Окисление мышц — это процесс, в ходе которого мышцы используют кислород для получения энергии из питательных веществ, таких как углеводы и жиры. В этом процессе происходит разложение молекул с выделением энергии, необходимой для работы мышц.
Энергия, произведенная в результате окисления, позволяет мышцам сокращаться и выполнять физическую работу. Этот процесс особенно важен во время аэробных упражнений, когда мышцы нуждаются в большом количестве кислорода для поддержания активности на протяжении длительного времени.
6. Энергетические процессы в мышцах
В процессе физической активности мышцы преобразуют химическую энергию в механическую, то есть действуют как химические двигатели, а не как тепловые машины. Для сокращения и расслабления мышц необходима энергия АТФ. Процесс разложения АТФ с отщеплением одной молекулы фосфата до аденозиндифосфата (АДФ) сопровождается выделением 10 ккал энергии на 1 моль: АТФ = АДФ + Ф + Эн.
Однако запасы АТФ в мышцах сравнительно малы (порядка 5 ммоль/л), и их хватает всего на 1–2 секунды активной работы. Запасы АТФ в мышцах не могут увеличиваться, так как при его недостатке возникает контрактура (из-за сбоя кальциевого насоса мышцы теряют способность расслабляться), а при избыточном уровне – эластичность мышц ослабевает.
Для стабильной работы необходимо непрерывное восстановление запасов АТФ. Это восстановление происходит как в анаэробных условиях – посредством расщепления креатинфосфата (КрФ) и глюкозы (гликолиз), так и в аэробных – с использованием окисления жиров и углеводов. Энергетические системы, которые служат источниками энергии, подразделяют на фосфагенную (АТФ—КрФ), гликолитическую (лактацидную) и окислительную (кислородную) системы.
Восстановление АТФ происходит очень быстро за счет расщепления КрФ: АДФ + КрФ = АТФ + Кр. Высшая эффективность данного процесса достигается к 5–6-й секунде работы, однако затем запасы КрФ истощаются, поскольку их запасы также ограничены (примерно 30 ммоль/л).
Медленный процесс восстановления АТФ в условиях недостатка кислорода происходит за счет расщепления глюкозы (из гликогена) в ходе гликолиза, что в конечном итоге приводит к образованию молочной кислоты (лактата) и свободных трех молекул АТФ. Данная реакция достигает максимальной мощности к концу первой минуты работы. При этом ограничение на использование углеводов не связано с истощением гликогена, а происходит из-за угнетения гликолиза избыточным количеством молочной кислоты в мышцах.
При интенсивной работе, требующей большого количества кислорода, главными источниками энергии становятся углеводы, так как для их окисления необходимо значительно меньше кислорода по сравнению с жирами. При расщеплении одной молекулы глюкозы (С6Н12О6), полученной из гликогена, образуется 38 молекул АТФ, что делает аэробный путь гораздо более эффективным для получения АТФ по сравнению с анаэробным. В таких процессах молочная кислота не накапливается, а промежуточный продукт пировиноградная кислота сразу окисляется до конечных составляющих – углекислого газа и воды.
Жирные кислоты используются организмом как энергетический источник в состоянии покоя, при физической активности невысокой интенсивности (до 50 % от максимального потребления кислорода) и на длительных тренировках на выносливость (около 70–80 % от МПК). Жиры имеют наибольшую энергетическую ценность среди всех источников энергии: при сгорании 1 моля АТФ выделяется примерно 10 ккал энергии, 1 моля КрФ – приблизительно 10,5 ккал, 1 моля глюкозы при анаэробном расщеплении – около 50 ккал, при окислении 1 моля глюкозы – около 700 ккал, а при окислении 1 моля жира – 2400 ккал (по данным Коц Я. М., 1982). Однако использование жиров при высокой интенсивности ограничивается трудностью поставки кислорода к работающим тканям.
Во время работы мышц выделяется тепло. Тепло образуется в момент их сокращения — это первичное тепло, которое составляет лишь одну тысячную всех затраченных энергий, и в период восстановления — задержанное тепло.
В обычной ситуации потери тепла при работе мышц составляют примерно 80 % от всех энергетических затрат. Эффективность механической работы мышцы измеряется коэффициентом полезного действия (КПД). Этот показатель отражает долю затрачиваемой энергии, которая используется для выполнения механической работы мышцами.
КПД вычисляется по следующей формуле:
где А – энергия, затраченная на полезную работу; Е – общий расход энергии; е – расход энергии в состоянии покоя за время, равное длительности работы.
У неподготовленного человека КПД составляет примерно 20 %, у спортсмена – 30–35 %. При ходьбе наибольшая эффективность наблюдается при скорости 3,6–4,8 км/ч, а на велоэргометре – при длительности вращения около 1 с. Увеличение мощности работы и вовлечение вторичных мышц приводит к снижению КПД. При статической нагрузке, поскольку А = 0, эффективность работы оценивается по времени стойкого напряжения мышц.
На примере тяжелого COVID-19
– На протяжении трех лет я руководил лабораторией, занимающейся улучшением спортивных результатов. В области спортивной биохимии накоплено множество данных о влиянии физической активности на обмен веществ. С началом пандемии COVID-19 я осознал, что эти знания могут быть использованы для оценки тяжести заболевания.
Это вдохновило меня глубже изучить спортивную биохимию, – делится Денис Семенов. – Анализируя литературу по рассеянному склерозу, я заметил удивительное сходство. Изменения в организме людей с тяжелым COVID-19 и у перетренированных спортсменов очень напоминают те, что наблюдаются у пациентов с рассеянным склерозом. Это открытие стало основополагающим для моего дальнейшего исследования.
Как утверждает ученый, у здорового человека уровень молочной кислоты в организме должен находиться на уровне около 1 ммоль/литр. Когда концентрация достигает 2 ммоль/литр, это уже считается неблагоприятным. У пациентов с рассеянным склерозом средний уровень молочной кислоты составляет около 3 ммоль/литр, что хуже показателей людей в группе риска по тяжелому COVID-19. Аналогичное состояние наблюдается у спортсменов, переживающих перетренированность, а также у людей с хроническими заболеваниями, такими как диабет второго типа.
– Я решил использовать свои знания в области спортивной биохимии для поиска упражнений, которые помогли бы нормализовать обмен веществ у пациентов. Мой подход отличается от неврологического, который сосредотачивается на восстановлении утраченных функций. Рассеянный склероз – это сложное заболевание, и его можно рассматривать под разными углами, включая иммунологический аспект.
Мои рекомендации направлены на решение двух основных задач.
Во-первых, на ранних стадиях болезни физические упражнения могут облегчить переносимость препаратов первой линии, уменьшая симптомы, схожие с гриппом, и дискомфорт. Это важно, поскольку многие пациенты отказываются от препаратов из-за побочных эффектов. Во-вторых, на более поздних стадиях тренировки могут помочь уменьшить утомляемость, – поясняет кандидат биологических наук.
Механизм действия молочной кислоты
Высокая концентрация молочной кислоты служит сигналом для иммунных клеток, таких как макрофаги, направляться к месту ее образованию. В зависимости от условий макрофаги могут либо усиливать воспалительный процесс, либо способствовать восстановлению, например, формированию новых сосудов.
Для спортсменов выработка молочной кислоты способствует повышенному кровоснабжению мышц. Однако у пациентов с рассеянным склерозом избыток этого метаболического продукта может спровоцировать проникновение макрофагов в мозг и их вовлечение во воспалительный процесс, особенно на поздних стадиях заболевания.
Многим современным людям не хватает физической активности, из-за чего уровень молочной кислоты начинает повышаться даже при легких нагрузках.
– Это говорит о том, что организм перешел на использование углеводов как основного источника энергии вместо жиров, а углеводы, как побочный продукт, производят молочную кислоту. Это происходит не только у спортсменов. Высокая выработка молочной кислоты также может происходить при активном воспалении, например, при ОРЗ. Во время COVID-19 у меня самого уровень лактата достигал 3 ммоль/литр, – объясняет биохимик.
Причины повышения уровня кислотности организма
Обычно молочная кислота быстро выводится из организма. Почки и печень фильтруют ее из крови, превращая в углекислый газ, воду и новую глюкозу. Для снижения кислотности достаточно просто прекратить физическую активность. Всего через 25 минут после нагрузки уровень лактата у здорового человека может снизиться в два раза. Однако это может не произойти.
Когда организм не успевает перерабатывать молочную кислоту, она начинает повреждать внутренние органы и ткани. Это называют лактат-ацидозом. Однако это состояние не может возникнуть исключительно из-за активных физических усилий. Развитие этого состояния связано с декомпенсацией хронических заболеваний: недостаточностью почек, сердца или печени, циррозом печени, инфекциями, сепсисом или онкологическими заболеваниями.
Симптоматика повышения кислотности организма
Симптомы кислотности организма проявляются достаточно ярко, хотя и временно. Нагрузки на мышцы приводят к боли и жжению, движения начинают вызывать дискомфорт, наблюдается усталость. Человек инстинктивно начинает дышать глубже, чтобы увеличить поступление кислорода. Обычно большинство из этих проявлений исчезает в течение нескольких минут после завершения физической активности. Характерные признаки лактат-ацидоза включают тошноту, боль в животе и мышечную слабость.
Понять, что уровень молочной кислоты повысился, можно без анализов и врачебного обследования. Это состояние знакомо каждому, кто хотя бы раз занимался спортом. В целом, оно не должно вызывать сильного беспокойства.
Польза повышенной кислотности
Позитивные аспекты кислотообразования в мышцах во время тренировок
Несмотря на негативные симптомы, закисление имеет и положительные моменты. Молочная кислота служит источником энергии для организма: примерно две трети лактата, выработанного во время тренировки, используются как топливо.
Кроме того, закисление является показателем того, что мышцы были подвержены значительная нагрузке и получили стимул для роста. Без ощущения жжения не может быть и прогресса. Важно лишь правильно подходить к процессу закисления и не переусердствовать.
Как регулировать уровень закисления
Если ваша задача заключается в поддержании общего уровня физической активности, нет необходимости доводить себя до мучительного жжения в мышцах. Умеренно выполняйте упражнения, прекращая подъемы, как только почувствуете жжение — оставляйте возможность для завершения еще 1-2 повторов.
Для начинающих, только что приступивших к силовым тренировкам, также не следует слишком сильно нагружать мышцы, чтобы не вызывать интенсивное закисление. Им рекомендуется провести подготовительный период в течение 2-3 недель, в ходе которого дают нагрузку всем мышечным группам: стартуя с минимальных весов, постепенно увеличивайте их, чтобы адаптировать нервную систему к физической активности.
После завершения данного подготовительного этапа избежать закисления будет сложнее — нагрузки существенно увеличатся. Чтобы минимизировать риск сильного закисления, настоятельно рекомендуется проводить заминку и растяжку после тренировки, а также использовать массажные ролики — это улучшит кровообращение и ускорит выведение остатков молочной кислоты из организма.
Не обязательно выполнять каждое упражнение до полного отказа. В некоторых случаях лучше избегать отказа в базовых упражнениях, которые вовлекают сразу несколько мышечных групп. Это создает значительную нагрузку на организм и устраняет возможность восстановления. Изолирующие движения, затрагивающие лишь одну мышцу, легче переносятся телом, поэтому новички могут позволить себе работать в «изоляции» до отказа.
Снижайте интенсивность тренировок, если после них испытываете чувство истощения и недомогания. В таком случае разумней уменьшить рабочие веса в упражнениях или сократить число подходов. Максимальная нагрузка не всегда способствует достижению прогресса.
Биохимия метаболического ацидоза, вызванного физической активностью
В представленном обзоре представлены убедительные данные, что ключевой причиной ацидоза (закисления) скелетных мышц является не гликолиз, вызывающий продукцию молочной кислоты (лактата), а именно гидролиз АТФ. Замедление синтеза лактата, происходящее при гликолизе, приводит к ацидозу мышечных волокон.
Робергс Р., Фарзенах Г., Паркер Д
Robergs, Robert A., Farzenah Ghiasvand, and Daryl Parker. Биохимия метаболического ацидоза, вызванного физическими нагрузками. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 287: R502–R516, 2004; 10.1152/ajpregu.00114.2004
Аннотация
Появление ацидоза (закисления мышц) во время интенсивных тренировок традиционно связывается с повышенным образованием молочной кислоты, в процессе чего высвобождается водородный ион и формируется кислая соль — натриевая соль лактата. Согласно этой интерпретации, если уровень продукции лактата оказывается достаточно высоким, буферные способности клеток могут исчерпаться, что приводит к снижению клеточного pH (то есть к закислению мышц). Эти биохимические процессы известны как лактоацидоз.
Лактоацидоз в ходе физической активности на протяжении более 80 лет считался классическим объяснением биохимии мышечного ацидоза. Эта убежденность способствовала тому, что выработка лактата рассматривалась как причина мышечного закисления и, соответственно, один из факторов, способствующих утомлению во время интенсивных тренировок.
В данном обзоре приводятся аргументы, что отсутствуют биохимические подтверждения того, что продукция лактата является причиной ацидоза. Основным фактором закисления мышц является задержка производства лактата. Кроме того, проведены многочисленные исследования, показывающие, что ацидоз возникает в результате процессов, отличных от выработки лактата. Каждый раз, когда АТФ распадается на АДФ и неорганический фосфат, высвобождается водородный ион.
Когда потребность в АТФ при сокращении мышц основывается на митохондриальном дыхании, в мышцах протоны водорода не накапливаются, поскольку используются митохондриями для окислительного фосфорилирования и поддержания протонного градиента в межмембранном пространстве. Накопление протонов происходит только тогда, когда интенсивность нагрузки превышает устойчивое состояние, что происходит, в основном, при ресинтезе АТФ за счет гликолиза и фосфагенной системы. АТФ, получаемый из этих немитохондриальных источников, в конечном итоге расходуется как энергия для сокращения мышц, вызывая увеличение выброса протонов и приводя к ацидозу во время интенсивных тренировок.
В таких случаях усиливается продукция лактата, чтобы предотвратить накопление пирувата и предоставить НАД+, необходимый для второй стадии гликолиза. Поэтому увеличенная выработка лактата коррелирует с клеточным ацидозом и служит косвенным индикатором состояния клеточного метаболизма, приводящего к метаболическому ацидозу. Если мышцы не вырабатывают лактат, ацидоз наступает быстрее, и мышечное утомление появляется быстрее, что значительно ухудшает выполнение упражнений.
Ключевые слова
- метаболизм
- скелетные мышцы
- лактат
- кислотно-щелочной баланс
- лактатный ацидоз