Энергетическая система клетки

Содержание

Обеспечение клеток энергией. Источники энергии

Энергетическая система клетки

Из клеток состоят все живые организмы, кроме вирусов. Они обеспечивают все необходимые для жизни растения или животного процессы. Клетка и сама может быть отдельным организмом. И разве может такая сложная структура жить без энергии? Конечно, нет. Так как же происходит обеспечение клеток энергией? Оно базируется на процессах, которые мы рассмотрим ниже.

Обеспечение клеток энергией: как это происходит?

Немногие клетки получают энергию извне, они вырабатывают ее сами. Эукариотические клетки обладают своеобразными “станциями”. И источником энергии в клетке является митохондрия — органоид, который ее вырабатывает. В нем происходит процесс клеточного дыхания.

За счет него и происходит обеспечение клеток энергией. Однако присутствуют они только у растений, животных и грибов. В клетках бактерий митохондрии отсутствуют. Поэтому у них обеспечение клеток энергией происходит в основном за счет процессов брожения, а не дыхания.

Строение митохондрии

Это двумембранный органоид, который появился в эукариотической клетке в процессе эволюции в результате поглощения ею более мелкой прокариотической клетки. Этим можно объяснить то, что в митохондриях присутствует собственная ДНК и РНК, а также митохондриальные рибосомы, вырабатывающие нужные органоидам белки.

Внутренняя мембрана обладает выростами, которые называются кристы, или гребни. На кристах и происходит процесс клеточного дыхания.

То, что находится внутри двух мембран, называется матрикс. В нем расположены белки, ферменты, необходимые для ускорения химических реакций, а также молекулы РНК, ДНК и рибосомы.

Клеточное дыхание — основа жизни

Оно проходит в три этапа. Давайте рассмотрим каждый из них более подробно.

Первый этап — подготовительный

Во время этой стадии сложные органические соединения расщепляются на более простые. Так, белки распадаются до аминокислот, жиры — до карбоновых кислот и глицерина, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов, а углеводы — до глюкозы.

Гликолиз

Это бескислородный этап. Он заключается в том, что вещества, полученные во время первого этапа, расщепляются далее. Главные источники энергии, которые использует клетка на данном этапе, — молекулы глюкозы. Каждая из них в процессе гликолиза распадается до двух молекул пирувата.

Это происходит во время десяти последовательных химических реакций. Вследствие первых пяти глюкоза фосфорилируется, а затем расщепляется на две фосфотриозы. При следующих пяти реакциях образуется две молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) и две молекулы ПВК (пировиноградной кислоты).

Энергия клетки и запасается именно в виде АТФ.

Весь процесс гликолиза можно упрощенно изобразить таким образом:

2НАД+ 2АДФ + 2Н3РО4 + С6Н12О6 2Н2О + 2НАД.Н2 +2С3Н4О3 + 2АТФ

Таким образом, используя одну молекулу глюкозы, две молекулы АДФ и две фосфорной кислоты, клетка получает две молекулы АТФ (энергия) и две молекулы пировиноградной кислоты, которую она будет использовать на следующем этапе.

Третий этап — окисление

Данная стадия происходит только при наличии кислорода. Химические реакции этого этапа происходят в митохондриях. Именно это и есть основная часть клеточного дыхания, во время которой высвобождается больше всего энергии.

На этом этапе пировиноградная кислота, вступая в реакцию с кислородом, расщепляется до воды и углекислого газа. Кроме того, при этом образуется 36 молекул АТФ.

Итак, можно сделать вывод, что главные источники энергии в клетке — глюкоза и пировиноградная кислота.

Суммируя все химические реакции и опуская подробности, можно выразить весь процесс клеточного дыхания одним упрощенным уравнением:

6О2 + С6Н12О6 + 38АДФ + 38Н3РО4 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ.

Таким образом, в ходе дыхания из одной молекулы глюкозы, шести молекул кислорода, тридцати восьми молекул АДФ и такого же количества фосфорной кислоты клетка получает 38 молекул АТФ, в виде которой и запасается энергия.

Разнообразие ферментов митохондрий

Энергию для жизнедеятельности клетка получает за счет дыхания — окисления глюкозы, а затем пировиноградной кислоты. Все эти химические реакции не могли бы проходить без ферментов — биологических катализаторов.

Давайте рассмотрим те из них, которые находятся в митохондриях — органоидах, отвечающих за клеточное дыхание.

Все они называются оксидоредуктазами, потому что нужны для обеспечения протекания окислительно-восстановительных реакций.

Все оксидоредуктазы можно разделить на две группы:

Дегидрогеназы, в свою очередь, делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные содержат в своем составе кофермент рибофлавин, который организм получает из витамина В2. Аэробные дегидрогеназы содержат в качестве коферментов молекулы НАД и НАДФ.

Оксидазы более разнообразны. В первую очередь они делятся на две группы:

  • те, которые содержат медь;
  • те, в составе которых присутствует железо.

К первым относятся полифенолоксидазы, аскорбатоксидаза, ко вторым — каталаза, пероксидаза, цитохромы. Последние, в свою очередь, делятся на четыре группы:

  • цитохромы a;
  • цитохромы b;
  • цитохромы c;
  • цитохромы d.

Цитохромы а содержат в своем составе железоформилпорфирин, цитохромы b — железопротопорфирин, c — замещенный железомезопорфирин, d — железодигидропорфирин.

Возможны ли другие пути получения энергии?

Несмотря на то что большинство клеток получают ее в результате клеточного дыхания, существуют также анаэробные бактерии, для существования которых не нужен кислород. Они вырабатывают необходимую энергию путем брожения.

Это процесс, в ходе которого с помощью ферментов углеводы расщепляются без участия кислорода, вследствие чего клетка и получает энергию. Различают несколько видов брожения в зависимости от конечного продукта химических реакций.

Оно бывает молочнокислое, спиртовое, маслянокислое, ацетон-бутановое, лимоннокислое.

Для примера рассмотрим спиртовое брожение. Его можно выразить вот таким уравнением:

С6Н12О6 С2Н5ОН + 2СО2

То есть одну молекулу глюкозы бактерия расщепляет до одной молекулы этилового спирта и двух молекул оксида (IV) карбона.

Источник: https://FB.ru/article/222487/obespechenie-kletok-energiey-istochniki-energii

Электростанция живой клетки

Энергетическая система клетки

Система, преобразующая световую энергию в электричество, ни у кого не вызывает удивления. Что может быть банальнее фотоэлемента. Но есть особенный фотоэлемент. Создала его природа так, как преобразуют энергию частички бактерий, именуемые родопсином. Так сказать, электростанция живой природы.

Это просто наглядная демонстрация того, что природа гораздо раньше человека поняла все возможности, которые таит в себе применение электрической энергии, и воспользовалась ими для преобразования энергии в клетках живых существ и растений. А это процесс, слывший некогда одним из самых таинственных и непонятных…

Биохимический детектив

Одна из самых непонятных доселе линий связи — энергоснабжение клетки. Известно уже давно, что клетка поглощает поступающие извне питательные вещества — субстраты — и окисляет их. При этом выделяется энергия.

Затем следуют еще какие-то преобразования, конечный результат которых — появление молекул АТФ—аденозинфосфата.

АТФ — универсальная валюта клетки, унифицированная энергия, которую клетка запасает впрок и потом расходует по своему усмотрению.

Все энергетические процедуры происходят во внутренних мембранах особых клеточных образований — митохондрий. Этот факт был давно известен биохимикам. Но как происходит трансформация энергии, какие процессы ей сопутствуют, какими путями и средствами пользуется природа — на эти вопросы ученые ответить не могли.

Предполагалось сначала, что переносчиком энергии служит особое вещество, нечто вроде пресловутого теплорода физики XVIII века. Биохимики построили множество моделей этого гипотетического процесса, схем изящных и красивых, разумных, с точки зрения науки, но не имевших никакого намека на экспериментальные подтверждения.

Таким образом, в биоэнергетике возник своеобразный тупик, который, как утверждал в свое время знаменитый физик Нильс Бор, представляет прекрасную почву для сумасшедших идей.

И одна из них не замедлила появиться.

Английский биохимик Питер Митчел предположил, что в результате окисления «клеточной пищи» мембрана митохондрий заряжается электрически, а ферменты-окислители, таким образом, работают как топливные элементы. Затем полученное и накопленное клеткой электричество расходуется на синтез молекул АТФ.

Единственным основанием этой смелой гипотезы были диэлектрические свойства мембраны, которая обладает большим электрическим сопротивлением и емкостью, являя собой идеальный электрический конденсатор.

Конечно, если исходить из целесообразности конструкций природы, это можно считать доказательством.

Но, увы, ученые на подобные аргументы никак не прореагировали, сочтя диэлектрические свойства мембран митохондрий совпадением.

Так что идея Митчела при всей своей внешней привлекательности повисла в воздухе и, может быть, разделила бы судьбу своих многочисленных предшественниц, если бы не эксперименты ученых — В. Скулачева и Е. Либермана, который, как и В.

Скулачев, сразу же после появления «электрической теории» стал ее ярым защитником, притом не платоническим, а весьма активным. Более того, именно в лабораториях этих ученых проявились неизвестные до той поры черты биоэнергетики клеток.

На первый взгляд эксперименты выглядели очевидными. На самом деле, не надо быть Фарадеем, чтобы придумать контрольный опыт на живой клетке. Сначала предложите ей питание, чтобы произошло окисление.

Определите разность потенциалов, появившуюся на мембране. Затем, подав на другую, лишенную питания мембрану, аналогичное электрическое поле, надо ждать — будет ли она синтезировать молекулы АТФ.

Ответ будет однозначным!

Но, увы, подобные опыты невозможны. Внутрь естественной мембраны не проникнешь — слишком она тонка.

Пришлось искать окольные пути.

Прежде всего В. Окулачев и Е. Либерман доказали, что давно известные вещества, препятствующие образованию молекул АТФ, в то же время действуют электрически, снижая сопротивление мембран. Тем самым конденсатор теряет свои замечательные свойства накапливать электрическую энергию, и синтез молекул АТФ подавляется в самом зародыше.

Совпадение?

— Да, — ответили противники, — простое совпадение.

Опыты продолжались. Е. Либерман и В. Скулачев в своих лабораториях испытали около 40 химических соединений самой разнообразной структуры, способных снижать сопротивление искусственных мембран, созданных ими. Исходя из этого, ученые научились точно предсказывать, как эти вещества будут влиять на работу живых митохондрий.

Как известно, ценность научной теории определяется не только тем, как она объясняет известные до ее появления процессы, но и способностью предсказывать явления новые. В данном случае совпадение было просто идеальным. Но скептики опять отказывались верить.

В. Скулачев и Е. Либерман решили доказать, что при питании митохондрий действительно рождается электрическое поле. Опять-таки на бумаге схема опыта выглядела чрезвычайно тривиально, и опять-таки природа, ревниво оберегающая свои тайны, не захотела пойти навстречу экспериментаторам.

Идея была ясна. Нужно взять раствор заряженных электрически частичек атомов и молекул — ионов и засылать туда порошок из митохондрий. Если теперь «подкормить» их веществом, к которому митохондрии «привыкли», появится электрическое поле. Поле втянет внутрь мембран часть ионов. Это можно зарегистрировать.

Но действительность оказалась суровой и не расположенной к экспериментаторам.

Дело в том, что мембраны митохондрий капризны и не любят посторонних ионов. Правда, для некоторых из них мембраны не преграда. Но пропуском служат не электрические, а химические свойства. Сигнал «милости просим» раздается, когда мембрана осознает химическую особенность желанных для нее веществ. А ионов, которые обладали бы подобными свойствами, в природе не оказалось.

За их изготовление взялся Е. Либерман. Вскоре в его лаборатории появились синтетические, искусственно и искусно созданные, способные проникать сквозь перегородки мембран итохонррии.

К тому времени сотрудники В. Скулачева научились изготовлять искусственные мембраны, всего лишь в несколько раз толще природных.

Теперь все было готово для решительного опыта. И он состоялся. Ученые доказали, что митохондрии, приняв предложенную им пищу, немедленно зарядились электрически и начали вытягивать из раствора ионы. Для полной убедительности ту же процедуру проделали с так называемыми субмитохондриальными частичками (СМЧ), появившимися из митохондрий, разбитых мощным ударом ультразвука.

Опыт был своего рода контрольным, поскольку было известно, что в этих частицах мембраны вывернуты наизнанку. И действительно, оказалось, что частицы СМЧ втягивают ионы другого знака по сравнению с целыми, нерасчлененными митохондриями.

Таким образом, было доказано, что мембранный потенциал образуется в самых разнообразных мембранах живых клеток. Нужно лишь одно: чтобы там происходило окисление.

Как будто теперь все стало очевидным. Но сами ученые, предвосхитив скептиков, сказали: нет! Нужны еще более убедительные доказательства. Необходимо измерить электрическое поле непосредственно на самой мембране, измерить прямым путем.

Материализация духов

В истории науки существуют классические образцы опытов, простота и наглядность которых рассеивала все сомнения скептиков и маловеров, полностью проявляя физический смысл явлений. Измерительная аппаратура элементарна до удивления.

Но в том и состоит элегантность эксперимента, его наглядность.

Однако, чтобы провести столь убедительные опыты, биохимикам пришлось пройти тяжелый путь кропотливейшей работы, которой они заслуженно гордятся, так как сумели нашпиговать ферментами искусственные мембраны, приближающиеся по своему качеству к природным.

Одна из них занимает центральное место в экспериментальной установке, как полагают биохимики, однозначно решившей вопрос о путях преобразования энергии в клетках живых существ и растений.

Тончайшая пленка, она и есть мембрана, разделяет на два отсека стеклянный сосуд. В каждом — раствор электролита, в каждом — электрод, соединенный с клеммой вольтметра. Задача электродов — дать сигнал, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления превратилась в электрическую.

Ферменты ждут своего часа. Мембрана плоская, они расположились с двух ее сторон. Условия существования одинаковые. Миниатюрные электрические батареи, то там, то тут вкрапленные в мембрану, разобщены. И стрелка прибора мирно покоится на нуле.

Из равновесия схему выводит «пища», поступающая на одну из сторон мембраны через раствор электролита. Ферменты, расположенные там, начинают жадно поглощать предложенную им аскорбиновую кислоту — витамин С и тут же приступают к своей основной работе. Они вырабатывают электрическую энергию. Теперь-то это стало очевидным для всех, для любого наблюдателя, даже если он заядлый скептик.

Стрелка прибора сейчас же фиксирует начало энергетического процесса, до той поры бывшего загадкой биохимии. Щедрая рука экспериментатора с помощью пипетки добавляет витамин С. Пища тут же поглощается ферментами, растет запас электричества, который хорошо сохраняет добротный природный конденсатор — мембрана митохондрий.

И уверенно движется стрелка вольтметра, показывающая, как растет мембранный потенциал.

Тогда на сцену появляется другая пипетка. Первая несла ферментам пищу, вторая содержит смертельный для них яд — раствор пресловутого цианистого калия.

Он выбран экспериментаторами не по аналогии с мелодрамой, а лишь из-за его способности мгновенно подавлять деятельность ферментов. И ферменты, до той поры исправно вырабатывавшие электричество, прекращают свою деятельность.

Они уже не способны воспринимать аскорбиновую кислоту, они мертвы. И застывает стрелка вольтметра.

Тем временем с помощью одной капли аскорбиновой кислоты включаются в работу ферменты противоположной стороны мембраны, чтобы, в свою очередь, замереть под действием яда.

Однозначность этого удивительно неприхотливого эксперимента, повторенного для четырех разновидностей ферментов, буквально поразила ученых всего мира. Основные контуры теории определились полностью.

Живая клетка обладает двумя формами унифицированной энергии — химической в лице АТФ и физической, которую олицетворяет мембранный потенциал. В разных участках мембран митохондрий располагаются своеобразные топливные элементы — электрические генераторы, преобразующие энергию окисления в электрическую.

Все эти источники тока включены параллельно. И электроэнергия, вырабатываемая любым из них, тотчас же становится достоянием всей клетки, которая затем использует ее как ей заблагорассудится.

Клетка может совершить химическую работу, изготовив молекулы АТФ. Клетка работает механически, затягивая внутрь мембраны различные питательные вещества. Клетка способна обогреваться, превращая полученное электричество в тепло.

Когда речь заходит о преимуществах электрической энергии, всегда вспоминают, что она легко трансформируется и преобразуется в другие виды. Очевидно, природа давно об этом догадалась.

Гипотеза Митчела получила, таким образом, полное экспериментальное подтверждение, и предполагаемое стало очевидным.

Источник: http://www.alto-lab.ru/shkola/elektrostanciya-zhivoj-kletki/

Энергетические системы организма и целенаправленная тренировка

Энергетическая система клетки
/ Статьи / Энергетические системы организма и целенаправленная тренировка

Мониторинг частоты сердечных сокращений (ЧСС), совместно или без контроля уровня молочной кислоты (лактата), – на сегодняшний день неотъемлемый элемент тренировки, позволяющий спортсмену и наставнику подобрать оптимальную  интенсивность, что позволяет при меньших нагрузках добиваться более высоких результатов. Эффективная тренировка, ведущая к высоким достижениям, возможна только при хорошем знании и правильном применении принципов энергообеспечения физической деятельности.

Энергетические системы

Аденозинтрифосфат (АТФ) в организме человека является универсальным источником энергии, которая высвобождается при распаде АТФ до аденозинфосфата (АДФ) и используется мышцами для выполнения механической работы. Запасы АТФ в мышцах незначительны, расходуются за 2 секунды. Системы ресинтеза АТФ (фосфатная, лактатная и кислородная) поддерживают относительное постоянство этого вещества.

Фосфатная система ресинтеза АТФ (анаэробная, алактатная) включает использование запасов АТФ в мышцах (2сек) и быстрое восстановление АТФ из креатинфосфата (КрФ), которого хватит ещё на 6-8 секунд. Система важна для всех взрывных, кратковременных и стремительных действий. Уже через 30 секунд после нагрузки АТФ и КрФ восстанавливаются на 70%, а через 3-5 минут полностью.

Важно – направленная тренировка соответствующими упражнениями с достаточными периодами отдыха не только повышает запасы АТФ и КрФ, но и ускоряет процесс распада и восстановления АТФ за счёт увеличения ферментативной базы, поэтому и представителям стайерских дисциплин полезно регулярно включать в основную тренировку краткие (не более 10 с), мощные, быстрые упражнения.

Кислородная система ресинтеза АТФ (аэробная) является наиболее важной в тренировках на выносливость, поскольку она может поддерживать физическую работу в течение длительного времени, снабжая энергией посредством химического взаимодействия пищевых веществ (главным образом, жиров и углеводов) с кислородом.

Производительность кислородной системы зависит от количества кислорода, которое способен усвоить организм человека (МПК – максимальное потребление кислорода).  Углеводы – более эффективное топливо по сравнению с жирами, т.к.

при одинаковом потреблении энергии на их окисление требуется на 12% меньше кислорода, но запасов углеводов (гликоген печени и мышц) хватит на 60-90 минут активности, запасы жира практически неисчерпаемы, при окислении не образуется лактат. Чем выше интенсивность нагрузки, тем больше вклад углеводов в энергообразование.

Но при одинаковой интенсивности аэробной нагрузки тренированный спортсмен будет использовать больше жиров и меньше углеводов, чем не тренированный, т.е. будет расходовать энергию более экономно. Важно – обязательное включение длительных медленных тренировок в видах на выносливость.

Распад углеводов происходит в два этапа, на первом, протекающем без участия кислорода, образуется молочная кислота (лактат), которая используется в ресинтезе АТФ на втором этапе с участием кислорода.

Пока потребляемого кислорода достаточно, молочная кислота не будет накапливаться в организме.

Важно – элиминация лактата, основанная на его использовании на втором этапе углеводного энергообеспечения лежит в основе обязательных низкоинтенсивных заминок, активного отдыха и восстановительных тренировок.

Лактатная система

Итак, при росте интенсивности нагрузки и недостатке кислорода молочная кислота, образовавшаяся в первой анаэробной фазе, не нейтрализуется полностью во второй, аэробной, в результате накапливается в работающих мышцах, что приводит к ацидозу, или закислению мышц, основной причине мышечной усталости. При превышении определённого уровня интенсивности (который варьируется от человека к человеку) происходит активация механизма, посредством которого организм переходит на полностью анаэробное энергообеспечение, где в качестве источника используются исключительно углеводы. Ускорение, подъём, финишный рывок – за них ответственна лактатная система. При нарастающем ацидозе спортсмен не способен поддерживать тот же уровень нагрузки, что приводит достаточно быстро к резкому снижению интенсивности или отказу выполнять нагрузку.

Важно – в самом начале любого упражнения, независимо от его интенсивности энергообеспечение происходит только анаэробным путём. Каждый раз организму требуется несколько минут, чтобы аэробная система включилась в работу. Соответственно, разминка обязательна.

Ацидоз повреждает аэробную ферментативную систему мышечной клетки, что снижает аэробные способности.

Если клетки повреждены ацидозом, то может потребоваться несколько дней, прежде чем ферментативная система начнёт снова нормально функционировать и аэробные возможности восстановятся, а аэробные тренировки будут эффективными.

Повреждение мышечных стенок в результате ацидоза является причиной утечки веществ из мышечных клеток в кровь, замедляется образование КрФ, нарушается работа сократительного аппарата, страдает координация, тренировки на технику или скорость неэффективны, возрастает риск травм.

Типы мышечных волокон

Условно мышечные волокна разделяются на два типа: красные (тип1, медленно сокращающиеся) и белые (тип2, быстро сокращающиеся). Между мужчинами и женщинами не существует разницы в соотношении быстрых и медленных мышечных волокон, реакция на тренировку одинаковая.

Красные мышечные волокна густо усеяны капиллярами, снабжаются энергией преимущественно аэробно, важны в видах на выносливость.

Белые мышечные волокна (выделяют так же подтип2а – анаэробно-аэробные и подтип2в – анаэробные) обладают высокой анаэробной способностью, поэтому максимально используются в скоростно-силовых видах. Соотношение белых и красных волокон у отдельного человека генетически детерминировано, т.е.

практически мы изначально рождаемся либо стайерами, либо спринтерами. Под воздействием тренировок некоторое количество белых волокон могут превратиться в красные, к сожалению, обратное действие невозможно. Выраженный стайер никогда не станет спринтером, а у спринтера есть шанс стать хорошим стайером.

С возрастом спринтерские способности спортсмена снижаются быстрее, чем способности к выполнению длительной работы. Важно – в видах на выносливость обязательно находить время для скоростно-силовых тренировок, чтобы поддерживать соответствующие качества на достойном уровне.

Целенаправленная тренировка

Тренировка должна быть направлена именно на ту энергетическую систему, которая участвует в энергообеспечении конкретной спортивной деятельности. Результаты марафонца зависят от его способности выполнять длительную работу, поэтому его тренировки должны быть нацелены на совершенствование кислородной системы и расширение аэробных способностей.

Для спринтера важны максимальные возможности его фосфатной системы, поэтому его тренировки должны быть направлены на увеличение числа высокоэнергетических фосфатов.

В некоторых видах, например в беге на средние дистанции (400, 800, 1500м), лыжном спринте требуется тренировка все систем энергообеспечения, требуются высокие анаэробно-аэробные способности, спортсмены должны учиться бороться с сильным ацидозом.

Таблица 1. Зависимость подключения энергосистем от продолжительности нагрузки

ПродолжительностьСкорость. Фосфатная системаАэробные способности. Кислородная системаАнаэробные способности: фосфатная и лактатная системы
130 – 180 мин0955
28 – 50 мин58015
14 – 26 мин107020
9 – 16 мин204040
4 – 6 мин203555
2 – 3 мин30565
1 – 1,5 мин80515
22 – 35 с9802
10 – 16 с9802

Зависимость между продолжительностью нагрузки и относительным вкладом различных энергетических систем применима к любому виду спорта. Подключение той или иной энергетической системы зависит от продолжительности нагрузки. Например, для бега на 1 500м (продолжительность 4 – 6 мин) 20% тренировок должно быть направлено на совершенствование фосфатной системы (спринтерские тренировки), 25% – на повышение аэробной выносливости и 55% – на повышение анаэробных возможностей.

Итак, тренировка должна выполняться при определённой (для каждого вида спорта) интенсивности, которая измеряется в разных величинах – % от максимальной ЧСС (ЧССмах) или % от анаэробного порога (АнП).

АнП обозначается нагрузка, выше которой организм переключается с аэробного на частично анаэробное. Международные обозначения зон интенсивности следующие: аэробная (А), развивающая (Е от endurance – выносливость, чуть выше анаэробного порога) и анаэробная (Аn).

Каждая из трех зон разделяется на 2 подзоны. Существует так же восстановительная зона (R – recreation).

Таблица 2. Зоны интенсивности

Зона инс-тиХарактеристика% от АнП% от ЧССмах
RВосстановительная, очень низкая интенсивность70 – 8060 – 70
A1Аэробная 1, низкая интенсивность80 – 9070 – 80
A2Аэробная 2, средняя интенсивность90 – 9580 – 85
E1Развивающая 1, транзитная зона95 – 10085 – 90
E2Развивающая 2, высокоинтенсивная выносливость100 – 11090 – 95
An1Анаэробная, основана на гликолиземаксимальное энергообеспечение – 2-3 мин
An2Анаэробная 2, основана на фосфатахМаксимальное энергобеспечение – до 10с

Тренировка фосфатной системы

цель – истощение высокоэнергетических фосфатов без накопления молочной кислоты. Лучший способ – спринты на максимальной (продолжительность отрезка 6-8сек) или субмаксимальной (20-30с) скоростях, выполняемые повторно (8-10раз) с большими паузами пассивного отдыха (3-5 мин в зависимости от подготовленности).

Выполнение лёгкой нагрузки во время отдыха частично блокирует ресинтез АТФ и КрФ, приводит к их недостаточным запасам для следующего ускорения, активации анаэробной системы и накоплению лактата.

Руководствуясь показателями ЧСС, управлять спринтерской тренировкой и вносить коррективы невозможно, для этого лучше использовать показатели лактата.

Тренировка лактатной системы

Основная цель –  совершенствование способности спортсмена выполнять упражнение при высоких концентрациях лактата.

Интенсивные тренировки в анаэробной зоне, лучший – интервальный метод, оптимальная продолжительность отрезков максимального усилия от 30с до 3-х минут, активный отдых от 30с до нескольких минут, концентрация лактата не должна снижаться слишком сильно. Важно – после напряжённых анаэробных нагрузок обязательны очень лёгкие восстановительные тренировки.

Тренировка кислородной системы

Лучший метод – тренировки на выносливость, то есть нагрузки с субмаксимальной мощностью в течение длительного времени без накопления лактата.

Интенсивная аэробная тренировка выполняется в виде интервальной работы (с короткими или длинными рабочими отрезками). В первом случае кислородная система полностью активируется, ЧСС 90% ЧССмах, т.е. на уровне или чуть выше анаэробного порога, отрезки 2-8 мин., количество интервалов 5 -8, отдых 4-6 мин.

, небольшое повышение лактата до 5-6 ммоль/л допустимо. Во втором случае, ЧСС 85-90% ЧССмах, отрезки 8-20 мин., количество 4-5, отдых 5 мин, лактат 3-4 ммоль/л. Данные тренировка не должна проводиться чаще 1-2 раз в неделю. Эффективны при хорошем самочувствии.

При сопутствующей усталости или недостаточном восстановлении резко возрастает опасность перетренировки.

Промежуточная аэробная тренировка выполняется со средней интенсивностью (80-85% ЧССмах), лактат не накапливается, продолжительность зависит от соревнований, к которым готовиться спортсмен. Соревновательная дистанция обычно преодолевается 1 раз за неделю.

Экстенсивная аэробная тренировка представляет длительную непрерывную работу при ЧСС 70-80% ЧССмах продолжительностью от 90 мин, тренируют жировой обмен, часто совмещают с промежуточной аэробной тренировкой.

Восстановительная тренировка

Неотъемлемая часть общего тренировочного процесса. Работа при интенсивности  менее 70% от ЧССмах не улучшает аэробные способности, но в большинстве случаев более выгодна для восстановления, чем пассивный отдых (см.выше).

*По книге – ЧСС, ЛАКТАТ И ТРЕНИРОВКИ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ. П.ЯНСЕН. ТУЛОМА 2007г.

В книге изложены теория, практика и анализ тренировки спортсменов на выносливость на основе мониторинга частоты сердечных сокращений (ЧСС) и уровня молочной кислоты (лактата) в крови, приведены тесты нахождения анаэробного порога и оценки функционального состояния, обсуждаются проблемы перетренированности и спортивного сердца.

Источник: https://cycle-sport.ru/energy-system

Энергетический обмен или откуда берется энергия для организма?

Энергетическая система клетки

За счет чего человек двигается? Что такое энергетический обмен? Откуда берется энергия для организма? На сколько ее хватит? При какой физической нагрузке, какая энергия расходуется? Вопросов как видите много. Но больше всего их появляется, когда начинаешь эту тему изучать. Попробую облегчить  самым любопытным жизнь и сэкономить время.  Поехали…

Энергетический обмен – совокупность реакций расщепления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии.

Для обеспечения движения (актиновых и миозиновых нитей в мышце) мышце требуется АденозинТриФосфат (АТФ). При разрыве химических связей между фосфатами выделяется энергия, которая используется клеткой. При этом АТФ переходит в состояние с меньшей энергией в АденозинДиФосфат (АДФ) и неорганического Фосфора (Ф)

АТФ + H2O     ⇒    АДФ + Ф + Энергия

Если мышца производит работу, то АТФ постоянно расщепляется на АДФ и неорганический фосфор выделяя при этом Энергию (порядка 40-60 кДж/моль). Для продолжительной работы необходимо восстановление АТФ с такой скоростью, с какой это вещество используется клеткой.

Источники энергии, используемые при кратковременной, непродолжительной и продолжительной работе различные. Образование энергии может осуществляться как анаэробным (безкислородным), так и аэробным (окислительным) способом. Какие качества развивает спортсмен тренируясь в аэробной или анаэробной зоне я писал в статье «Пульс для бега и пульс при физической нагрузке (Пульсовые зоны)«.

Выделяют три энергетические системы, обеспечивающие физическую работу человека:

  1. Алактатная или фосфагенная (анаэробная). Связана с процессами ресинтеза АТФ преимущественно за счет высокоэнергетического фосфатного соединения – КреатинФосфата (КрФ).
  2. Гликолитическая (анаэробная). Обеспечивает ресинтез АТФ и КрФ за счет реакций анаэробного расщепления гликогена и/или глюкозы до молочной кислоты (лактата).
  3. Аэробная (окислительная). Возможность выполнения работы за счет окисления углеводов, жиров, белков при одновременном увеличении доставки и утилизации кислорода в работающих мышцах.

Энергообеспечение организма человека.

Источники энергии при кратковременной работе.

Быстродоступную энергию мышце дает молекула АТФ (АденозинТриФосфат). Этой энергии хватает на 1-3 секунды. Этот источник используется для мгновенной работы, максимальном усилии.

АТФ + H2O     ⇒     АДФ + Ф + Энергия

В организме АТФ является одним из самых часто обновляемых веществ; так, у человека продолжительность жизни одной молекулы АТФ менее 1 мин.

В течение суток одна молекула АТФ проходит в среднем 2000—3000 циклов ресинтеза (человеческий организм синтезирует около 40 кг АТФ в день, но содержит в каждый конкретный момент примерно 250 г), то есть запаса АТФ в организме практически не создаётся, и для нормальной жизнедеятельности необходимо постоянно синтезировать новые молекулы АТФ.

Пополняется АТФ за счет КрФ (КреатинФосфат), это вторая молекула фосфата, обладающего высокой энергией в мышце. КрФ отдает молекулу Фосфата молекуле АДФ для образования АТФ, обеспечивая тем самым возможность работы мышцы в течение определенного времени.

Выглядит это так:

АДФ+ КрФ   ⇒   АТФ + Кр

Запаса КрФ хватает до 9 сек. работы. При этом пик мощности приходится на 5-6 сек.  Профессиональные спринтеры этот бак (запас КрФ) стараются еще больше увеличить  путем тренировок  до 15 секунд.

Как в первом случае, так и во втором процесс образования АТФ происходит в анаэробном режиме, без участия кислорода. Ресинтез АТФ за счет КрФ осуществляется почти мгновенно.

Эта система обладает наибольшей мощностью по сравнению с гликолитической и аэробной и обеспечивает работу «взрывного» характера с максимальными по силе и скорости сокращениями мышц.

Так выглядит энергетический обмен при кратковременной работе, другими словами, так работает алактатная система энергообеспечения организма.

Источники энергии при непродолжительной работе.

Откуда берется энергия для организма при непродолжительной работе? В этом случае источником является животный углевод, который содержится в мышцах и печени человека — гликоген. Процесс, при котором гликоген способствует ресинтезу АТФ и выделению энергии называется Анаэробным гликолизом (Гликолитическая система энергообеспечения).

Гликолиз – это процесс окисления глюкозы, при котором из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноградной кислоты (Пируват). Дальнейший метаболизм пировиноградной кислоты возможен двумя путями — аэробным и анаэробным.

При аэробной работе пировиноградная кислота (Пируват) участвует в обмене веществ и многих биохимических реакциях в организме.

Она превращается в Ацетил-кофермент А, который участвует в Цикле Кребса  обеспечивая дыхание в клетке.

У эукариот (клетки живых организмов, которые содержат ядро, то есть в клетках человека и животных) Цикл Кребса протекает внутри митохондрии (МХ, это энергетическая станция клетки).

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) – ключевой этап дыхания всех клеток использующих кислород, это центр пересечения многих метаболических путей в организме.

Кроме энергетической роли, Циклу Кребса отводится существенная пластическая функция.

Участвуя в биохимических процессах он помогает синтезировать такие важные клетки-соединения, как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Если кислорода недостаточно, то есть работа проводится в анаэробном режиме, тогда пировиноградная кислота в организме подвергается анаэробному расщеплению с образованием молочной кислоты (лактата)

Гликолитическая анаэробная система характеризуется большой мощностью. Начинается этот процесс практически с самого начала работы и выходит на мощность  через 15-20 сек. работы предельной интенсивности, и эта мощность не может поддерживаться более 3 – 6 минут. У новичков, только начинающих заниматься спортом, мощности едва ли хватает на 1 минуту. 

Энергетическими субстратами для обеспечения мышц энергией служат углеводы – гликоген и глюкоза. Всего же запаса гликогена в организме человека на 1-1,5 часа работы.

Как было сказано выше, в результате большой мощности и продолжительности гликолитической анаэробной работы в мышцах образуется значительное количество лактата (молочной кислоты).

 Гликоген    ⇒     АТФ + Молочная кислота  

Лактат из мышц проникает в кровь и связывается с буферными системами крови для сохранения внутренней среды организма. Если уровень лактата в крови повышается, то буферные системы в какой-то момент могут не справиться, что вызовет сдвиг кислотно-щелочного равновесия в кислую сторону.

  При закислении кровь становится густой и клетки организма не могут получать необходимого кислорода и питания. В итоге, это вызывает угнетение ключевых ферментов анаэробного гликолиза, вплоть до полного торможения их активности.

Снижается скорость самого гликолиза, алактатного анаэробного процесса, мощность работы.

Продолжительность работы в анаэробном режиме зависит от уровня концентрации лактата в крови и степенью устойчивости мышц и крови к кислотным сдвигам.

Буферная емкость крови – способность крови нейтрализовать лактат. Чем тренированнее человек, тем больше у него буферная емкость.

Источники энергии при продолжительной работе.

Источниками энергии для организма человека при продолжительной аэробной работе, необходимые для образования АТФ служат гликоген мышц, глюкоза в крови, жирные кислоты, внутримышечный жир. Этот процесс запускается при длительной аэробной работе.

Например, жиросжигание (окисление жиров) у начинающих бегунов начинается после 40 минут бега во 2-й пульсовой зоне (ПЗ). У спортсменов процесс окисления запускается уже на 15-20 минуте бега.

Жира в организме человека достаточно для 10-12 часов непрерывной аэробной работы.

При воздействии кислорода молекулы гликогена, глюкозы, жира расщепляются синтезируя АТФ с выделением углекислого газа и воды. Большинство реакций происходит в митохондриях клетки.

Гликоген + Кислород   ⇒     АТФ + Углекислый газ + Вода

Образование АТФ с помощью данного механизма происходит медленнее, чем с помощью источников энергии, используемых при кратковременной  и непродолжительной работе.

Необходимо от 2 до 4 минут, прежде чем потребность клетки в АТФ будет полностью удовлетворена с помощью рассмотренного аэробного процесса.

Такая задержка вызвана тем, что требуется время, пока сердце начнет увеличивать подачу крови обогащенной кислородом мышцам, со скоростью необходимой для удовлетворения потребностей мышц в АТФ.

Жир + Кислород  ⇒    АТФ + Углекислый газ + Вода

Фабрика по окислению жира в организме является самой энергоемкой. Так как при окислении углеводов, из 1 молекулы глюкозы производится 38 молекул АТФ. А при окислении 1 молекулы жира – 130 молекул АТФ.  Но происходит это гораздо медленнее.

К тому же для производства АТФ за счет окисления жира требуется больше кислорода, чем при окислении углеводов.

Еще одна особенность окислительной, аэробной фабрики – она набирает обороты постепенно, по мере увеличения доставки кислорода и увеличения концентрации в крови выделившихся из жировой ткани жирных кислот.  

Больше полезной информации и статей вы можете найти ЗДЕСЬ.

Если представить все энергообразующие системы (энергетический обмен) в организме в виде топливных баков, то выглядеть они будут так:
  1. Самый маленький бак – КреатинФосфат (это как 98 бензин). Он находится как бы ближе к мышце и запускается в работу быстро. Этого «бензина» хватает на 9 сек. работы.
  2. Средний бак – Гликоген (92 бензин). Этот бак находится чуть дальше в организме и топливо из него поступает с 15-30 секунды физической работы. Этого топлива хватает на 1-1,5 часа работы.
  3. Большой бак – Жир (дизельное топливо). Этот бак находится далеко и прежде, чем топливо начнет поступать из него пройдет 3-6 минут.  Запаса жира в организме человека на 10-12 часов интенсивной, аэробной работы.

Все это я придумал не сам, а брал выжимки из книг, литературы, интернет-ресурсов и постарался лаконично донести до вас. Если остались вопросы — пишите.

Источник: http://maximbuvalin.ru/vse-o-bege/jenergeticheskij-obmen-ili-otkuda-beretsja-jenergija-dlja-organizma/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть