ЭНЕРГИЯ. ЧАСТЬ I

  • 22 Июль 2015

ВСТУПЛЕНИЕ.

Этой статьей мы начинаем большой цикл публикаций посвященный основным энергетическим обменным процессам в нашем организме. Мы узнаем о процессе метаболизма в нашем организме и в частности катаболизма: углеводов, жиров, протеинов, лактата и основных аминокислот. Публикуемые статьи являются авторской адаптацией оригинального текста с упрощенной подачей материала. Из текста, для легкости восприятия, изъяты практически все формулы и ссылки на оригинальные исследования.

ЭНЕРГИЯ. ОТ СОЛНЦА К ПРОДУКТАМ ПИТАНИЯ.

Этимологически, термин энергия означает силу действия, меру перехода движения материи из одной формы в другую. На физическом уровне, энергия определяется как способность организма обеспечивать механическую работу или ее эквивалент. Помимо своей механической формы, что мы знаем в двух видах – потенциальной (энергия взаимодействия тел) и кинетической (энергия движения); в сфере биомеханики энергия может быть представлена в формах: электрической, лучевой, химической, атомной и тепловой. Первый закон термодинамики нам говорит, что энергия не создается и не теряется, но превращается. Работа нашего организма не противоречит данному универсальному принципу. Это лишь фигура речи когда мы говорим, что организм вырабатывает энергию. На самом деле, организм лишь выбирает форму трансформации энергии не производя ее, от химической формы к механической и тепловой. Мы попытаемся понять, как это происходит. Большая часть энергии которой мы располагаем на Земле исходит от Солнца. Это центр ядерной реакции генерирующий энергию, которая к нам приходит в форме света. Солнечная энергия поглощается хлорофиллом растений. Там она возбуждает электрон атома водорода дающий энергию живой материи.

ПРОТОН ВОДОРОДА Н+ И ЕГО ЭЛЕКТРОН.

Водород это фундаментальный атом, и более для физиолога, чем для физика атомщика, химика или биолога. Это самый простой атом в таблице элементов. Он состоит из ядра содержащего протон и вращающегося вокруг него электрона. Вот этот электрон и есть необыкновенный феномен. Солнечная радиация его возбуждает, передавая таким образом энергию. Отметим, что если атом получает достаточно энергии, то он теряет свой электрон и становится положительным ионом или протоном Н+. Этот избыток энергии в электроне, потерянном протоном Н+ , он разносится повсюду, куда случай его приведет, и особенно-что касается нашего повествования- в наши мышцы. Прибыв в наши клетки, атом водорода будет отдавать энергию, что находится в его электроне. Именно эта «пара» протон водорода и электрон то, что наш организм будет искать через серию химических трансформаций которым он подвергает пищу.

Для нас, как и для всех животных, электрон водорода является источником энергии. Все было бы хорошо, если бы атом водорода был для нас лишь вектором энергии без негативных последствий для нашего организма. На самом деле, мы увидим, что атом водорода отвечает за кислотность организма, которая сопровождает процесс превращения энергии. Благодаря энергии электрона, человеческий организм имеет возможность осуществлять: - синтез простейших молекул (анаболизм белков из аминокислот, например); - производство тепловой энергии для поддержания в организме постоянной температуры; - производство механической энергии для внутреннего использования (работа сердца, легких, желудочно-кишечного тракта..) или внешней (мышечный тонус, физическая активность). Короче говоря, благодаря энергии Солнца, наш организм в состоянии обеспечить сохранность своей структуры и способность действия.

КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ДЛЯ БЕГА.

В зависимости от физического состояния, в котором она находится, энергия может быть определена в различных единицах измерения. Что касается энергии нашего организма, наиболее часто используют калории как единицу измерения (или килокалории=калория х 1000) и джоули (или килоджоули). Что касается энергии бега, то невозможно прямо измерить количество необходимой для этого действия энергии. Используют различные косвенные методы, такие как: производимое тепло, количество потребляемого кислорода, или уровень кислотности продуцируемый организмом. Данный тип измерения позволяет понять, почему такие единицы как: количество потребляемого кислорода в минуту (l/min), кислорода в минуту на килограмм веса (ml/min/kg) или расход кислорода на километр (ml/km) широко используется для количественной оценки затрат энергии во время бега. Эти методы показали, что до скорости совместимой с поддержанием техники бега, затраты энергии пропорциональны скорости передвижения. Эта связь делает зависимость затрат энергии от пройденного расстояния. На количественном уровне, и только на этом уровне, 1 час бега реализованный на скорости 12 км/ч не отличается по энергетическим затратам от 40 минут бега на скорости 18 км/ч; 1000 метров бега на скорости 20 км/ч равны в энергетических затратах 1000 метрам бега на скорости 12 км/ч. Это замечание имеет прямое отношение к практике. Многие тренеры считают, что работу нужно измерять в общем времени бега, а разность дистанции это следствие усталости. Это не так. Но любом случае, бежим мы со скоростью 12 км/ч или 20 км/ч, наш организм должен питаться.

ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ.

Продукты которые мы едим могут быть разбиты на множество субстратов. Если не считать витамины, минералы и другие микроэлементы, которые не участвуют непосредственно в производстве энергии, пища разлагается в кишечнике на три основные категории: - липиды или жиры; - углеводы или сахар; - белки. Эти субстраты отличаются друг от друга, среди прочего, их энергетическими свойствами. Углеводы и жиры являются двумя привилегированными источниками энергии. Однако, если резервы жира в организме составляют более 70 000 килокалорий (ккал), все углеводы менее 2 000 ккал. Увидев эти цифры, мы понимаем, что основной источник энергии хранится в организме в виде жиров. Но основной источник энергии для дистанций от 100 метров до полумарафона это глюкоза. Почему? Все дело в скорости!

САХАР.

Мы будем употреблять различные термины: сахар, углеводы или гликоген, но употребляя их, мы говорим об одном и том же химическом элементе, все они имеют единую базовую структуру Cn(H2O); углерод +два атома водорода и один кислорода; формально это соединение углерода и воды. Химические превращения. Углеводы присутствуют как в соке растений так и в крови животных. Они играют важную роль в обмене веществ всего живого. После приема внутрь они превращаются в глюкозу. Последний переносится во все клетки. В состоянии покоя, в частности, она попадает в печень и мышцы, где превращается в более сложные молекулы гликогена. Гликоген это на самом деле следствие глюкозы от начала и до конца, поезд состоящий из вагонов-глюкозы. Это основная форма в которой глюкоза хранится в нашем организме. Как только возникнет необходимость, гликоген будет трансформирован в глюкозу. Эта реакция называется гликолиз (glycolyse-LYSE-разрушение).

Регуляция глюкозы. Некоторые органы, такие как мозг например, не могут использовать другие виды энергии кроме глюкозы. Чтобы функционировать они должны постоянно черпать ее из крови. Отсюда и необходимость для организма чтобы уровень глюкозы в крови был постоянен. Это и является целью процесса регулирования субстрата глюкозы. Каждое мгновение организм оценивает уровень глюкозы с эталонным. Если уровень глюкозы выше эталонного – излишки глюкозы преобразовываются в гликоген. Если ниже, организм забирает гликоген и трансформирует его в глюкозу. Несмотря на тонкость отстроенного процесса, падение уровня глюкозы в крови может возникнуть и такое состояние называется ГИПОГЛИКЕМИЯ. Гипогликемия приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Она проявляется в виде интенсивной усталости, которая может доходить до потери сознания. Интенсивные физические упражнения могут привести к такой реакции организма. Гликоген и его недостаток.

В 1967 году был проведен эксперимент. В нем принимали участие добровольцы пожарные. Испытуемых просили крутить педали на велотренажере на установленном уровне мощности (77% VO2max) и до изнеможения. В соответствии с их тренированностью, остановка движения происходила быстрее или медленнее: лучшие показали результаты от 1:20 до 1:30. Между началом и окончанием испытания регулярно производился отбор крови и мышц. Что показали исследования? Для всех субъектов, гликоген в квадрицепсах снижался постоянно в ходе упражнения. Истощение наступало тогда, когда все запасы гликогена были исчерпаны. Это исследование было первым убедительным научным доказательством взаимосвязи уровня гликогена в мышцах и усталости во время физического упражнения. На первом графике вы как раз и видите графическое воплощение данного эксперимента.


Синяя кривая эволюция уровня гликогена у тренированных людей, красная кривая у людей ведущих малоподвижный образ жизни. Истощение наступает тогда, когда гликоген в мышцах и печени, а так же уровень глюкозы в крови, достигают своего критического уровня. Скорость, способность к ориентации и концентрации, координация движений спортсмена снижаются. В целом на таком уровне упражнение должно быть либо прекращено или его интенсивность должна быть значительно снижена. Но при этом, запасы гликогена в некоторых мышцах остаются нетронутыми.

Одним из решений было бы пойти и взять эти запасы. К сожалению, резервы в неактивных мышцах не могут быть мобилизованы во время усилия и гликоген который находится в печени так же не может быть использован. Наступление усталости неизбежно. Такой тип усталости называется периферический, в отличии от общей усталости которое происходит от дисбаланса на уровне мозга. Периферической усталости не бывает из-за отсутствия субстратов, кроме крайних случаев (марафон или голод). Наиболее часто гипогликемия имеет природу центральную. Она появляется, когда мозг интерпретирует моментное снижение уровня глюкозы в крови как сигнал опасности, чтобы заставить принять необходимые меры к уменьшению оттока энергии и увеличить ее поступление в форме сахара. Когда происходит резкое снижение уровня глюкозы в крови, даже без падения этого уровня ниже нормы, на уровне центральной нервной системы создаются те же условия, что и при реальной гипогликемии.

Хотя состояние усталости, что она порождает кратковременно, она в состоянии хорошенько объяснить телу через такие «удары», что происходит с организмом в данный момент. Гликоген занимает привилегированное место в способности атлета сопротивляться нагрузке. При средней скорости бега расход гликогена составляет 100 грамм на менее чем 30 минут. Резерв гликогена в мышцах составляет от 9 до 16 грамм на килограмм мышечной массы. Поскольку мышцы составляют около 40% веса тела человека, резерв гликогена в мышцах равен примерно 300 граммам. Это не означает, что мы можем без проблем бежать на запасах гликогена 3-4 раза по 30 минут, так как в мышцах не участвующих в беге гликоген не будет задействован. В самом деле, основная проблема в длительном беге это успешное сохранение запасов гликогена. Чем выше скорость бега, тем более доминирующем становится относительное участие гликогена в нем.

Сверхскорость бега требует сверх затрат гликогена. Если это так, то путь деградации глюкозы имеет очень короткий срок и скорость реализации, чтобы удовлетворить растущий спрос на энергию организма. В ходе тренировок организм учится замещать использование гликогена как источника энергии на жир. Осуществляя бег с той же скоростью тренированный спортсмен использует гликогена меньше чем неофит. Но тем не менее, гликоген имеет большое значение при длительном беге. И учитывая его большую роль в энергетическом процессе исследователи и спортсмены пытались повысить его резервы в организме. Множество методов основано на базе принципа суперкомпенсации. Это серия из циклов полного истощения запасов гликогена и затем его восстановления употребляя продукты с высоким гликемическим индексом (макароны, рис, хлеб…). Такой спортивный и питательный режим могут в пять раз повысить резервы гликогена в мышцах. Если гликоген позволяет бежать быстро, то использование жиров позволяет бежать долго. В следующей части мы затронем жиры и протеины как источник энергии.


Источник: Volodalen