизить мощность выполняемой работы, либо прекратить ее выполнение.
    
    В качестве примера, хорошо иллюстрирующего вышесказанное, представьте, что вы хотите пробежать 3000 метров, удерживая максимальную скорость, вы вышли на стартовую линию и по сигналу стартового пистолета начали свой бег. На первых метрах дистанции, вы уверенно набираете скорость, энергетический запрос на выполнение данной работы возрастает.
    
    Набрав максимальную скорость, примерно к 60 метру, вы чувствуете, что бежать быстрее не получается и стараетесь удерживать максимальную скорость, в этот момент, ваш энергетический запрос стабилизировался, а механизмы энергообеспечения вышли на максимальную мощность.
    
    И вдруг, вы почувствовали, примерно на 110 метре дистанции, что вы больше не можете удерживать максимальную скорость, вы начинаете замедляться, именно в этот момент, вы попадаете в так называемую зону метаболического перехода, когда механизм энергообеспечения, прежде обеспечивающий поддержание максимальной мощности работы исчерпал свой ресурс, энергообеспечение «передается» следующему механизму, гликолитическому процессу, обладающего меньшей максимальной мощностью энергообеспечения.
    
    Спустя еще несколько минут, 2-3 минуты, вы заметите, что ваша скорость продолжает снижаться, энергообеспечение переходит в «руки» аэробного процесса. К концу дистанции, ведущим путем ресинтеза АТФ уже будет выступать аэробный механизм.
    В начале дистанции, развив максимальную скорость, энергообеспечение нашей работы, обеспечивалось креатинфосфатным путем ресинтеза АТФ, котрый обладает самым высоким уровнем максимальной мощности, а заканчивали дистанцию, используя аэробное энергообеспечение, обладающее наименьшей мощностью.
    
    В данном случае, мы не учитываем финишный рывок (спурт), который выполняется за счет креатинфосфатного пути, успеваюшего частично восстановить свой потенциал, пока мы находились в зоне аэробной работы. Схематично, вышесказанное можно представить следующим образом (схема 4).
    
    
    
    Примечание:
    ось Х – время, с, мин (размерность не соблюдена);
    ось У – мощность энергопроизводства, кал/мин*кг;
    сектор 1 – место выхода креатинфосфатного пути энергообеспечения на максимальную мощность;
    сектор 2 – место метаболического перехода между креатинфосфатным и гликолитическим механизмами энергообеспечения;
    сектор 3 – место метаболического перехода между гликолитическим и аэробным энергообеспечением; штриховой линией обозначается суммарная выработка АТФ
    
    
    
    Теперь, когда мы имеем общее представление об энергообеспечении мышечной деятельности, можно осуществить перенос общих знаний в рамки спортивного скалолазания, используя дидактический принцип «от общего к частному». Рассмотрим энергообеспечение в трех, основных соревновательных дисциплинах спортивного скалолазания, в боулдеринге, трудности и скорости.
    
    Но для рассмотрения картины энергообеспечения, нам необходимо ввести новое понятие – «мощность удержания зацепа». Это понятие актуально тем, что даже два одинаковых зацепа, расположенных на плоскостях с разными углами наклона, могут отличаться по показателю энергетического запроса для одного спортсмена. В данном случае, описанное выше положение, является исключительно моим субъективным допущение и безусловно требует экспериментального (констатирующего) подтверждения с использованием инструментальных методов. Мощность удержания зацепа занимает центральное место в описании процессов энергообеспечения.
    
    Дальнейшая разработка данного понятия, может привести к использованию данного понятия, как одного из объективных параметров трассы, на сегодняшний день трассы оцениваются субъективно. Мощность удержания зацепа зависит от многих переменных, например, от массы спортсмена, от способа удержания зацепа, от технической подготовленности спортсмена и других. В дальнейшем данное понятие можно будет использовать, например, для оценки технической подготовленности спортсменов.
    
    
    
    
    
    
    Боулдеринг, дисциплина, с которой мы начнем описание процессов энергообеспечения. Задача в боулдеринге – пройти серию коротких, но очень сложных трасс. Еще одно понятие, которое мы будем активно использовать – спортивное (соревновательное, специализированное) упражнение, есть процесс прохождения конкретного маршрута в боулдеринге, трудности или скорости, с соблюдением соревновательных условий.
    Когда мы проходим предельную для себя боулдеринговую трассу, мышцы – сгибатели пальцев развивают максимальную силу, чтобы удерживать зацепы, соответственно развивается максимальная для нас мощность удержания зацепа. Удерживая такую зацепу даже три секунды, чтобы, например, перенести ногу, в наших мышцах должно ресентезироваться определенное количество АТФ, мы делаем следующий перехват и удерживаем следующую зацепу еще 2 секунды и срываемся, наша система энергообеспечения не смогла предоставить необходимое количество энергии (количество АТФ) для дальнейшего удержания зацепа.
    
    Как правило процесс преодоления соревновательной трассы в боулдеринге занимает небольшое количество времени, приблизительно 30 секунд, это время зависит от параметров трассы. Неудачные попытки занимают еще меньше времени. Поэтому энергообеспечение в боулдеринге осуществляется креатинфосфатным и частично гликолитическим путями ресинтеза АТФ В трудности дело обстоит иначе, задача в трудности сводится к преодолению длинной соревновательной трассы, 50-60 зацепов (финалы Кубков мира).
    Время, затрачиваемое спортсмена на преодоление такой трассы, приблизительно 5-6 минут.
    Мощность удержания отдельных зацепов ниже по сравнению с боулдерингом, исключения могут составлять ключевые участки трассы. Поэтому энергообеспечение осуществляется преимущественно гликолитическим процессом, мышцы – сгибатели пальцев в момент срыва «забиты» (утомлены), чувствуется жжение, оно связано с накоплением в мышце продукта гликолитического энергообеспечения – молочной кислотой.
    Мышцы «набухают», это результат смещения водородного показателя (рН) внутри мышечной клетки в кислую сторону, вызывающего изменение проницаемости «стенок» клетки для молекул воды и вода из межклеточного пространства стремиться внутрь клетки.
    В скоростном лазании спортсмены развивают высочайшую мощность, пробегая эталонную трассу за 5,6 секунды, спортсмен массой 70 кг развивает мощность в 1839 Вт. Поэтому энергообеспечение в скоростном лазании обеспечивается креатинфосфатным путем ресинтеза АТФ.
    
    В заключительной части статьи поговорим о том, какими способами можно повысить эффективность энергообеспечения на тренировочных занятиях. Эффективность энергообеспечения можно повысить совокупностью двух показателей, первый показатель – мощность процесса энергообеспечения, повышается за счет увеличения ферментативной активности в том или ином процессе энергообеспечения, второй показатель – емкость механизма энергообеспечения, повышается за счет увеличения концентрации продуктов, принимающих участие в окислительных процессах того или иного пути ресинтеза АТФ.
    
    Результатом тренировок, направленных на повышение эффективности креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ станет: увеличение концентрации в мышцах креатинфосфата и повышение активности фермента креатинкиназы в совокупности это приведет к повышению так называемого алактатного кислородного долга.
    
    Результатом тренировок, направленных на повышение эффективности гликолитического пути ресинтеза АТФ станет: увеличение концентрации в мышечных клетках внутримышечного гликогена и повышение активности основных ферментов гликолиза – фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Так же повысится резистентность (нечувствительность) тканей к снижению водородного показателя (рН), повысится эффективность буферных систем крови.
    
    Ни в коем случае нельзя забывать о тренировке аэробного механизма энергообеспечения. Это очень важно, для представителей всех специализаций. В трудности аэробный механизм помогает восстановить концентрацию креатинфосфата в местах «отдыха» на трассе, хорошо развитые дыхательная и сердечно-сосудистая системы и система крови помогут утилизировать часть лактата. В боулдеринге, аэробный механизм так же помогает восстановить потенциал креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ в перерыве между попытками и трассами (в рамках соревнований). В скоростном лазании, аэробный компонент полезен в случаях перестартовок, обеспечивая восстановление ведущего пути ресинтеза АТФ для данного соревновательного упражнения.
    
    Задача данной статьи – познакомить с механизмами энергообеспечения мышечной деятельности, многие аспекты, затронутые в ней, раскрыты поверхностно, т.к. статья ориентирована на широкий круг читателей. Методики воспитания отдельных видов выносливости будут описаны в следующих статьях.
    
    Все замечания и пожелания можно оставлять в комментариях или отправлять лично автору на электронный адрес: sokolovsergei@outlook.com