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.

Оба этих факта не являются способствующими серьезному укреплению здоровья.

К несколько другим результатам приводит аэробный процесс энергообеспечения мышечной деятельности. При выполнении умеренной работы, развертывающиеся в мышцах процессы протекают медленнее и поэтому образование энергии, требующейся для восстановления АТФ, протекает с использованием кислорода (О₂) – аэробная фаза энергообеспечения мышечной деятельности:

глюкоза (гликоген)  Q (2 АТФ) + молочная кислота + О₂ 

 Q (на 38 АТФ) + Н₂О + СО₂

молочная кислота + О₂  Н₂О + СО₂

При дальнейшем совершении мышечной работы с ЧСС (частота сердечных сокращений) 110-130 уд/мин (ударов в минуту) на протяжении 20-30 минут, уровень глюкозы в крови снижается до определенного уровня, и, соответственно, создаются условия для сжигания жиров, что способствует снижению жирового компонента общей массы тела:

жир + О₂  …  Q (значительно больше, чем на 38 АТФ) + Н₂О + СО₂

Таким образом, при аэробных процессах вырабатывается значительно большее количество энергии, чем при анаэробных реакциях. Углекислый газ и вода являются основными продуктами распада при аэробном способе выработки энергии и легко удаляются из организма при помощи дыхания и пота.

Функционирование систем организма с повышенной интенсивностью по сравнению с состоянием покоя, направленных на обеспечение длительной мышечной деятельности способствует и адаптации организма к длительной физической работе умеренной мощности, создавая тем самым условия для формирования хорошего здоровья.

Поскольку количества жира в организме практически неограниченно, то при известном уровне развития выносливости (правильнее сказать: при способности организма вырабатывать энергию этим способом) работа такой интенсивности может совершаться долгое время, причем без существенного накопления молочной кислоты. При этом функциональные системы организма, обеспечивающие мышечную деятельность (сердечно-сосудистая, дыхательная, система крови, выделительная, эндокринная, нервная и др.) работают с повышенной интенсивностью, что приводит к значительному увеличению общего кровотока. А раз общий кровоток увеличен, значит, ускоряются обменные процессы во всех органах и системах, увеличивается трофика тканей, улучшается морфо-функциональное состояние организма, создаются резервы функций, а значит и здоровья в целом.