Биохимические изменения в организме при выполнении соревновательных нагрузок

Введение Изменения биохимических процессов в организме при мышечной деятельности зависят от мощности и продолжительности упражн ения, а также от тренированности спортсмена. Между м ощностью работы и ее продолжительностью существует обратная зависимос ть – чем больше мощность работы, тем меньше время, которое можно ее выпол нять. В предложенной задаче работа выполняется тренированным спортсме ном в условиях соревнований, т.е. при максимальном физическом напряжении . Следовательно, основным критерием, от которого зависит характер биохим ических сдвигов, является продолжительность работы. Хотя в каждом цикли ческом виде спорта имеются определенные особенности работы, тем не мене е, на основе продолжительности работы можно судить о зоне мощности, в кот орой она выполняется, и о соотношении различных энергетических процесс ов. Зная относительное участие энергетических процессов при данной наг рузке, можно составить представление об изменениях обмена веществ во вр емя работы и в период отдыха после нее. Цель курсовой работы: научить ся оценивать направленность энергетических процессов и характер биохи мических изменений в организме при выполнении физических нагрузок в из бранном виде физкультурно-спортивной деятельности. Задачи: 1. Дать биохимическую характеристику данной физической нагрузке. Зона мощности, в которой вып олняется данная работа. Соотношение аэробных и анаэробных процессов эн ергообеспечения, ведущие энергетические системы. 2. Дать развернутую характеристику основной энергетической системы. Указать энергетические субстраты, оп исать их превращения при выполнении нагрузки, механизм образования АТФ. Характеристика основного энергетического процесса (мощность, емкость и эффективность). 3. Описать биохимические изменения в организме при выполнении данной физической нагрузки, а также в период отдыха. Изменения обмена углеводов, липидов, белков в мышцах, во внутренн их органах, изменения содержания различных метаболитов в крови. Указать последовательность восстановления разных энергетических систем. Сост авить график, характеризующий эти биохимические изменения. 4. Описать направленность изменени й, развивающихся при адаптации организма к нагрузкам данного типа. Биохи мические изменения, обуславливающие рост спортивных результатов. Мето ды оценки ведущих энергетических критериев. Качества двигательной дея тельности, которые являются основными при выполнении заданной нагрузк и и биохимическое обоснование методов их развития. 1. Дать биохимическую характеристику данной физической нагрузке . Зона мощности, в которой выполняется данная работа. Соотношение аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения, и ведущие энергетические системы Механизмы энергообразования при выполнении работ ы существенно различаются в зависимости от ее интенсивности и продолжи тельности. Данную тренировочную нагрузку – бег на 800 м . в течени е 2 минут можно отн ести к зоне субмаксимальной мощности. Выполняемая работа преимущественно анаэробного характера – 70%, и тольк о 30% - вклад аэробного механизма энер гообеспечения. До 30 секунд идет анаэробный алактатный путь – креатинфосфокиназн ая система энергообеспечения. На 1-2 минутах достигает своего максимума а наэробный лактатный механизм – гликолиз, который и является ведущей си стемой энергообеспечения данной нагрузки. Аэробный путь ресинтеза АТФ при данной нагрузке задействован незначительно. (с м. Методические указания рис. 2,3) 2. Характеристика основн ой энергетической системы, обеспечивающей работу. Энергетические субс траты, описание процесса, конечные продукты. Механизм образования АТФ. Ф акторы, влияющие на физическую работоспособность при данной работе (спо ртивный результат). Основная энергетическая система, обеспечивающая работу – анаэробно-г ликолитическая. В основе этого пути энергообеспечения лежит процесс гл иколиза. Гликолиз – это сложный ферментативный процесс последователь ных превращений углеводов (гликогена мышц и глюкозы ) протекающий в саркоплазме мышечного во локна без потребления кислорода и сопровождающийся накоплением молочн ой кислоты. Следовательно, энергетические субстра ты гликолиза, необходимые для образования АТФ – гликоген мышц и частичн о глюкоза, поступающая в мышцы с кровью. Конечный пр одукт гликолиза – молочная кислота, которая накапливается в мышцах с бо льшой скоростью, поступает в кровь и вызывает выраженное снижение рН. Процесс гликолиза можно разделить на три стадии: 1. Подготовительная стад ия. Происходит активация углеводов и образование субстрата биологичес кого окисления. 2. Биологическое окисление и образо вание первичных макроэргических соединений. 3. Восстановление пирувата с образо ванием лактата. Пусковыми фе рментами гликолиза являются фосфорилаза и гексокиназа, расщепляющие с оответственно гликоген и глюкозу. Активность этих ферментов зависит от содержания в саркоплазме АДФ и неорганического фосфора, ионов Са 2 , освобождающихся при мышечном сокр ащении, и концентрации катехоламинов в крови. Первая стадия начинается с реакции фосфоролиза гл икогена или с активации глюкозы при помощи АТФ с участием гексокиназы. В том и другом случае образуется глюкозо-6-фосфат, который превращается во фруктозо-6-фосфат. Это соединение активируется при помощи АТФ и фермента фосфофруктокиназы, и образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Под действием ферм ента альдолазы это соединение распадается на 2 молекулы фосфоглицерино вого альдегида. На 2-й стадии протекает окисление 3-фосфоглицеринов ого альдегида с участием НАД-дегидрогеназы и фосфо рной кислоты. При этом образуется 1,3-дифосфоглицерат – макроэргическое соединение. Далее происходит перефосфорилирование этого соединения с АДФ и образование АТФ путем субстратного фосфорилирования. В следующей реакции остаток фосфата из положения 3 переносится в положение 2, а затем п роисходит дегидратация 2-фосфоглицерата. Это приводит к образованию фос фоэнолпирувата с макроэргической связью, появление которой обусловлен о электронной перестройкой молекулы. Затем вновь происходит реакция субстратного фосфорилирования – перенос макроэр гического остатка с фосфоэнолпирувата на АДФ. Образуется еще одна молек ула АТФ и пируват (пировиноградная кислота). На заключительной 3 стадии гликолиза водород, отнят ый НАД-дегидрогеназой от 3-фосфоглицеринового альдегида переносится от НАД∙'95Н 2 на пируват, который п ри этом превращается в лактат (молочную кислоту) при участии фермента ла ктатдегидрогеназа. Кофермент НАД освобождается таким образом от протонов и электронов водорода и может у частвовать в окислении новых молекул 3-фосфоглицеринового альдегида. Биологическая роль гликолиза заключается в образо вании промежуточных макроэргических соединений: дифосфоглицериновой и фосфоэнолпировиноградной кислот. Под действием ферментов эти соедин ения отдают свои высокоэнергетические фосфатные группировки на АДФ и о бразуется АТФ. ФГК ~ Ф + АДФ фосфоглицераткиназа АТФ + ФГК дифосфоглицериновая фосфоглицериновая кислота кислота ЭПВК ~ Ф + АДФ пируваткиназа АТФ + ПВК фосфоэнолпировиноградная пировиноградная кислота кислота Наивысшей скорости гликолиз достигает уже на 30 сек унде и обеспечивает поддержание максимальной мощности упражнения в ин тервале от 30 до 90 секунд. Однако довольно быстрое исчерпание запасов глик огена мышц и резкое повышение концентрации молочной кислоты, образующе йся в результате гликолиза, приводит к снижению активности ключевых фер ментов и внутриклеточного рН, что приводит к падению скорости гликолиза и подключению аэробных процессов (дыхания). Мощность процесса менее 750 кал/ кг/мин. Мощность зависит в основном от скорости процесса и регулируется активностью ферментов фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Мощность дости гает максимума с 20-30 секун ды, держится 1-2 минуты и постепенно снижается при поступлении кислорода в мышцы, а также при снижении рН. Емкость процесса около 2-3 минут. Емкость зависит от з апасов гликогена в мышцах, от возможностей буферных систем и от устойчив ости ферментов к накоплению лактата. Эффективность низкая – 30-40%, т.к. углеводы расщепляются только до лактата и большое количество энергии расходуется в виде тепла. Лимитирующим ферментом гликолиза является фосфофруктокиназа. Увеличе ние активности этого фермента в 5 раз увеличивает валовый поток гликолиза в 1000 раз. Также значит ельно влияют на процесс гликолиза фермент фосфорилаза, накопление лакт ата, емкость буферных систем и запасы гликогена в мышцах. В спорте гликолитическая система энергообеспечен ия является основной при выполнении физических нагрузок продолжительн остью от 30 секунд до 2,5 минут (в данной случае бег на 800м. – 2 минуты) с предельн ой для этой продолжительности интенсивностью и составляет основу скор остной выносливости. А также обеспечивает возможн ость ускорения по ходу дистанции и на финише. 3. Биохимические изменения в организме при выполнении данной физической нагрузки, а также в период отдыха. Изменения обмена углеводов, липидов, бе лков в мышцах, во внутренних органах, изменения содержания различных метаболитов в крови Биохимические изменения в орган изме при физической работе в основном обусловлены тем, какие механизмы п ринимают участие в ее энергообеспечении. Данная работа – бег на 800 м. в течение 2 минут – выполняется в зоне субмаксимальной м ощности. Значит ведущий механизм энергообеспечения – гликолиз. В начал е также происходит небольшой вклад анаэробного алактатного механизма. 1. Биохимические изменения в скелетных мышцах КрФ (креатинфосфат) уже к 45 секунде затрачивается до минимума (ок. 5 ммоль . кг -1 сырой ткани). Концентрация гликогена в мышцах уменьшается примерно на 15-20% на 1-2 минуте ф изической работы. Потребление кислорода уже на 2 минуте максимально – до 100%. Незначительно тратится белок . Увеличивается поступление в мышцы аммиака, свободных аминок ислот и пептидов. 2. Биохимич еские изменения в крови В крови накап ливается продукт распада КрФ – Кр (креатин). Концентрация продукта распада гликогена – лактата – в крови на 1-2 минут е достигает 20 ммоль . л -1 , что приводит к увеличению кислотн ости и снижению рН. На 1-2 начинает повышаться количество ионов водорода Н + примерно до 6 . 10 -7 ммоль. Следовательно, происходит сдвиг кислотно-щелочного ра вновесия (рН) максимально до 7.0. Накапливается в плазме крови продукт распада белка – мочевина. 3. Биохимические измене ния в головном мозге Во время рабо ты в головном мозге за счет процессов возбуждения активно используется энергия АТФ. Восстановление АТФ обеспечивается путем окислительного ф осфорилирования. Основным источником энергии является глюкоза, поступ ающая с кровью. 4. Биохимические изменения в миокарде При работе резко учащается частота сердечных сокр ащений, что требует усиленного образования АТФ, которая обеспечивается за счет аэробного окисления глюкозы. Энергетическими субстратами при д анной работе является глюкоза. 5.Биохимические изменения в моче В моче может появиться белок, а также увеличивается содержание лактата. Вышеизложенные изменения представлены на графике сравнительного расходования и восстановления различных энергетическ их субстратов. Восстановление после окончания нагрузки После окончания работы содержание различных метаб олитов возвращается к исходному уровню. При этом происходит не только во сстановление затраченных энергетических ресурсов, но и их сверхвосста новление. Прежде всего, восстанавливается содержание КрФ в мышцах. На 90% КрФ восстан авливается за 2-6 минут. А полное восстановление происходит за 0,5 – 4-6 часов. Кр устраняется быстро за 0,5 часа. Суперкомпенсаторная фаза (сверхвосстан овление содержания КрФ в мышцах) происходит на 6-8 часу. Затем восстанавливается гликоген мышц, для которого необходимо достат очное количество глюкозы. Восстановление гликогена мышц происходит за 12-20 часов. Фаза суперкомпе нсации длится 24-48 часов. Лактат ликвидируется следующим путем. На 3-4 минуте после окончания работы уровень лактата в крови увеличивается, так как пр оисходит его выход из работавших мышц. Затем начинается его устранений р азличными путями. 60% лактата окисляется до СО 2 и Н 2 О. 20% превр ащается в пировиноградную кислоту, а затем в гликоген печени – происход ит процесс глюконеогенез. Некоторая часть выделяется с потом и мочой. По лная нормализация лактата происходит за 0,5-3 часа. При перегрузке это врем я увеличивается. Примерно за 0,5-1 час идет нормализация кислотно-щелочного равновесия (рН). Процесс восстановления белка начинается сразу после нагрузки и ускоря ется к 3-4 часу. Продолжается этот процесс около 2-3 суток, фаза суперкомпенса ции – 3-4 сутки. Мочевина устраняется из крови примерно за 12-24 часа, причем сразу после окончани я работы уровень мочевины в крови повышен. Динамика биохимических изменений при работе и в период отдыха в большей степени зависит от активности эндокринной системы. Содержание в плазме кортизола около 5 мг . дл -1 . Свободные жирные кислоты – около 4 ммоль . л -1 . Содержание адреналина и норадреналина слегка увеличивается. 4. Направленность изменений, развивающихся при адап тации организма к нагрузкам данного типа. Биохимические изменения, обус лавливающие рост спортивных результатов. Методы оценки ведущих энерге тических критериев. Качества двигательной деятельности, которые являю тся основными при выполнении заданной нагрузки и биохимическое обоснование методов их развития При адаптации к физическим нагрузкам происходят о пределенные изменения в работающих мышцах и в организме в целом. Можно в ыделить следующие основные направления развития адаптационных измене ний: 1. Увеличение энергетиче ских ресурсов (КрФ, гликоген мышц). При данной работе в основном тратится гликоген из быстрых мышечных волокон . При адаптации к такой работе произойдет увеличение запасов гликогена примерно на 50-70% от исходного уровня. Так как в начале работы трат ится КрФ, то при адаптации произойдет увеличение содержания КрФ в мышцах примерно на 58%. Также тратится белок, значит, при адаптации увеличится кол ичество сократительных белков: - в саркоплазматическом ретикулуме на 54 %; - в саркоплазме на 57%; - в миофибриллах на 63%. Толщина мышечных волокон увеличивается при постоянных тренировках при мерно на 24%. Относительная масса мышц увеличивается на 32%. 2. Увеличение количеств а и активности ферментов, которые ускоряют реакции энергетическо го обмена Количество и активность аденозинтрифосфатазы миозина увеличивается на 18% . Также увелич ивается активность фосфорилазы и фосфофруктокиназы примерно на 30% . 3. Повышение эффекти вности энергетических процессов (повышение сопряженн ости окисления и фосфорилирования, увеличение доли аэробных процессов). (см. методические рекомендации, рис. 21) Скорость осн овного энергетического процесса при данной работе – гликолиза – возр астает на 56%. Увеличивается мощность данного процесса: возрастает скорос ть накопления молочной кислоты, а также скорость избыточного выделения СО 2 (~ 35 мл . кг -1 ) . Однако в процессе многолетней трениров ки, скорость избыточного выделения СО 2 может уменьшаться. Увеличивается емкость гликолиза: повышается максимальное накопление м олочной кислоты в крови (~32 ммоль . л -1 ) , максимальная величина кислородного до лга (~50 мл . кг -1 ) , а та кже максимальный сдвиг рН крови. Максимальное потребление кислорода при данной наг рузке ~ 77 мл . кг -1. мин -1 . Максимальная анаэробная мощность – 1.8 м . с -1 . Максимальный приход кислорода – 1.3 л . кг -1 . Таким образом, создаются предпосылки для увеличен ия мощности и емкости лактатного компонента выносливости, для развития скоростно-силовых качеств гликолиза. Повышается аэробная выносливость : вклад аэробных процессов идет быстрее и эффективнее. 4. Совершенствование про цессов вегетативной регуляции, что приводит к быст рой мобилизации энергетических ресурсов. 5. Увеличение возможно стей поддержания постоянства рН (буферной емкости организма и устойчивости к накоплению продуктов распада – лактата). 6. Увеличение структурных белков. Возрастает число митохондрий на единицу площади пр имерно на 30%. Содержание миоглобина повышается на 58%. Количество миостроми нов увеличивается на 7-10%. Изменения, п роисходящие в организме при систематических тренировках при адаптации к физическим нагрузкам, повышают возможности энергетических систем, чт о проявляется в изменении выраженности различных реакций на физическу ю нагрузку. Методы, используемые для определения тех биоэнерг етических характеристик, которые играют ведущую роль при выполнении данной соревновательной нагрузки: Педагогические – нужно давать специфическую наг рузку и ориентироваться по времени. Биохимические: - величина лактатного кислородног о долга; - максимальное увеличение лактата после специфической нагрузки (1 мин – бег на 400м, 1 мин – отдых, и так 4 раза); - максимальный сдвиг рН. У более тренированного спортсмена максимальное накопление лактата буд ет выше. А увеличение показателя рН наоборот свидетельствует о недостат очной тренированности спортсмена. Исходя из всего вышесказанного, для достижения выс оких спортивных показателей при выполнении данной нагрузки, необходим о развивать такие ведущие качества двигательной деятельности, как скор остно-силовые качества и аэробную выносливость. Словарь используемых терминов 1. АТФ – ( аденозинтрифосфорная кислота ) макроэргическое соединение, молекула которого состоит и з азотистого основания аденина, пятиуглеродного сахара рибозы и трех по следовательно соединенных остатков фосфорной кислоты. АТФ содержится в каждой клетке в цитоплазме, митохондриях, ядрах и снабжает энергией бо льшинство процессов, происходящих в клетке. 2. АДФ – (аденозиндифосфорная кислота) макроэргическое соедин ение, молекула которого состоит из азотистого основания аденина, пятиуг леродного сахара рибозы и двух последовательно соединенных остатков ф осфорной кислоты. Принимает участие в синтезе АТФ. 3. АМФ – (аденозинмонофосфорная кислота) макроэргическое соед инение, молекула которого состоит из азотистого основания аденина, пяти углеродного сахара рибозы и одного остатка фосфорной кислоты. 4. Адаптация – приспособление организма к действию физических нагрузок, вызываемое биохимическими изменениями в организме. 5. Активная ре акция среды – (рН) кислотно-щелочное равновесие – определенное соотношение кислот и оснований. Она достаточно постоянна в крови и составляет 7,4. 6. Актин – глобулярный белок, скрученный в две нити спиралью, со ставляющий тонкую нить миофибрилла. 7. Алкалоз – повышение рН, повышение щелочной реакции среды. 8. Ацидоз – понижение рН, повышение кислой реакции среды. 9. АТФ-аза – (аденозинтрифосфатаза) фермент, катализирующий отщепление от аденозинтрифо сфорной кислоты одного или двух остатков фосфорной кислоты с освобожде нием энергии, используемой в процессах мышечного сокращения. 10. Аэробное ок исление углеводов – катаболизм, процесс, идущий во всех органах и тканях, заканчивающийся полным окислением глюкозы до угл екислого газ а и воды. 11. Анаэробное окисление углеводов – глик олиз, ферментативный процесс превращения углеводов в мышцах до молочно й кислоты (лактата). 12. Бета-окисле ние – реакции окисления жирных кислот, в результат е которых происходит отщепление молекулы ацетил-КоА. 13. Биологичес кое окисление - это совокупность окислительных процессов в живом организме , протекающих с обязательным участием кислорода. 14. Буферная си стема – смесь слабой кислоты и ее растворимой соли , либо смесь двух солей и белков, которые способны препятствовать измене нию рН водных сред. 15. Водородный показатель – (показатель рН) отрицательный десяти чный логарифм концентрации ионов водорода. 16. Гетерохрон ность восстановления – неравномерность и расхожд ение во времени различных процессов восстановления организма. 17. Гидролиз – реакции обмена между различными веществами и ср едой. 18. Дыхательна я цепь – (цепь биологического окисления) последова тельно расположенные на внутренней мембране митохондрий окислительно- восстановительные ферменты. 19. Креатинфос фат – азотсодержащее макроэргическое соединение , в большом количестве содержащееся в скелетных мышцах и выполняющее рол ь энергетического резерва, может быть использован для синтеза АТФ при ст ремительных действиях (напр. бег на короткие дистанции). 20. Лактат – (молочная кислота) сильная кислота, в результате нако пления которой в мышцах увеличивается концентрация ионов водорода. 21. Макроэргич еские соединения – соединения, содержащие высоко энергетические химические связи (макроэргические). При их гидролитичес ком разрыве (с участием воды) высвобождается более 4 ккал/моль (20 кДж/моль). 22. Миозин – белок, молекула которого имеет 2 части – фибриллярную и глобулярную, составляющий толстую нить миофибри лла. 23. Окислитель ное фосфорилирование – основной путь аккумуляции энергии в организме, заключающийся в синтезе АТФ из АДФ и фосфорной кисл оты за счет энергии, которая высвобождается при транспорте водорода по д ыхательной цепи на кислород. 24. Разобщение окисления и фосфорилирования – процессы рассеива ния энергии, которая освобождается при окислении для образования АТФ, в виде тепла, при этом происходит повышение температуры тела. 25. Перекисное окисление липидов – процессы образования свободн орадикальных форм липидов, под воздействием избыточного количества ак тивных форм кислорода. Это приводит к накоплению токсических перекисей липидов и постепенному разрушению клетки. 26. Ресинтез АТ Ф – постоянное интенсивное восполнение запасов А ТФ в клетке. 27. Субстратно е фосфорилирование – синтез АТФ, протекающий поми мо дыхательной цепи при анаэробном окислении субстратов. 28. Суперкомпе нсация – сверхвосстановление затраченных энерге тических ресурсов. Использованная литература 1. Биохимия. Учебник для и нститутов физической культуры/ под ред. В.В. Меньшикова и Н.И. Волкова – М.: ФиС, 1986. 2. Биохимия физической культуры и сп орта. Учебно-методическое пособие (сост. Г.Е. Медведева, Т.В. Соломина) – Чел ябинск, 2003. 3. Биоэнергетика мышечной деятельн ости. Учебное пособие. Г.Е. Медведева - Челябинск, 2003. 4. Особенности процессов энергообе спечения физических нагрузок в циклических видах спорта. Учебное пособ ие. Т.В. Соломина – Омск, Челябинск, 1987. 5. Биохимия обменных процессов. Учеб ное пособие для студентов институтов и факультетов физической культур ы. – Челябинск, 1999. 6. Биохимические изменения в органи зме при мышечной деятельности. Методические рекомендации по выполнени ю курсовой работы. Сост. Т.В. Соломина, Н.В. Князев – Челябинск, 2005.