Основные энергетические системы (стр. 1 )

Глава 5

Основные энергетические системы

т

Всем растениям и животным требуется энер­гия. Человек получает энергию из пищи, кото­рую потребляет. Независимо от того, едим ли мы самые свежие фрукты и овощи или уплетаем кар­тофель по-французски и бифштекс по-гамбургс­ки, каждый кусочек пищи обеспечивает наш орга­низм необходимой энергией.

Без рассмотрения некоторых основных поня­тий энергии нельзя понять суть физиологии мы­шечной деятельности. В предыдущих главах мы узнали, что за движение нужно "платить". Мы "платим" АТФ — формой химической энергии, содержащейся в клетках нашего организма. АТФ образуется в результате процессов, имеющих со­бирательное название — метаболизм. Именно ме­таболизм — главная цель изучения в этой главе. Мы рассмотрим биохимические процессы, кото­рые позволят нам выяснить, как наши мышцы используют пищу для образования энергии, необ­ходимой для выполнения движений. Затем обсу­дим, как изучение образования и потребления энер­гии помогает разобраться во влиянии срочных и долговременных физических нагрузок на мышеч­ную деятельность и физическую подготовленность.

В 1978 г. Том Ослер, всемирно известный бе­гун на марафонские и сверхмарафонские дистан­ции, пришел в Лабораторию по исследованию мышечной деятельности человека (университет Болл), чтобы подвергнуться исследованиям во время его попыток непрерывно бежать и идти в течение 72 ч. Проведенные измерения показали, что в первые часы выполнения работы мышцы спортсмена в качестве источника энергии исполь­зовали в основном углеводы. Затем они стали все больше и больше использовать жиры. Наконец, в последние 24 ч исследования почти всю энергию для мышечной деятельности обеспечивали жиры, несмотря на то, что спортсмен постоянно пил молоко с сахаром и ел праздничный пирог, раз­меры которого были 18х21 дюйм. Несмотря на то, что в первые 24 ч Том потребил пищу, энерге­тическая ценность которой превысила 9 000 ккал, он вынужден был прекратить свою попытку на 70-м часу, пробежав 200 миль, в состоянии изне­можения и истощения запасов энергии.

Многие словари определяют понятие "энер­гия" как способность выполнять работу, однако такое определение не дает информации о многих биологических функциях, зависящих от образо­вания и освобождения энергии.

Существуют различные формы энергии:

• химическая;

• электрическая;

• электромагнитная;

• тепловая;

• механическая;

• ядерная.

Согласно законам термодинамики, все фор­мы энергии взаимозаменяемы. Химическая энер­гия, например, может быть использована для об­разования электрической энергии в батарее, ко­торая затем может использоваться для выполне­ния механической работы путем обеспечения пи­танием электродвигателя. Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Она переходит из одной формы в другую и в конечном итоге пре­вращается в тепло. Примерно 60 — 70 % всей энергии в организме человека превращается в тепло. Как же использует наш организм энер­гию, прежде чем она достигает своей последней фазы превращения?

ЭНЕРГИЯ ДЛЯ КЛЕТОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Источником всех видов энергии является энер­гия Солнца. Химические реакции, происходящие в растениях (фотосинтез), превращают энергию Солнца в химическую энергию. Употребляя в пищу овощи и фрукты, а также мясо животных, кото­рые питаются растениями, мы получаем энергию. Энергия содержится в пищевых продуктах в виде углеводов, жиров и белков. Эти основные компо­ненты пищевых продуктов расщепляются в клет­ках нашего организма, освобождая энергию.

Поскольку энергия постепенно превращается в тепло, ее количество, высвобождаемое в резуль­тате биологических реакций, определяется по ко­личеству образованного тепла. В биологических

85

системах энергия измеряется в килокалориях (ккал). Согласно определению, 1 ккал равна ко­личеству тепловой энергии, необходимой для по­вышения температуры 1 кг воды с 1 до 15 °С. Например, при сжигании спички выделяется при­мерно 0,5 ккал, тогда как при полном сгорании 1 г углеводов выделяется 4,0 ккал.

Некоторое количество свободной энергии в клетках используется для развития и "ремонта" нашего организма. Такие процессы, как мы уже знаем, направлены на развитие мышечной массы под влияние тренировочных нагрузок и восста­новление мышц после физических нагрузок или травм. Энергия также необходима для активного транспорта множества веществ, таких, как глюко­за и Са24' через клеточные мембраны. Активный транспорт необходим для функционирования кле­ток и поддержания гомеостаза. Определенное ко­личество энергии используют миофибриллы для обеспечения скольжения филаментов актина и миозина, в результате которого производятся мы­шечное сокращение и сила, что мы уже рассмат­ривали в главе 2.

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Продукты питания состоят, в основном, из уг­лерода, водорода, кислорода, а при наличии бел­ков — из азота. Молекулярные связи в пищевых продуктах относительно слабые, и в случае рас­щепления освобождается небольшое количество энергии. Следовательно, продукты питания не используются непосредственно для потребностей клетки. Энергия молекулярных связей продуктов питания химически освобождается в клетках орга­низма и хранится в виде высокоэнергетического соединения — аденозинтрифосфата (АТФ).

'у Образование АТФ позволяет клеткам со-т хранять энергию в этом высокоэнергети­

ческом соединении

В покое энергия, необходимая нашему организ­му, обеспечивается за счет расщепления практи­чески одинакового количества углеводов и жиров. Белки представляют собой "строительные блоки" и обычно обеспечивают функционирование кле­ток небольшим количеством энергии. При увели­чении мышечного усилия в качестве источника энергии больше используются углеводы. При мак­симальной кратковременной нагрузке АТФ почти исключительно образуется за счет углеводов.

Углеводы

Зависимость мышц от углеводов во время физи­ческой нагрузки связана с их наличием, а также способностью мышечной системы их расщеплять.

Содержание углеводов в печени и скелет­ных мышцах ограничено; их достаточно для образования не более 2 000 ккал энер­гии. Это количество расходуется на то, чтобы пробежать 32 км (20 миль). Запа­сы жиров достаточны для образования более 70 000 ккал энергии

Углеводы в конечном итоге превращаются в глю­козу — моносахарид, который транспортируется кровью ко всем тканям организма. В состоянии по­коя поглощенные углеводы попадают в мышцы и печень, а затем преобразуются в более сложную мо­лекулу сахара — гликоген. Гликоген находится в ци­топлазме до тех пор, пока клетки не используют его для образования АТФ. Гликоген, содержащийся в печени, может снова превращаться в глюкозу, она транспортируется кровью к активным тканям, где и происходит ее метаболизм (расщепление).

Содержание гликогена в печени и мышцах ог­раничено, и его запасы могут истощиться, если в рационе питания нет достаточного количества углеводов. Таким образом, восполнение запаса углеводов во многом зависит от пищевых источ­ников крахмалов и Сахаров. Без достаточного по­требления углеводов мышцы и печень лишаются своего основного источника энергии.

Жиры

Жиры и белки также используются в качестве источников энергии. В организме содержится зна­чительно больше жиров, чем углеводов. Как вид­но из табл. 5.1, жировой резерв энергии в орга­низме значительно превышает углеводный. Од­нако жиры менее доступны клеточному метаболизму, поскольку прежде всего должна быть расщеплена сложная форма — триглицерид — на основные компоненты: глицерин и свободные жирные кислоты. Только свободные жирные кис­лоты используются для образования АТФ.

Таблица 5.1. Запасы "топлива" и энергии в организме

Источник энергии	г	ккал
Углеводы гликоген печени мышечный гликоген глюкоза в жидкостях организма Всего Жиры подкожный внутримышечный Всего	110 250 15	0,451 1,025 0,062 1,538 70,980 1,465
375 7,800 0,161
7,961 72,445
Примечание. Оценка произведена на основании средней массы кг с содержанием жира 12 %.

86

Как видно из рис. 5.1, из одного и того же количества жиров и углеводов образуется абсо­лютно разное количество энергии: соответствен­но 9 и 4 ккалт'. В любом случае интенсивность освобождения энергии из этих соединений слиш­ком небольшая, чтобы удовлетворить потребнос­ти организма в энергии во время интенсивной мышечной деятельности.

Белки

Процесс превращения белков или жиров в глю­козу называется глюконеогенезом. В результате серии реакций белок может превратиться в жир­ные кислоты. Это — липогенез.

Белки обеспечивают 5 — 10 % энергии, необ­ходимой для выполнения продолжительного фи­зического упражнения. Для образования энергии используются лишь основные единицы белка-аминокислоты.

ИНТЕНСИВНОСТЬ ВЫСВОБОЖДЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Чтобы быть полезной, энергия должна высво­бождаться из химических соединений с контро­лируемой интенсивностью. Частично эта интен­сивность определяется выбором источника энер­гии. Если используется большое количество энергии из одного источника, клетки рассчиты­вают главным образом именно на этот источник. Такое влияние наличия энергии называется эф­фектом массового воздействия.

Специальные ферменты обеспечивают более четкий контроль интенсивности высвобождения свободной энергии. Многие из них облегчают рас­щепление (катаболизм) химических соединений (рис. 5.2). Хотя названия ферментов довольно слож­ны, все они заканчиваются суффиксом -аза. На­пример, фермент, воздействующий на АТФ, на­зывается аденозинтрифосфатаза (АТФаза).

Разобравшись с источниками энергии, рас­смотрим, как сохраняется энергия. В следующем параграфе мы изучим, как образуется содержа­щее энергию соединение — АТФ.

Жиры

(свободные жирные кислоты)

Углеводы

1 г С6Н12О6 1 г С„НзА