ФизиологиЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ аэробики

Слово «аэробика», прежде всего, связано с именем известного американского врача Кеннета Купера. В конце 60-х годов под его руководством проводилась исследовательская работа для военно-воздушных сил США по аэробной тренировке. Основы этой тренировки, ориентированные на широкий круг читателей, были изложены в книге "Аэробика", изданной в 1963 году.

В широком смысле к аэробике относятся все виды физических упражнений, выполняемых в режиме аэробного энергообеспечения мышечной деятельности. В основном это упражнения циклического характера: ходьба, бег, плавание, езда на велосипеде, ходьба и бег на лыжах, гребля, и пр. Однако такими упражнениями могут считаться так же, например, игра в футбол, баскетбол, гандбол, водное поло умеренной интенсивности, т.е. такие упражнения, которые в своей основе имеют циклические двигательные действия, такие как бег, ходьба или плавание. Такие упражнения повышают потребление кислорода организмом во время занятий и значительно увеличивают энергозатраты.

Для того чтобы понять физиологический механизм и биохимические процессы, происходящие в сокращающихся мышцах, необходимо рассмотреть строение мышечного волокна.

Структурной единицей мышечного волокна являются миофибриллы – особым образом организованные пучки белков, располагающиеся вдоль клетки. Миофибриллы в свою очередь построены из белковых нитей (филаментов) двух типов – толстых и тонких. Основным белком толстых нитей является миозин, а тонких – актин. Миозиновые и актиновые нити – главный компонент всех сократительных систем в организме.

Электронно-микроскопическое изучение показало строго упорядоченное расположение миозиновых и актиновых нитей в миофибрилле. Функциональной единицей миофибриллы является саркомер – участок миофибриллы между двумя Z-пластинками. Саркомер включает в себя пучок миозиновых нитей, серединой сцепленных по так называемой М-пластине, и проходящих между ними волокон актиновых нитей, которые в свою очередь прикреплены к Z-пластинам.

М-линия (пластина)

Поперечное сечение

Z-пластина

Рис. 1. Схема строения участка миофибриллы.

Сокращение происходит путем скольжения тонких актиновых и толстых миозиновых нитей навстречу друг другу или вдвигания актиновых нитей между миозиновыми в направлении М-линии. Это происходит в результате того, что под влиянием нервного импульса в саркоплазме миофибриллы возникают условия, в результате которых начинаются образовываться химические связи («мостики») между молекулами миозина и актина, что приводит к механическому движению нитей относительно друг друга (рис. 2). И чем мощнее и длительнее этот нервный импульс, тем большее количество таковых «мостиков» образуется.

М-линия (пластина)Z-пластина

Рис. 2. Схема преобразования химических связей в механическое движение.

Максимальное укорочение достигается тогда, когда Z-пластинки, к которым прикреплены актиновые нити, приближаются к концам миозиновых нитей. При сокращении саркомер укорачивается на 25-50 % (рис. 3).

Расслабленная мышца

Сокращенная мышца

Рис. 3. Схема мышечного сокращения.

Саркоплазма, вмещающая миофибриллы, пронизана между ними сетью цистерн и трубочек эндоплазматического ретикулума, а также системой поперечных трубочек, которые тесно контактируют с ним, но не сообщаются.

Скольжение актиновых и миозиновых нитей относительно друг друга происходит в результате того, что потенциальная химическая энергия, находящаяся в структурных элементах мышечного волокна, переходит в потенциальную механическую энергию напряжения и кинетическую энергию движения. Химические превращения в мышце протекают как при наличии кислорода (в аэробных условиях), так и при отсутствии кислорода(в анаэробных условиях).

Первичным источником энергии для сокращения мышц служит расщепление АТФ – аденозинтрифосфорная кислота, состоящая из белка аденозин и трех остатков фосфорной кислоты (фосфатов):

АДЕНОЗИН	фосфат
фосфат
фосфат

Под действием нервного импульса в тканях мышц создаются условия, при которых один фосфат отщепляется от АТФ, при этом разрываются внутримолекулярные связи, образуется молекула аденозиндифосфата (АДФ) и свободного фосфата и при этом освобождается химическая энергия, в дальнейшем расходующаяся на сокращение мышечных волокон.

Эту реакцию можно представить в следующем виде:

АТФ ¨ АДФ + Ф + Q (кал)

АДФ в ходе дальнейших трансформаций дефосфолирируется до адениловой кислоты с образованием дополнительных молекул АТФ:

2 АДФ ¨ АТФ + АМФ

Запасы АТФ в мышце незначительны и, чтобы поддерживать их деятельность, необходим непрерывный ресинтез (восстановление) АТФ. Он происходит за счет энергии, получаемой при распаде креатинфосфата (КрФ) на креатин (Кр) и фосфорную кислоту (анаэробная фаза). С помощью ферментов фосфатная группа от КрФ быстро переносится на АДФ (в течение тысячных долей секунды):

АДФ + КрФ ¨ АТФ + Кр,

АТФ ¨ АДФ + Ф + Q (кал)

2 АДФ ¨ АТФ + АМФ

При продолжении мышечной деятельности запасы КрФ тоже заканчиваются, а значит, снижается и ресинтез АТФ. Таким образом, содержание веществ, способных отдавать энергию падает, а значит и мышцы могут прекратить свою деятельность.

Для создания условий для ресинтеза АТФ необходимо наличие КрФ, что достигается за счет образования новых молекул КрФ с привлечением энергии, образующейся при расщеплении гликогена, находящегося в мышцах и глюкозы, находящейся в крови. При этом, если мышцы выполняют мощную и быструю работу, то эти процессы идут без привлечения кислорода (анаэробная фаза), но тогда при этом образуется молочная кислота (лактат):

глюкоза (гликоген) ¨ Q (на 2 АТФ) + молочная кислота

Кр + Ф + Q ¨ КрФ,

АДФ + КрФ ¨ АТФ + Кр,

АТФ ¨ АДФ + Ф + Q (кал)

2 АДФ ¨ АТФ + АМФ

Таким образом, анаэробные процессы энергообразования протекают по меньшей мере в виде двух типов реакций:

1) креатинфосфокиназная– когда осуществляется расщепление КрФ, фосфорные группировки с которого переносятся на АДФ, ресинтезируя при этом АТФ. Но запасы креатинфосфата в мышцах невелики и это обусловливает быстрое (в течение 2–4 сек) угасание этого типа реакции;

2) гликолитическая (гликолиз)– развивается медленнее, в течение 2—3 мин интенсивной работы. Гликолиз начинается с фосфолирирования запасов гликогена мышц и поступающей с кровью глюкозы. Энергии этого процесса хватает на несколько минут напряженной работы. На этом этапе завершается первая стадия фосфолирирования гликогена и происходит подготовка к окислительному процессу. Затем наступает вторая стадия гликолитической реакции – дегидрогенирование и третья – восстановление АДФ в АТФ. Гликолитическая реакция заканчивается образованием двух молекул молочной кислоты.

Вследствие того, что в результате протекания анаэробных реакций не требуется большого количества кислород, хотя в дальнейшем его потребление увеличивается для погашения кислородного долга, сердечно-сосудистая и дыхательная системы во время упражнений работают не интенсивно, что не приводит к их дальнейшему существенному развитию. Кроме того, как отмечалось выше, в тканях организма накапливается молочная кислота, которая смещает внутреннюю среду организма в кислую сторону, что приводит к нарушению ферментативных реакций и при неправильном планировании тренировок может привести к угнетению и дезорганизации обмена веществ и снижению работоспособности мышц.