Was bewegt einen Menschen? Was ist Energieaustausch? Woher kommt die Energie des Körpers? Wie lange wird es dauern? Bei welcher körperlichen Belastung wird welche Energie verbraucht? Wie Sie sehen, gibt es viele Fragen. Aber vor allem tauchen sie auf, wenn Sie anfangen, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Ich werde versuchen, den Neugierigsten das Leben zu erleichtern und Zeit zu sparen. Gehen…

Energiestoffwechsel - eine Reihe von Reaktionen zur Spaltung organischer Substanzen, begleitet von der Freisetzung von Energie.

Um Bewegung (Aktin- und Myosinfilamente im Muskel) bereitzustellen, benötigt der Muskel Adenosintriphosphat (ATP). Wenn chemische Bindungen zwischen Phosphaten gelöst werden, wird Energie freigesetzt, die von der Zelle genutzt wird. In diesem Fall geht ATP in einen Zustand mit niedrigerer Energie in Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphor (P) über.

Arbeitet der Muskel, dann wird ATP ständig in ADP und anorganischen Phosphor gespalten, wobei Energie (ca. 40-60 kJ/mol) freigesetzt wird. Für eine langfristige Arbeit ist es notwendig, ATP in dem Maße wiederherzustellen, in dem diese Substanz von der Zelle verbraucht wird.

Die Energiequellen, die für Kurzzeit-, Kurzzeit- und Langzeitarbeit verwendet werden, sind unterschiedlich. Energie kann sowohl anaerob (sauerstofffrei) als auch aerob (oxidativ) erzeugt werden. Welche Qualitäten entwickelt ein Athlet beim Training in der aeroben oder anaeroben Zone, habe ich im Artikel „“ geschrieben.

Es gibt drei Energiesysteme, die die körperliche Arbeit eines Menschen sicherstellen:

1. Alactat oder Phosphagen (anaerob). Es ist mit den Prozessen der ATP-Resynthese verbunden, hauptsächlich aufgrund der hochenergetischen Phosphatverbindung - Kreatinphosphat (CrP).
2. Glykolytisch (anaerob). Bietet die Resynthese von ATP und CRF aufgrund der Reaktionen des anaeroben Abbaus von Glykogen und / oder Glucose zu Milchsäure (Laktat).
3. Aerob (oxidativ). Die Fähigkeit, Arbeit aufgrund der Oxidation von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen zu verrichten und gleichzeitig die Zufuhr und Nutzung von Sauerstoff in den arbeitenden Muskeln zu erhöhen.

Energiequellen für Kurzarbeit.

Schnell verfügbare Energie für den Muskel wird durch das ATP-Molekül (Adenosintriphosphat) bereitgestellt. Diese Energie reicht für 1-3 Sekunden. Diese Quelle wird für sofortige Arbeit mit maximalem Aufwand verwendet.

ATP + H2O ⇒ ADP + F + Energie

Im Körper ist ATP eine der am häufigsten aktualisierten Substanzen; Somit beträgt beim Menschen die Lebensdauer eines ATP-Moleküls weniger als 1 Minute. Während des Tages durchläuft ein ATP-Molekül durchschnittlich 2000-3000 Resynthesezyklen (der menschliche Körper synthetisiert etwa 40 kg ATP pro Tag, enthält aber zu jedem Zeitpunkt etwa 250 g), dh es gibt praktisch keine ATP-Reserve im Körper, und für ein normales Leben ist es notwendig, ständig neue ATP-Moleküle zu synthetisieren.

Es wird durch CRP (Creatine Phosphate) mit ATP aufgefüllt, das ist das zweite Phosphatmolekül, das im Muskel eine hohe Energie hat. CrF spendet das Phosphat-Molekül an das ADP-Molekül zur Bildung von ATP und sichert so die Arbeitsfähigkeit des Muskels für eine gewisse Zeit.

Es sieht aus wie das:

ADP + CrF ⇒ ATP + Cr

Der KrF-Vorrat hält bis zu 9 Sek. an. Arbeit. In diesem Fall fällt die Spitzenleistung auf 5-6 Sekunden. Professionelle Sprinter versuchen, diesen Tank (CrF-Reserve) noch weiter zu erhöhen, indem sie bis zu 15 Sekunden trainieren.

Sowohl im ersten als auch im zweiten Fall erfolgt die ATP-Bildung anaerob ohne Beteiligung von Sauerstoff. Die ATP-Resynthese aufgrund von CNI wird fast sofort ausgeführt. Dieses System hat im Vergleich zu Glykolyse und Aerob die größte Kraft und bietet Arbeit von "explosiver" Natur mit maximalen Muskelkontraktionen in Bezug auf Kraft und Geschwindigkeit. So sieht der Energiestoffwechsel bei Kurzarbeit aus, also so funktioniert das ataktische Energieversorgungssystem des Körpers.

Energiequellen für kurze Arbeitszeiten.

Woher kommt die Energie für den Körper bei Kurzarbeit? In diesem Fall ist die Quelle ein tierisches Kohlenhydrat, das in den Muskeln und der menschlichen Leber vorkommt - Glykogen. Der Prozess, durch den Glykogen die ATP-Resynthese und die Energiefreisetzung fördert, wird genannt Anaerobe Glykolyse(Glykolytisches Energieversorgungssystem).

Glykolyse- Dies ist der Prozess der Glukoseoxidation, bei dem aus einem Glukosemolekül zwei Moleküle Brenztraubensäure (Pyruvat) gebildet werden. Der weitere Metabolismus von Brenztraubensäure ist auf zwei Arten möglich - aerob und anaerob.

Während der aeroben Arbeit Brenztraubensäure (Pyruvat) ist am Stoffwechsel und vielen biochemischen Reaktionen im Körper beteiligt. Es wird in Acetyl-Coenzym A umgewandelt, das am Krebszyklus beteiligt ist und für die Atmung in der Zelle sorgt. In Eukaryoten (Zellen lebender Organismen, die einen Zellkern enthalten, also in menschlichen und tierischen Zellen) findet der Krebszyklus innerhalb der Mitochondrien (MX, das ist die Energiestation der Zelle) statt.

Krebs Zyklus(Tricarbonsäurezyklus) - ein wichtiger Schritt bei der Atmung aller Zellen, die Sauerstoff verwenden, es ist das Zentrum der Kreuzung vieler Stoffwechselwege im Körper. Neben der Energierolle hat der Krebszyklus eine bedeutende plastische Funktion. Durch die Teilnahme an biochemischen Prozessen hilft es, so wichtige Zellverbindungen wie Aminosäuren, Kohlenhydrate, Fettsäuren usw. zu synthetisieren.

Wenn der Sauerstoff nicht ausreicht, das heißt, die Arbeit wird anaerob durchgeführt, dann wird Brenztraubensäure im Körper anaerob unter Bildung von Milchsäure (Lactat) gespalten

Das glykolytische anaerobe System zeichnet sich durch hohe Leistung aus. Dieser Prozess beginnt fast von Anfang an und erreicht die Leistung in 15-20 Sekunden. Arbeit mit maximaler Intensität, und diese Leistung kann nicht länger als 3 - 6 Minuten aufrechterhalten werden. Für Anfänger, die gerade erst mit dem Sport anfangen, reicht die Leistung kaum für 1 Minute.

Energiesubstrate zur Energieversorgung der Muskeln sind Kohlenhydrate - Glykogen und Glukose. Die Gesamtversorgung des menschlichen Körpers mit Glykogen für 1-1,5 Stunden Arbeit.

Wie oben erwähnt, wird aufgrund der hohen Leistung und Dauer der glykolytischen anaeroben Arbeit eine erhebliche Menge Laktat (Milchsäure) in den Muskeln gebildet.

Glykogen ⇒ ATP + Milchsäure

Laktat aus den Muskeln dringt in das Blut ein und bindet sich an die Puffersysteme des Blutes, um das innere Milieu des Körpers zu erhalten. Steigt der Laktatspiegel im Blut an, können die Puffersysteme irgendwann überfordert sein, wodurch sich der Säure-Basen-Haushalt auf die saure Seite verschiebt. Durch die Übersäuerung wird das Blut dicker und die Körperzellen können nicht den notwendigen Sauerstoff und die nötige Nahrung erhalten. Dadurch kommt es zur Hemmung von Schlüsselenzymen der anaeroben Glykolyse bis hin zur vollständigen Hemmung ihrer Aktivität. Die Geschwindigkeit der Glykolyse selbst, der alaktisch-anaerobe Prozess und die Arbeitskraft nehmen ab.

Die Dauer der Arbeit im anaeroben Modus hängt von der Höhe der Laktatkonzentration im Blut und dem Widerstandsgrad von Muskeln und Blut gegen Säureverschiebungen ab.

Die Pufferkapazität des Blutes ist die Fähigkeit des Blutes, Laktat zu neutralisieren. Je trainierter ein Mensch ist, desto mehr Pufferkapazität hat er.

Energiequellen für Dauerbetrieb.

Die Energiequellen für den menschlichen Körper während längerer aerober Arbeit, die für die Bildung von ATP erforderlich sind, sind Muskelglykogen, Blutzucker, Fettsäuren und intramuskuläres Fett. Dieser Prozess wird durch längere aerobe Arbeit ausgelöst. Beispielsweise beginnt die Fettverbrennung (Fettoxidation) bei Laufanfängern nach 40 Minuten Laufen in der 2. Herzfrequenzzone (ZZ). Bei Sportlern beginnt der Oxidationsprozess bereits nach 15-20 Minuten Laufen. Fett im menschlichen Körper reicht für 10-12 Stunden kontinuierliche aerobe Arbeit.

Wenn sie Sauerstoff ausgesetzt werden, werden die Moleküle von Glykogen, Glukose und Fett abgebaut, wodurch ATP unter Freisetzung von Kohlendioxid und Wasser synthetisiert wird. Die meisten Reaktionen finden in den Mitochondrien der Zelle statt.

Glykogen + Sauerstoff ⇒ ATP + Kohlendioxid + Wasser

Die Bildung von ATP über diesen Mechanismus ist langsamer als mit Hilfe von Energieträgern, die bei Kurzzeit- und Kurzarbeit verwendet werden. Es dauert 2 bis 4 Minuten, bis der ATP-Bedarf der Zelle durch den besprochenen aeroben Prozess vollständig gedeckt ist. Diese Verzögerung ist darauf zurückzuführen, dass das Herz einige Zeit braucht, um die Zufuhr von sauerstoffreichem Blut zu den Muskeln mit der Geschwindigkeit zu erhöhen, die erforderlich ist, um den ATP-Bedarf des Muskels zu decken.

Fett + Sauerstoff ⇒ ATP + Kohlendioxid + Wasser

Die körpereigene Fettoxidationsfabrik ist die energieintensivste. Seit der Oxidation von Kohlenhydraten werden aus 1 Glucosemolekül 38 ATP-Moleküle hergestellt. Und mit der Oxidation von 1 Molekül Fett - 130 Moleküle ATP. Aber es passiert viel langsamer. Außerdem erfordert die Produktion von ATP durch Fettoxidation mehr Sauerstoff als die Kohlenhydratoxidation. Ein weiteres Merkmal der oxidativen, aeroben Fabrik ist, dass sie allmählich an Dynamik gewinnt, wenn die Sauerstoffzufuhr zunimmt und die Konzentration der aus dem Fettgewebe freigesetzten Fettsäuren im Blut zunimmt.

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Wenn wir uns alle energieproduzierenden Systeme (Energiestoffwechsel) im Körper in Form von Treibstofftanks vorstellen, dann sehen sie so aus:

1. Der kleinste Tank ist Kreatinphosphat (es ist wie 98 Benzin). Es ist sozusagen näher am Muskel und beginnt schnell zu arbeiten. Dieses "Benzin" reicht für 9 Sekunden. Arbeit.
2. Mittlerer Tank - Glykogen (92 Benzin). Dieser Tank befindet sich etwas weiter im Körper und der Kraftstoff daraus stammt aus 15-30 Sekunden körperlicher Arbeit. Dieser Kraftstoff reicht für 1-1,5 Stunden Arbeit.
3. Großer Tank - Fett (Dieselkraftstoff). Dieser Tank ist weit entfernt und es dauert 3-6 Minuten, bis der Kraftstoff aus ihm zu fließen beginnt. Fettvorrat im menschlichen Körper für 10-12 Stunden intensives, aerobes Training.

Ich habe mir das alles nicht selbst ausgedacht, sondern habe Auszüge aus Büchern, Literatur, Internetquellen genommen und versucht, es Ihnen prägnant zu vermitteln. Bei Fragen - schreiben.

Betrachten Sie das Energiesystem des Körpers genauer.

Der amerikanische Wissenschaftler Albert Szent-Györgyi schrieb, dass das Leben ein kontinuierlicher Prozess der Aufnahme, Umwandlung und Bewegung von Energie verschiedener Art und verschiedener Werte ist.

Dieser Prozess steht in direktem Zusammenhang mit den elektrischen Eigenschaften lebender Materie und insbesondere mit ihrer elektrischen Leitfähigkeit.

Elektrischer Strom ist die geordnete Bewegung geladener Teilchen. Träger elektrischer Ladungen können Elektronen, Ionen und Löcher (in Halbleitern) sein. Halbleiter sind auch durch Fremdstoffleitung gekennzeichnet. Wenn einem Halbleiterkristall ein Atom eines anderen Elements hinzugefügt wird, erhöht sich seine Leitfähigkeit. Die Eigenschaften von Halbleitern sind sehr interessant. Sie reagieren sehr empfindlich auf die Einwirkung von Licht, Wärme, Strahlung usw. Fällt beispielsweise Licht auf einen Halbleiter, so steigt dessen Leitfähigkeit stark an, denn. die Elektronen aus dem Valenzband „lösen“ sich vom Atomkern und sorgen für elektronische Leitfähigkeit. Lebende Materie ist einem Halbleiter sehr ähnlich. Allerdings gibt es einen ganz grundsätzlichen Unterschied. In lebenden Makromolekülen beträgt die Bindungsenergie nur wenige Elektronenvolt, während die Bindungsenergie in Lösungen oder Flüssigkristallen etwa 20-30 eV beträgt. Diese Eigenschaft ist sehr wichtig, da sie eine hohe Empfindlichkeit ermöglicht. Die Leitung erfolgt durch Elektronen, die aufgrund des Tunneleffekts von einem Molekül zum anderen gelangen. In Proteinen und anderen biologischen Objekten ist die Mobilität von Ladungsträgern sehr hoch. Im System der Kohlenstoff-Sauerstoff- und Wasserstoff-Stickstoff-Bindungen bewegt sich ein Elektron (angeregt) aufgrund des Tunneleffekts durch das gesamte System des Proteinmoleküls. Da die Beweglichkeit solcher Elektronen sehr hoch ist, ist die Leitfähigkeit des Proteinsystems hoch.

In einem lebenden Organismus wird auch Ionenleitung durchgeführt. Die Bildung und Trennung von Ionen in lebender Materie wird durch das Vorhandensein von Wasser im Proteinsystem erleichtert. Die Dielektrizitätskonstante des Proteinsystems hängt davon ab. Die Ladungsträger sind in diesem Fall Wasserstoffionen - Protonen. Nur in einem lebenden Organismus werden alle Leitungsarten gleichzeitig verwirklicht. Das Verhältnis zwischen verschiedenen Leitfähigkeiten variiert je nach Wassermenge im Proteinsystem. Je weniger Wasser, desto weniger Ionenleitfähigkeit. Werden die Proteine ​​getrocknet, erfolgt die Leitung durch Elektronen.

Generell bewirkt Wasser nicht nur, dass es eine Quelle von Wasserstoffionen ist und somit die Möglichkeit der Ionenleitung bietet. Wasser spielt eine komplexere Rolle bei der Änderung der Gesamtleitfähigkeit. Tatsache ist, dass Wasser ein Verunreinigungsspender ist. Es liefert Elektronen (jedes Wassermolekül zerfällt in ein Proton (Kern) und ein Elektron). Dadurch füllen die Elektronen die Löcher, wodurch die Lochleitfähigkeit abnimmt. Es schrumpft millionenfach. Anschließend werden diese Elektronen auf Proteine ​​übertragen und die Position wiederhergestellt, jedoch nicht vollständig. Die Gesamtleitfähigkeit bleibt danach immer noch 10-mal geringer als vor der Zugabe von Wasser.

Es ist möglich, Proteinsystemen nicht nur einen Donor, sondern auch einen Akzeptor hinzuzufügen, was zu einer Erhöhung der Löcherzahl führen würde. Als solcher Akzeptor hat sich insbesondere Chloranil erwiesen, eine chlorhaltige Substanz.

Dadurch steigt die Lochleitfähigkeit so stark an, dass die Gesamtleitfähigkeit des Proteinsystems um den Faktor einer Million zunimmt.

Auch im lebenden Organismus spielen Nukleinsäuren eine wichtige Rolle. Trotz der Tatsache, dass sich ihre Struktur, Wasserstoffbrückenbindungen usw. von denen biologischer Systeme unterscheiden, gibt es Substanzen (nicht-biologisch) mit grundsätzlich ähnlichen elektrophysikalischen Eigenschaften. Ein solcher Stoff ist insbesondere Graphit. Ihre Bindungsenergie ist wie die von Proteinen gering und die spezifische Leitfähigkeit hoch, wenn auch um mehrere Größenordnungen niedriger als die von Proteinen. Aber die elektrophysikalischen Eigenschaften von Aminosäuren sind im Allgemeinen die gleichen wie die Eigenschaften von Proteinen.

Aber Aminosäuren in der Zusammensetzung eines lebenden Organismus haben auch Eigenschaften, die Proteine ​​nicht haben. Dies sind sehr wichtige Eigenschaften. Dank ihnen verwandeln sich mechanische Einflüsse in ihnen in Elektrizität. Diese Eigenschaft der Materie wird in der Physik als piezoelektrisch bezeichnet. In den Nukleinsäuren eines lebenden Organismus führt thermische Einwirkung auch zur Bildung von Elektrizität (Thermoelektrizität). Beide Eigenschaften werden durch die Anwesenheit von Wasser bestimmt. Es ist klar, dass diese Eigenschaften mit der Wassermenge variieren. Die Verwendung dieser Eigenschaften bei der Organisation und Funktion eines lebenden Organismus ist offensichtlich. Die Wirkung der Stäbchen der visuellen Netzhaut basiert also auf der Abhängigkeit der Leitfähigkeit von der Beleuchtung. Aber auch die Moleküle lebender Organismen haben eine elektronische Leitfähigkeit, wie Metalle.

Die elektrophysikalischen Eigenschaften von Proteinsystemen und Nukleinmolekülen manifestieren sich nur in der Dynamik, nur in einem lebenden Organismus. Mit dem Eintritt des Todes verschwindet die elektrophysikalische Aktivität sehr schnell. Dies liegt daran, dass die Bewegung der Ladungsträger gestoppt wurde.

Aus einem Vergleich der elektrischen Eigenschaften von Proteinsystemen und Aminosäuren mit Halbleitern kann man den Eindruck gewinnen, dass die elektrischen Eigenschaften des einen und des anderen gleich sind. Dies ist nicht ganz richtig. Obwohl es in den Proteinsystemen eines lebenden Organismus sowohl Elektronen- als auch Loch- und Ionenleitfähigkeit gibt, sind sie auf komplexere Weise miteinander verbunden als in anorganischen und organischen Halbleitern. Dort werden diese Leitfähigkeiten einfach aufsummiert und man erhält die gesamte, endgültige Leitfähigkeit. Bei lebenden Organismen ist eine solche arithmetische Addition von Leitfähigkeiten nicht akzeptabel. Hier 1 + 1 # 2. Daran ist nichts Seltsames. Dies deutet darauf hin, dass diese Leitfähigkeiten nicht unabhängig voneinander sind. Ihre gegenseitigen Veränderungen werden von Prozessen begleitet, die die Gesamtleitfähigkeit nach einem komplexeren Gesetz verändern. Wenn man also von der elektronischen (oder anderen) Leitfähigkeit von Proteinsystemen spricht, wird das Wort „spezifisch“ hinzugefügt. Die Prozesse, die die elektrophysikalischen Eigenschaften von Lebewesen bestimmen, sind sehr komplex. Gleichzeitig mit der Bewegung elektrischer Ladungen, die die elektrische Leitfähigkeit bestimmt, wirken auch elektromagnetische Felder aufeinander ein. Elementarteilchen haben magnetische Momente, das heißt, sie sind Magnete. Da diese Magnete miteinander wechselwirken, stellt sich durch diese Einwirkung eine bestimmte Orientierung dieser Partikel ein. Kontinuierlich ändern Moleküle und Atome ihren Zustand – sie vollziehen kontinuierliche und abrupte (diskrete) Übergänge von einem elektrischen Zustand in einen anderen. Sie erhalten zusätzliche Energie und sind aufgeregt. Diese Übergänge beeinflussen die Mobilität von Ladungsträgern in einem lebenden Organismus. Somit verändert die Wirkung elektromagnetischer Felder die Bewegung geladener Teilchen. Mit Hilfe dieser Ladungsträger werden Informationen im zentralen Nervensystem (ZNS) übermittelt. Die Signale im Zentralnervensystem, die den Betrieb des gesamten Organismus sicherstellen, sind elektrische Impulse. Aber sie breiten sich viel langsamer aus als in technischen Systemen. Dies liegt an der Komplexität des Prozesses. Der Organismus antwortet mit einer Aktion auf einen bestimmten äußeren Einfluss erst, nachdem er Informationen über diesen Einfluss erhalten hat. Die Reaktion des Körpers ist sehr langsam, weil sich Signale über äußere Einflüsse nur langsam ausbreiten. Somit hängt die Geschwindigkeit der Schutzreaktionen eines lebenden Organismus von den elektrophysikalischen Eigenschaften lebender Materie ab. Wirken von außen elektrische und elektromagnetische Felder ein, verlangsamt sich diese Reaktion noch mehr. Dies wurde sowohl in Laborexperimenten als auch bei der Untersuchung des Einflusses elektromagnetischer Felder während Magnetstürmen auf lebende Systeme festgestellt. Übrigens, wenn die Reaktion eines lebenden Organismus auf äußere Einflüsse um ein Vielfaches schneller wäre, könnte sich ein Mensch vor vielen Einflüssen schützen, an denen er jetzt stirbt.

Noch heute kennt der Mensch nicht alle Eigenschaften der komplexen elektrischen Leitfähigkeit lebender Materie. Aber es ist klar, dass jene grundlegend anderen Eigenschaften, die nur Lebewesen innewohnen, von ihnen abhängen.

Um die Essenz elektrischer Phänomene in einem lebenden Organismus aufzudecken, ist es notwendig, die Bedeutung des Potenzials eines biologischen Systems, des Biopotenzials, zu verstehen.

Potenzial ist eine Energiemöglichkeit. Um ein Elektron von einem Wasserstoffatom abzureißen, müssen die Kräfte, die es im Atom halten, überwunden werden, d.h. für diese Arbeit wird Energie benötigt. Die Energie von Elementarteilchen wird in Elektronenvolt gemessen. Die Energie, die aufgewendet wird, um ein Elektron vom Kern eines Atoms abzulösen, wird als Ionisationspotential bezeichnet. Für Wasserstoff beträgt sie 13 eV. Für Atome verschiedener Elemente hat es seine eigene Bedeutung.

In lebenden Substanzen beträgt die Bindungsenergie in Molekülen 0,01-1 eV. In unbelebten Molekülen 30-50 eV. Aufgrund der geringen Mindestwerte der Elektronenenergie ist es sehr schwierig, das Ionisationspotential in biologischen Molekülen zu messen. Daher ist es besser, sie nicht durch absolute Werte (Elektronenvolt), sondern durch relative zu charakterisieren. Das Ionisationspotential von Wasser kann als Einheit genommen werden (wir sprechen von Wasser, das in biologischen Systemen enthalten ist). Die Ionisationspotentiale aller anderen biologischen Verbindungen können nun bestimmt werden. Hier gibt es eine weitere Feinheit. Das Wasserstoffatom hat nur ein Valenzelektron. Daher ist sein Ionisationspotential gleich Eins. Wenn ein Atom und ein Molekül komplexer sind, dann haben ihre Elektronen unterschiedliche Energiemöglichkeiten zur Loslösung. In solchen Fällen wird das Ionisationspotential den Valenzelektronen zugeordnet, also den Elektronen mit der niedrigsten Bindungsenergie.

In biologischen Systemen gibt es aufgrund einer bestimmten Verteilung elektrischer Ladungen elektrische Felder, daher ist aufgrund der Coulomb-Kräfte eine Anziehung und Abstoßung elektrischer Ladungen möglich. Die Energiecharakteristik des elektrischen Feldes ist die Potentialdifferenz (Δj). Die Potentialdifferenz in biologischen Systemen (Biopotentiale) ist sehr klein bis 10 -6 eV. Der Wert von Biopotentialen ist ein eindeutiger Indikator für den Zustand eines Biosystems oder seiner Teile. Es ändert sich, wenn sich der Körper in einem pathologischen Zustand befindet. In diesem Fall ändern sich die Reaktionen eines lebenden Organismus auf Umweltfaktoren. Die elektrophysikalischen Eigenschaften biologischer Verbindungen bestimmen auch die Reaktionsgeschwindigkeit eines lebenden Organismus, sowohl eines einzelnen Ganzen als auch seiner einzelnen Analysatoren, auf die Einwirkung äußerer Faktoren. Von diesen Eigenschaften hängt auch die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung im Körper ab. Sie wird anhand der Größe der elektrischen Aktivität geschätzt.

Bioenergiephänomene auf der Ebene der Elementarteilchen sind die Grundlage der Hauptfunktionen eines lebenden Organismus, ohne diese Funktionen ist das Leben unmöglich. Energieprozesse in Zellen (Energieumwandlung und die komplexesten biochemischen Stoffwechselprozesse) sind nur durch die Beteiligung von Elektronen an ihnen möglich.

Biopotentiale sind eng mit der elektrischen Aktivität eines bestimmten Organs verbunden. Somit ist die elektrische Aktivität des Gehirns durch die spektrale Dichte von Biopotentialen und Spannungsimpulsen verschiedener Frequenzen gekennzeichnet. Es wurde festgestellt, dass die folgenden Biorhythmen des Gehirns (in Hz) für eine Person charakteristisch sind: Delta-Rhythmus - 0,5-3 Hz; Theta-Rhythmus - 4-7 Hz; Alpha-Rhythmus - 8-13 Hz; Beta-Rhythmus - 14-35 Hz; Gamma-Rhythmus - 36-55 Hz.

Es gibt, wenn auch unregelmäßig, einige Rhythmen mit größerer Frequenz. Die Amplitude der elektrischen Impulse des menschlichen Gehirns erreicht einen signifikanten Wert - bis zu 500 μV.

Wer sich mit Elektronik auskennt, weiß, dass es bei der Übertragung und Verarbeitung von Informationen nicht nur auf die Impulsfolgefrequenz und deren Amplitude ankommt, sondern auch auf die Form der Impulse.

Wie entstehen diese Impulse? Ihre Eigenschaften weisen darauf hin, dass sie nicht durch Änderungen der Ionenleitfähigkeit erzeugt werden können. In diesem Fall entwickeln sich die Prozesse langsamer, dh sie sind träger. Diese Impulse können nur durch die Bewegung von Elektronen gebildet werden, deren Masse viel kleiner ist als die Masse von Ionen.

Die Rolle der Form elektrischer Impulse kann am Beispiel der Wirksamkeit der Herzdefibrillation verstanden werden. Es stellte sich heraus, dass die Effizienz der Wiederherstellung der Herzarbeit von der Impulsform der angelegten elektrischen Spannung abhängt. Auch seine spektrale Dichte ist wichtig. Nur mit einer bestimmten Form von Impulsen wird die normale Bewegung von Ladungsträgern in einem lebenden Organismus wiederhergestellt, dh die normale elektrische Leitfähigkeit wird wiederhergestellt, bei der das normale Funktionieren des Organismus möglich ist.

Bei dieser Methode werden Elektroden im Brustbereich am menschlichen Körper angebracht. Elektrische Impulse wirken dabei aber nicht nur direkt auf den Herzmuskel, sondern auch auf das zentrale Nervensystem. Offensichtlich ist der zweite Weg der effektivste, da die Möglichkeiten des zentralen Nervensystems, alle Organe zu beeinflussen, am größten sind. Befehle an alle Organe kommen am schnellsten durch das Zentralnervensystem, da seine elektrische Leitfähigkeit viel höher ist als die elektrische Leitfähigkeit von Muskelgewebe und des Kreislaufsystems. Die Rückkehr eines Organismus zum Leben erfolgt also, wenn es möglich ist, die elektrophysikalischen Eigenschaften lebender Materie oder vielmehr die spezifischen Bewegungen elektrischer Ladungen mit den Eigenschaften, die lebenden Systemen innewohnen, wiederherzustellen.

Es sind die elektrophysikalischen Eigenschaften eines lebenden Organismus, die für das Leben und Funktionieren eines lebenden Organismus von entscheidender Bedeutung sind. Dies wird durch solche Tatsachen belegt.

Es wurde festgestellt, dass sich der Widerstand des menschlichen Körpers gegen elektrischen Strom dramatisch ändert, wenn irritierende Faktoren plötzlich auf eine Person einwirken. Grundsätzlich ist wichtig, dass unerwartete äußere Einflüsse anderer physikalischer Natur sein können. Es kann ein helles Licht und eine Berührung eines heißen Objekts und eine Nachricht an eine Person mit unerwarteten, wichtigen Informationen für sie sein. Das Ergebnis ist in allen Fällen das gleiche - die elektrische Leitfähigkeit des menschlichen Körpers steigt. Diese Veränderung hängt auch von der Stärke des externen Faktors ab. In allen Fällen erfolgt der Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit jedoch sehr schnell und die Erholung auf normale Werte ist viel langsamer. Eine schnelle Änderung der elektrischen Leitfähigkeit kann nur durch Elektronik auftreten.

Nehmen wir die Auswirkung eines externen Faktors (elektrischer Strom) auf eine Person. Die Folgen dieses Aufpralls hängen nicht nur von seinem Ausmaß ab, sondern auch vom Zustand des menschlichen Nervensystems zu diesem Zeitpunkt. Der Tod unter dem Einfluss eines äußeren Faktors tritt ein, wenn die elektrische Leitfähigkeit des zentralen Nervensystems gestört ist. Wenn unter dem Einfluss äußerer Faktoren die Bewegung von Ladungsträgern in den Gehirnzellen gestört ist, kommt es zu einer vollständigen oder teilweisen Unterbrechung der Sauerstoffversorgung der Zellen.

Diese Frage ist natürlich sehr schwierig. Es wurde bereits festgestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit verschiedener lebender Organismen und verschiedener Systeme in einem lebenden Organismus unterschiedlich ist. Organe, die am schnellsten auf äußere Reize reagieren sollten, haben die geringste Trägheitsleitung - elektronisch und Elektron-Loch.

Betrachten Sie nun das Energiesystem des Körpers.

Es gibt Meinungen verschiedener Wissenschaftler, dass Energie in den Körper eindringt, die sein Funktionieren als Ganzes sowie aller seiner Bestandteile sicherstellt. Energieladungen können sowohl positive als auch negative Vorzeichen haben. In einem gesunden Organismus herrscht ein Gleichgewicht von positiven und negativen Energieelementen. Dies bedeutet ein Gleichgewicht zwischen den Prozessen der Erregung und Hemmung. Wenn das Gleichgewicht zwischen den Strömen positiver und negativer Energie gestört ist, gerät der Körper in einen Krankheitszustand, da das Gleichgewicht des Erregungs- und Hemmungsprozesses gestört ist.

Datum: 2010-03-28

Keine Bewegung kann ohne Kraftaufwand ausgeführt werden. Die einzige universelle und direkte Energiequelle für die Muskelkontraktion ist Adenosintriphosphat -ATP; Ohne sie sind die Querbrücken energielos und die Aktinfilamente können nicht entlang der Myosinfilamente gleiten, die Kontraktion der Muskelfaser findet nicht statt. ATP ist eine energiereiche (makroerge) Phosphatverbindung, deren Abbau (Hydrolyse) von wodurch etwa 10 kcal / kg freie Energie freigesetzt werden.Wenn der Muskel aktiviert wird, kommt es zu einer erhöhten Hydrolyse von ATP, sodass die Intensität des Energiestoffwechsels im Vergleich zum Ruhezustand um das 100-1000-fache ansteigt Muskeln sind relativ vernachlässigbar und können nur für 2-3 Sekunden intensiver Arbeit ausreichen. Damit die Muskeln unter realen Bedingungen ihre Kontraktilität für lange Zeit aufrechterhalten können, muss es eine konstante Erholung (Resynthese) von ATP geben als Energiequelle verwendet werden. Kohlenhydrate, Fette und Proteine ​​werden als Energiequellen verwendet. Beim vollständigen oder teilweisen Abbau dieser Stoffe wird ein Teil der angesammelten Energie in ihren chemischen Bindungen freigesetzt. Diese freigesetzte Energie I und sorgt für die ATP-Resynthese (vgl. Tisch).

Energiereserven einer Person (bei einem Körpergewicht von 75 kg)

Die Bioenergiefähigkeiten des Körpers sind der wichtigste Faktor, der seine körperliche Leistungsfähigkeit begrenzt. Die Energiebildung zur Sicherstellung der Muskelarbeit kann über anaerobe (sauerstofffreie) und aerobe (oxidative) Wege erfolgen. Abhängig von den biochemischen Eigenschaften der dabei ablaufenden Prozesse ist es üblich, drei verallgemeinerte Energiesysteme zu unterscheiden, die die körperliche Leistungsfähigkeit eines Menschen sicherstellen:

ataktisch anaerob, oder phosphagen, verbunden mit den Prozessen der ATP-Resynthese, hauptsächlich aufgrund der Energie einer anderen hochenergetischen Phosphatverbindung - Kreatinphosphat (CrF);

glykolytisch (Milchsäure) anaerob, Bereitstellen einer Resynthese von ATP und CRF aufgrund der Reaktionen des anaeroben Abbaus von Glykogen oder Glucose zu Milchsäure (LA);

aerob(oxidativ), verbunden mit der Fähigkeit, Arbeit aufgrund der Oxidation von Energiesubstraten zu verrichten, die als Kohlenhydrate, Fette und Proteine ​​verwendet werden können, während die Zufuhr und Nutzung von Sauerstoff in den arbeitenden Muskeln erhöht wird.

Jede der aufgeführten Bioenergiekomponenten der körperlichen Leistungsfähigkeit wird durch Kriterien charakterisiert Leistung, Kapazität und Effizienz(siehe Abb. 1).

Reis. 1. Dynamik der Geschwindigkeit energieliefernder Prozesse in arbeitenden Muskeln in Abhängigkeit von der Dauer der Übung (nach N. I. Volkovov, 1986)

Leistungskriterium schätzt die maximale Energiemenge pro Zeiteinheit, die von jedem der Stoffwechselsysteme bereitgestellt werden kann.

Kapazitätskriterium bewertet die Gesamtreserven an Energiesubstanzen, die dem Körper zur Verfügung stehen, oder die Gesamtmenge der Arbeit, die aufgrund dieser Komponente geleistet wird.

Effizienzkriterium zeigt, wie viel äußere (mechanische) Arbeit für jede aufgewendete Energieeinheit verrichtet werden kann.

Das phosphagene System ist die am schnellsten mobilisierte Energiequelle. Die Resynthese von ATP aufgrund von Kreatinphosphat während der Muskelarbeit erfolgt fast sofort. Wenn die Phosphatgruppe von CRF abgespalten wird, wird eine große Menge an Energie freigesetzt, die direkt zur Wiederherstellung von ATP verwendet wird. Daher ist CRF die allererste Muskelenergiereserve, die als unmittelbare Quelle für die ATP-Regeneration verwendet wird. ATP und CrF fungieren als ein einziges Energieversorgungssystem für die Muskelaktivität. Dieses System hat im Vergleich zu den glykolytischen und aeroben Systemen die größte Kraft und spielt die Hauptrolle bei der Sicherstellung kurzfristiger Arbeit mit maximaler Kraft, die mit maximalen Muskelkontraktionen in Bezug auf Kraft und Geschwindigkeit ausgeführt wird: bei kurzfristigen Anstrengungen eines „explosiver“ Charakter, Schübe, Zuckungen, wie z. B. Sprinten, Springen, Werfen oder Schlagen und Treten im Nahkampf usw. Die größte Kraft des alaktisch-anaeroben Prozesses wird in Übungen von 5-6 Dauer erreicht Sekunden und erreicht bei hochtrainierten Sportlern ein Niveau von 3700 kJ / kg pro Minute. Die Kapazität dieses Systems ist jedoch aufgrund der begrenzten Reserven an ATP und CrF in den Muskeln gering. Gleichzeitig hängt die Retentionszeit der maximalen anaeroben Leistung nicht so sehr von der Kapazität des phosphagenen Systems ab, sondern von dem Teil davon, der bei maximaler Leistung mobilisiert werden kann. Die verbrauchte CRF-Menge während maximaler Kraftübungen beträgt nur etwa ein Drittel seiner gesamten intramuskulären Reserven. Daher überschreitet die Dauer der maximalen Leistung selbst bei hochqualifizierten Athleten normalerweise 15-20 Sekunden nicht.

Anaerobe Glykolyse beginnt praktisch von Beginn der Arbeit an, erreicht aber seine maximale Leistung erst nach 15-20 Sekunden Arbeit mit maximaler Intensität, und diese Leistung kann nicht länger als 2,5 - 3,0 Minuten aufrechterhalten werden.

Glykolytisch anaerob Das System zeichnet sich durch eine ausreichend hohe Leistung aus und erreicht bei gut ausgebildeten Personen ein Niveau von etwa 2500 kJ / kg pro Minute. Die Energiesubstrate sind Kohlenhydrate - Glykogen und Glukose. Das in Muskelzellen und Leber gespeicherte Glykogen ist eine Kette von Glukosemolekülen (Glukoseeinheiten). Beim Abbau von Glykogen werden seine Glukoseeinheiten sequentiell abgespalten. Jede Glukoseeinheit aus Glykogen stellt 3 ATP-Moleküle und ein Glukosemolekül wieder her - nur 2 ATP-Moleküle. Aus jedem Molekül Glukose werden 2 Moleküle Milchsäure (LA) gebildet. Daher wird bei hoher Leistung und Dauer der glykolytischen anaeroben Arbeit eine erhebliche Menge an UA in den Muskeln gebildet. UA reichert sich in arbeitenden Muskelzellen an, diffundiert leicht ins Blut und wird bis zu einem gewissen Konzentrationsgrad durch Blutpuffersysteme gebunden, um das innere Milieu des Körpers zu erhalten (Homöostase). Wenn die Menge an UA, die bei der Durchführung der Arbeit einer glykolytisch-anaeroben Orientierung gebildet wird, die Fähigkeiten der Blutpuffersysteme übersteigt, führt dies zu ihrer schnellen Erschöpfung und bewirkt eine Verschiebung des Säure-Basen-Gleichgewichts des Blutes auf die saure Seite . Letztlich bewirkt dies die Hemmung von Schlüsselenzymen der anaeroben Glykolyse bis hin zur vollständigen Hemmung ihrer Aktivität. Gleichzeitig nimmt auch die Geschwindigkeit der Glykolyse selbst ab. Eine signifikante Versauerung führt auch zu einer Abnahme der Geschwindigkeit des alaktisch-anaeroben Prozesses und einer allgemeinen Abnahme der Arbeitsleistung.

Die Dauer der Arbeit in einem glykolytischen anaeroben Regime wird hauptsächlich nicht durch die Menge (Kapazität) seiner Energiesubstrate begrenzt, sondern durch die Höhe der UA-Konzentration und den Grad der Anpassung des Gewebes an Säureverschiebungen in Muskeln und Blut. Während der Muskelarbeit, die hauptsächlich durch anaerobe Glykolyse geleistet wird, kommt es zu keinem starken Abbau von Muskelglykogen und Glukose im Blut und in der Leber. Während des körperlichen Trainings kann es aus anderen Gründen zu einer Hypoglykämie (einer Abnahme der Glukosekonzentration im Blut) kommen.Bei einer hohen Manifestation der glykolytischen anaeroben Kapazität (besondere Ausdauer) ändert sich der Grad der Gewebeanpassung an die daraus resultierenden Verschiebungen im Säure-Basen-Haushalt ist wichtig. Hier wird besonders der Faktor der mentalen Stabilität hervorgehoben, der es ermöglicht, bei intensiver Muskelaktivität durch Willensanstrengung die mit der Entstehung von Ermüdung auftretenden schmerzhaften Empfindungen in den arbeitenden Muskeln zu überwinden und trotz des zunehmenden Wunsches, aufzuhören, weiter zu arbeiten es.

Beim Übergang vom Ruhezustand zur Muskelaktivität steigt der Sauerstoffbedarf (seine Anforderung) um ein Vielfaches. Es dauert jedoch mindestens 1-2 Minuten, bis die Aktivität des Herz-Kreislauf-Systems ansteigt und den arbeitenden Muskeln sauerstoffreiches Blut zugeführt werden kann. Der Sauerstoffverbrauch der arbeitenden Muskeln nimmt allmählich zu, wenn sich die Aktivität der vegetativen Unterstützungssysteme intensiviert. Mit einer Verlängerung der Übungsdauer auf 5-6 Minuten steigt die Rate der aeroben Energieerzeugungsprozesse schnell an, und mit einer Verlängerung der Arbeitsdauer um mehr als 10 Minuten erfolgt die Energieversorgung fast ausschließlich durch aerobe Prozesse. Die Leistung des aeroben Energieversorgungssystems ist jedoch etwa 3-mal niedriger als die Leistung des Phosphats und 2-mal - die Leistung des anaeroben glykolytischen Systems (siehe Tabelle).

Die wichtigsten bioenergetischen Merkmale von Stoffwechselprozessen - Energiequellen während der Muskelaktivität

Gleichzeitig zeichnet sich der aerobe Mechanismus der ATP-Resynthese durch höchste Produktivität und Effizienz aus. Unter alltäglichen Lebensbedingungen macht es manchmal mehr als 90 % der gesamten Energieproduktion des Körpers aus. In diesem Fall werden alle Hauptnährstoffe als Substrate für die Oxidation verwendet: Kohlenhydrate, Fette in Form von Aminosäuren. Der Beitrag von Proteinen zum Gesamtvolumen der aeroben Energieerzeugung ist sehr gering. Aber Kohlenhydrate und Fette werden als Substrate für die aerobe Oxidation verwendet, solange sie den Muskeln zur Verfügung stehen.

Der aerobe Abbau von Kohlenhydraten bis zu einem bestimmten Stadium (vor der Bildung von Brenztraubensäure) erfolgt auf die gleiche Weise wie bei der anaeroben Glykolyse. Aber unter aeroben Bedingungen verwandelt sich Brenztraubensäure nicht in Milchsäure, sondern wird weiter zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, die leicht aus dem Körper ausgeschieden werden. Gleichzeitig werden aus einer Glukoseeinheit Glykogen letztlich 39 ATP-Moleküle gebildet. Daher ist die aerobe Glykogenoxidation effizienter als die anaerobe. Noch mehr Energie wird bei der Oxidation von Fetten freigesetzt. Im Durchschnitt liefert 1 Mol einer Mischung verschiedener körperspezifischer Fettsäuren die Resynthese von 138 Mol ATP. Letztere liefern bei gleichem Gewichtsverbrauch an Glykogen und Fettsäuren fast dreimal mehr Energie als Kohlenhydrate. Fette haben daher die höchste Energieintensität aller bioenergetischen Substrate (siehe Tabelle)

Allgemeine Eigenschaften des aeroben Energieversorgungssystems

Das aerobe Energieversorgungssystem ist dem Laktat- und Laktatsystem in Bezug auf die Kraft der Energieerzeugung und die Einschlussrate in die Bereitstellung von Muskelaktivität deutlich unterlegen, aber es ist in Bezug auf Kapazität und Wirtschaftlichkeit um ein Vielfaches überlegen (Tabelle 1).

Tabellennummer 1. Energieversorgung der Muskelarbeit

Ein Merkmal des aeroben Systems ist, dass die Bildung von ATP in Zellorganellen-Mitochondrien, die sich im Muskelgewebe befinden, unter Beteiligung von Sauerstoff erfolgt, der vom Sauerstofftransportsystem geliefert wird. Dies bestimmt die hohe Effizienz des aeroben Systems und ziemlich große Glykogenreserven in Muskelgewebe und Leber sowie praktisch unbegrenzte Lipidreserven - seine Kapazität.

In der einfachsten Form wird die Aktivität des aeroben Energieversorgungssystems wie folgt ausgeführt. In einem ersten Schritt werden durch komplexe Prozesse sowohl Glykogen als auch freie Fettsäuren (FFA) in Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt, die aktive Form der Essigsäure, die den Ablauf aller nachfolgenden Energiegewinnungsprozesse sicherstellt nach einem einzigen Schema. Vor der Bildung von Acetyl-CoA findet jedoch die Oxidation von Glykogen und FFA unabhängig voneinander statt.

Alle zahlreichen chemischen Reaktionen, die im Prozess der aeroben ATP-Resynthese auftreten, können in drei Typen unterteilt werden: 1 - aerobe Glykolyse; 2 - Krebszyklus, 3 - Elektronentransportsystem (Fig. 7).

Reis. 7. Stadien der ATP-Resynthesereaktionen im aeroben Prozess

Die erste Stufe der Reaktionen ist die aerobe Glykolyse, die zum Abbau von Glykogen unter Bildung von CO2 und H2O führt. Der Ablauf der aeroben Glykolyse erfolgt nach dem gleichen Schema wie der oben diskutierte Ablauf der anaeroben Glykolyse. In beiden Fällen wird Glykogen durch chemische Reaktionen in Glukose und Glukose durch ATP-Resynthese in Brenztraubensäure umgewandelt. Sauerstoff nimmt an diesen Reaktionen nicht teil. Das Vorhandensein von Sauerstoff wird später festgestellt, wenn Brenztraubensäure mit ihrer Beteiligung nicht in Milchsäure in Milchsäure und dann in Laktat umgewandelt wird, was im Prozess der anaeroben Glykolyse stattfindet, sondern am Ende in das aerobe System geleitet wird deren Produkte Kohlendioxid (CO2), das vom Körper über die Lunge ausgeschieden wird, und Wasser (Abb. 8)

Reis. 8. Schematischer Ablauf der anaeroben und aeroben Glykolyse

Die Spaltung von 1 Mol Glykogen in 2 Mol Brenztraubensäure erfolgt unter Freisetzung von Energie, die für die Resynthese von 3 Mol ATP ausreicht: Energie + 3ADP + Fn → 3ATP

Aus der durch den Abbau von Glykogen gebildeten Brenztraubensäure wird sofort CO2 entfernt, wodurch es von einer Drei-Kohlenstoff-Verbindung in eine Zwei-Kohlenstoff-Verbindung umgewandelt wird, die zusammen mit Coenzym A Acetyl-CoA bildet, das darin enthalten ist die zweite Stufe der aeroben ATP-Bildung - der Zitronensäurezyklus oder der Krebszyklus.

Im Krebszyklus findet eine Reihe komplexer chemischer Reaktionen statt, durch die Brenztraubensäure oxidiert wird - die Entfernung von Wasserstoffionen (H +) und Elektronen (e-), die schließlich in das Sauerstofftransportsystem gelangen und an ATP teilnehmen Resynthesereaktionen in der dritten Stufe unter Bildung von CO2, das ins Blut diffundiert und zur Lunge transportiert wird, von wo es aus dem Körper ausgeschieden wird. Im Krebszyklus selbst werden nur 2 Mol ATP gebildet (Abb. 9).

Reis. 9. Schematische Darstellung der Kohlenstoffoxidation im Krebszyklus

Die dritte Stufe findet in der Elektronentransportkette (Atmungskette) statt. Die Reaktionen, die unter Beteiligung von Coenzymen auftreten, werden im Allgemeinen auf die folgenden reduziert. Wasserstoffionen und Elektronen, die aus Reaktionen im Krebszyklus und in geringerem Maße aus der Glykolyse freigesetzt werden, werden zu Sauerstoff transportiert, um als Ergebnis Wasser zu bilden. Gleichzeitig freigesetzte Energie in einer Reihe gekoppelter Reaktionen wird für die ATP-Resynthese genutzt. Der gesamte Prozess, der entlang der Kette der Elektronenübertragung auf Sauerstoff abläuft, wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. Bei den in der Atmungskette ablaufenden Prozessen werden etwa 90 % des den Zellen zugeführten Sauerstoffs verbraucht und die größte Menge an ATP gebildet. Insgesamt sorgt das oxidative Elektronentransportsystem für die Bildung von 34 ATP-Molekülen aus einem Glykogenmolekül.

Die Verdauung und Aufnahme von Kohlenhydraten in den Blutkreislauf erfolgt im Dünndarm. In der Leber werden sie in Glukose umgewandelt, die wiederum in Glykogen umgewandelt und in den Muskeln und der Leber abgelagert werden kann und auch von verschiedenen Organen und Geweben als Energiequelle zur Aufrechterhaltung der Aktivität verwendet wird. Der Körper eines gesunden Mannes mit ausreichender körperlicher Fitness und einem Körpergewicht von 75 kg enthält 500-550 g Kohlenhydrate in Form von Muskelglykogen (ca. 80%), Leberglykogen (ca. 16-17%), Blut Glukose (3-4%), was Energiereserven in der Größenordnung von 2000 - 2200 kcal entspricht.

Leberglykogen (90 - 100 g) wird verwendet, um den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten, der für die Gewährleistung der normalen Funktion verschiedener Gewebe und Organe erforderlich ist. Bei längerer aerober Arbeit, die zu einer Erschöpfung der Muskelglykogenspeicher führt, kann ein Teil des Leberglykogens von den Muskeln verwendet werden.

Es sollte bedacht werden, dass die Muskel- und Leberglykogenspeicher unter dem Einfluss von Training und Ernährungsmanipulationen mit Kohlenhydratabbau und anschließender Kohlenhydratsättigung erheblich ansteigen können. Unter dem Einfluss von Training und spezieller Ernährung kann die Glykogenkonzentration in der Leber um das Zweifache ansteigen. Eine Erhöhung der Menge an Glykogen erhöht seine Verfügbarkeit und Verwertungsrate während der anschließenden Muskelarbeit.

Bei längerer körperlicher Aktivität mittlerer Intensität steigt die Bildung von Glukose in der Leber um das 2-3-fache im Vergleich zu ihrer Bildung in Ruhe. Anstrengendes Arbeiten über einen längeren Zeitraum kann zu einer 7- bis 10-fachen Steigerung der Glukoseproduktion in der Leber im Vergleich zu Daten führen, die in Ruhe erhalten wurden.

Die Effizienz des Prozesses der Energiebereitstellung aufgrund von Fettreserven wird durch die Lipolyserate und die Durchblutungsrate im Fettgewebe bestimmt, was eine intensive Zufuhr von freien Fettsäuren (FFA) zu den Muskelzellen gewährleistet. Wird die Arbeit mit einer Intensität von 50 - 60 % VO2 max durchgeführt, kommt es zu einer maximalen Durchblutung des Fettgewebes, was zur maximalen Aufnahme von FFA ins Blut beiträgt. Eine intensivere Muskelarbeit ist mit einer Intensivierung der Muskeldurchblutung bei gleichzeitiger Abnahme der Blutversorgung des Fettgewebes und folglich mit einer Verschlechterung der FFA-Versorgung des Muskelgewebes verbunden.

Die Lipolyse entfaltet sich zwar im Laufe der Muskeltätigkeit, jedoch bereits in der 30.-40. Minute durchschnittlicher Belastung, ihre Energieversorgung erfolgt gleichermaßen durch die Oxidation von Kohlenhydraten und Lipiden. Die weitere Fortsetzung der Arbeit, die zur allmählichen Erschöpfung der begrenzten Kohlenhydratressourcen führt, ist mit einer Zunahme der Oxidation von FFA verbunden; So wird beispielsweise die Energieversorgung der zweiten Hälfte einer Marathondistanz beim Laufen oder Straßenradfahren (mehr als 100 km) hauptsächlich mit dem Einsatz von Fetten in Verbindung gebracht.

Trotz der Tatsache, dass die Nutzung von Energie aus der Lipidoxidation nur bei längerer Muskelaktivität von wirklicher Bedeutung für die Gewährleistung der Ausdauer ist, kommt es ab den allerersten Minuten der Arbeit mit einer Intensität von über 60 % VO2max zu einer Freisetzung von FFA aus Triacylglyceriden, deren Eintritt und Oxidation in kontrahierenden Muskeln. Nach 30-40 Minuten nach Arbeitsbeginn erhöht sich die FFA-Verbrauchsrate um das 3-fache und nach 3-4 Stunden Arbeit um das 5-6-fache.

Die intramuskuläre Verwertung von Triglyceriden steigt unter dem Einfluss von aerobem Training signifikant an. Diese Anpassungsreaktion manifestiert sich sowohl in der Geschwindigkeit des Energieerzeugungsprozesses aufgrund der Oxidation von FFAs, die aus Muskeltriceriden erhalten werden, als auch in einer Erhöhung ihrer Nutzung aus Muskelgewebe.

Ein ebenso wichtiger adaptiver Effekt des trainierten Muskelgewebes ist die Steigerung seiner Fähigkeit, Fettreserven zu nutzen. Nach einem 12-wöchigen Aerobic-Training stieg die Fähigkeit, Triglyceride in arbeitenden Muskeln zu verwerten, stark an und erreichte 40 %.

Die Rolle von Proteinen für die ATP-Resynthese ist nicht wesentlich. Das Kohlenstoffskelett vieler Aminosäuren kann jedoch als Energiebrennstoff im Prozess des oxidativen Stoffwechsels verwendet werden, der sich bei längerer Belastung mit mittlerer Intensität manifestiert, bei der der Beitrag des Proteinstoffwechsels zur Energieerzeugung 5–6% erreichen kann der Gesamtenergiebedarf.

Aufgrund der erheblichen Glukose- und Fettreserven im Körper und der unbegrenzten Möglichkeit, Sauerstoff aus der atmosphärischen Luft zu verbrauchen, können aerobe Prozesse, die weniger Leistung haben als anaerobe, lange Zeit Arbeit leisten (d. H. Ihre Kapazität ist sehr groß mit sehr hoher Wirkungsgrad). Studien zeigen, dass beispielsweise beim Marathonlauf durch die Verwendung von Muskelglykogen die Muskelarbeit 80 Minuten andauert. Aus Leberglykogen kann eine gewisse Energiemenge mobilisiert werden. Insgesamt können so 75 % der Zeit zur Überwindung der Marathondistanz bereitgestellt werden. Der Rest der Energie stammt aus der Oxidation von Fettsäuren. Ihre Diffusionsrate aus dem Blut in die Muskeln ist jedoch begrenzt, was die Energiegewinnung aus diesen Säuren einschränkt. Die durch die FFA-Oxidation erzeugte Energie reicht aus, um die Intensität der Muskelarbeit auf einem Niveau von 40–50 % VO2max zu halten, während die WTO als stärkster Marathonläufer in der Lage ist, die Distanz mit einer Intensität von über 80–80 % zu überwinden. 90% VO2max, was auf einen hohen Anpassungsgrad des aeroben Energieversorgungssystems hinweist, wodurch nicht nur die optimale Kombination der Verwendung von Kohlenhydraten, Fetten, einzelnen Aminosäuren und Metaboliten zur Energiegewinnung sichergestellt werden kann, sondern auch die sparsame Verwendung von Glykogen.

Somit ist der gesamte Satz von Reaktionen, die eine aerobe Oxidation von Glykogen bereitstellen, wie folgt. In der ersten Stufe wird durch aerobe Glykolyse Brenztraubensäure gebildet und eine bestimmte Menge ATP resynthetisiert. Im zweiten, im Krebs-Zyklus, wird CO2 produziert und Wasserstoffionen (H+) und Elektronen (e-) werden in das Elektronentransportsystem eingeführt, ebenfalls mit der Resynthese einer bestimmten Menge ATP. Und schließlich ist die letzte Stufe mit der Bildung von H2O aus H+, e- und Sauerstoff unter Freisetzung von Energie verbunden, die für die Resynthese der überwältigenden Menge an ATP verwendet wird. Fette und Proteine, die als Brennstoff für die ATP-Resynthese verwendet werden, durchlaufen auch den Krebszyklus und das Elektronentransportsystem (Abbildung 10).

Reis. 10. Schematische Darstellung der Funktionsweise des aeroben Energieversorgungssystems

Laktat Energieversorgungssystem.

Im Energieversorgungssystem Laktat erfolgt die ATP-Resynthese durch den Abbau von Glukose und Glykogen in Abwesenheit von Sauerstoff. Dieser Vorgang wird allgemein als anaerobe Glykolyse bezeichnet. Die anaerobe Glykolyse ist ein viel komplexerer chemischer Prozess im Vergleich zu den Mechanismen des Phosphogenabbaus im ataktischen Energieversorgungssystem. Dabei handelt es sich um eine Reihe komplexer aufeinanderfolgender Reaktionen, in deren Folge Glukose und Glykogen zu Milchsäure abgebaut werden, die in einer Reihe gekoppelter Reaktionen zur ATP-Resynthese verwendet wird (Abb. 2).

Reis. 2. Schematische Darstellung des Prozesses der anaeroben Glykolyse

Beim Abbau von 1 Mol Glucose entstehen 2 Mol ATP und beim Abbau von 1 Mol Glykogen 3 Mol ATP. Gleichzeitig mit der Freisetzung von Energie in den Muskeln und Körperflüssigkeiten wird Brenztraubensäure gebildet, die dann in Milchsäure umgewandelt wird. Milchsäure zersetzt sich schnell zu ihrem Salz, Laktat.

Die Anhäufung von Milchsäure infolge intensiver Aktivität des glykolytischen Mechanismus führt zu einer starken Bildung von Laktat und Wasserstoffionen (H +) in den Muskeln. Infolgedessen sinkt der Muskel-pH-Wert trotz der Wirkung von Puffersystemen allmählich von 7,1 auf 6,9 und sogar auf 6,5 - 6,4. Der intrazelluläre pH-Wert ab einem Wert von 6,9 - 6,8 verlangsamt die Intensität der glykolytischen Reaktion der ATP-Auffüllung, und bei pH 6,5 - 6,4 stoppt der Abbau von Glykogen. Somit ist es die Erhöhung der Milchsäurekonzentration in den Muskeln, die den Abbau von Glykogen bei der anaeroben Glykolyse begrenzt.

Im Gegensatz zum ataktischen Energieversorgungssystem, dessen Leistung bereits in der ersten Betriebssekunde seine maximale Leistung erreicht, entfaltet sich der Prozess der Glykolyseaktivierung viel langsamer und erreicht hohe Werte der Energieproduktion erst in 5–10 Betriebssekunden. Die Kraft des glykolytischen Prozesses ist der Kraft des Kreatin-Phosphokinase-Mechanismus deutlich unterlegen, jedoch ist sie im Vergleich zu den Fähigkeiten des aeroben Oxidationssystems um ein Vielfaches höher. Insbesondere wenn das Niveau der ATP-Energieproduktion aufgrund des Abbaus von CF 9–10 mmol/kg f.w./s (Frischgewebemasse) beträgt, dann kann bei Anschluss an die Glykolyse das produzierte ATP-Volumen auf 14 mmol/kg ansteigen fm t./s. Durch die Verwendung beider Quellen der ATP-Resynthese während einer 3-minütigen intensiven Arbeit ist das menschliche Muskelsystem in der Lage, etwa 370 mmol / kg KG zu produzieren. Gleichzeitig macht die Glykolyse mindestens 80 % der Gesamtproduktion aus. Die maximale Leistung des anaeroben Laktatsystems manifestiert sich bei 20–25 Sekunden Arbeit, und bei 30–60 Sekunden ist der glykolytische Weg der ATP-Resynthese der wichtigste bei der Energieversorgung der Arbeit.

Die Kapazität des laktisch-anaeroben Systems sichert seine überwiegende Beteiligung an der Energieproduktion bei der Verrichtung von Arbeiten bis zu 30–90 s. Bei längerer Arbeit nimmt die Rolle der Glykolyse allmählich ab, bleibt aber auch bei längerer Arbeit - bis zu 5-6 Minuten - signifikant. Die Gesamtmenge an Energie, die durch die Glykolyse gebildet wird, kann auch visuell anhand von Blutlaktatindikatoren nach einer Arbeit abgeschätzt werden, die eine maximale Mobilisierung des Laktatenergieversorgungssystems erfordert. Bei untrainierten Personen beträgt die Grenzkonzentration von Laktat im Blut 11 - 12 mmol / l. Unter dem Einfluss des Trainings steigt die Kapazität des Laktatsystems dramatisch an und die Laktatkonzentration im Blut kann 25 - 30 mmol / l und mehr erreichen.

Die Maximalwerte der Energiebildung und des Laktats im Blut liegen bei Frauen um 30-40% niedriger im Vergleich zu Männern gleicher Sportrichtung. Junge Sportler zeichnen sich im Vergleich zu Erwachsenen durch eine geringe anaerobe Kapazität aus. Die maximale Laktatkonzentration im Blut bei den Grenzlasten der anaeroben Natur überschreitet nicht 10 mmol/kg, was 2-3 mal niedriger ist als bei erwachsenen Sportlern.

Somit können die Anpassungsreaktionen des anaeroben Laktatsystems in verschiedene Richtungen ablaufen. Eine davon ist eine Erhöhung der Mobilität des glykolytischen Prozesses, was sich in einem viel schnelleren Erreichen seiner maximalen Leistung (von 15–20 auf 5–8 s) äußert. Die zweite Reaktion ist mit einer Leistungssteigerung des anaeroben glykolytischen Systems verbunden, wodurch es eine viel größere Energiemenge pro Zeiteinheit erzeugen kann. Die dritte Reaktion reduziert sich auf eine Erhöhung der Kapazität des Systems und natürlich des Gesamtvolumens der erzeugten Energie, wodurch die Arbeitsdauer zunimmt, die hauptsächlich durch die Glykolyse bereitgestellt wird.

Die Maximalwerte von Laktat und pH im arteriellen Blut während Wettkämpfen in einigen Sportarten sind in Abb. 3.

Abb. 3. Die maximalen Laktat- und pH-Werte im arteriellen Blut bei Sportlern, die auf verschiedene Sportarten spezialisiert sind: a - Laufen (400, 800 m); b - Eisschnelllauf (500, 1000 m); c - Rudern (2000 m); d - Schwimmen 100 m; e - Bob; E-Rad (100 km)
(Eindemann & Keul, 1977)

Sie geben ein ziemlich vollständiges Bild der Rolle von anaeroben Laktatenergiequellen für das Erreichen hoher sportlicher Ergebnisse in verschiedenen Sportarten und der Anpassungsreserven des anaeroben Glykolysesystems.

Bei der Wahl der optimalen Belastungsdauer, die eine maximale Laktatkonzentration in den Muskeln gewährleistet, sollte berücksichtigt werden, dass der maximale Laktatgehalt bei extremen Belastungen eingehalten wird, deren Dauer zwischen 1 - 6 Minuten variiert. Die Zunahme der Arbeitsdauer ist mit einer Abnahme der Laktatkonzentration in den Muskeln verbunden.

Um die optimale Methode zur Steigerung der anaeroben Kapazität auszuwählen, ist es wichtig, die Merkmale der Laktatakkumulation während intermittierender Arbeit mit maximaler Intensität zu verfolgen. Beispielsweise führen einminütige Extrembelastungen mit vierminütigen Pausen zu einem dauerhaften Anstieg des Blutlaktats (Abb. 4) bei gleichzeitiger Senkung des Säure-Basen-Haushaltes (Abb. 5).

Reis. 4. Veränderung der Laktatkonzentration im Blut während intermittierender maximaler Belastung (eine Minute Belastung bei 95 % Intensität, getrennt durch 4-minütige Pausen) (Hermansen, Stenswold, 1972)

Reis. 5. Änderungen des Blut-pH-Werts während intermittierender einminütiger Belastungen mit maximaler Intensität (Hollman, Hettinger, 1980)

Ein ähnlicher Effekt wird bei 15 - 20 Sekunden dauernden Übungen mit maximaler Kraft mit Pausen von etwa 3 Minuten beobachtet (Abb. 6).

Reis. 6. Dynamik biochemischer Veränderungen bei Sportlern während der wiederholten Ausführung von Kurzzeitübungen mit maximaler Kraft (N. Volkov et al., 2000)

Alactat-Energieversorgungssystem.

Dieses Energieversorgungssystem ist am wenigsten komplex, es zeichnet sich durch eine hohe Energiefreisetzungsleistung und eine kurze Wirkdauer aus. Die Energiebildung in diesem System erfolgt durch den Abbau energiereicher Phosphatverbindungen - Adenosintriphosphat (ATP) und Kreatinphosphat (CP). Die durch den Abbau von ATP erzeugte Energie wird bereits in der ersten Sekunde vollständig in den Prozess der Energiebereitstellung für die Arbeit einbezogen. Bereits in der zweiten Sekunde wird die Arbeit jedoch durch Kreatinphosphat (CP) verrichtet, das sich in Muskelfasern ablagert und energiereiche Phosphatverbindungen enthält. Der Abbau dieser Verbindungen führt zu einer intensiven Energiefreisetzung. Die Endprodukte des CP-Abbaus sind Kreatin (Cr) und anorganisches Phosphat (Pn). Die Reaktion wird durch das Enzym Kreatinkinase angeregt und sieht schematisch so aus:

Die beim Abbau von CP freigesetzte Energie steht für den Prozess der ATP-Resynthese zur Verfügung, daher folgt auf den schnellen Abbau von ATP während der Muskelkontraktion unmittelbar dessen Resynthese aus ADP und Fn unter Einbeziehung der beim Abbau von CP freigesetzten Energie:

Ein weiterer Mechanismus des ataktischen Energieversorgungssystems ist die sogenannte Myokinase-Reaktion, die bei starker Muskelermüdung aktiviert wird, wenn die Geschwindigkeit der ATP-Spaltung die Geschwindigkeit seiner Resynthese deutlich übersteigt. Die Myokinase-Reaktion wird durch das Enzym Myokinase stimuliert und besteht in der Übertragung einer Phosphatgruppe von einem Molekül auf ein anderes und der Bildung von ATP und Adenosinmonophosphat (AMP):

Adenosinmonophosphat (AMP), ein Nebenprodukt der Myokinase-Reaktion, enthält die letzte Phosphatgruppe und kann im Gegensatz zu ATP und ADP nicht als Energiequelle genutzt werden. Die Myokinase-Reaktion wird unter Bedingungen aktiviert, wenn aufgrund von Ermüdung andere Wege für die ATP-Resynthese ihre Möglichkeiten erschöpft haben.

CF-Vorräte können während der Arbeit nicht aufgefüllt werden. Für seine Resynthese kann nur die durch den Abbau von ATP freigesetzte Energie genutzt werden, was nur in der Erholungsphase nach Arbeitsende möglich ist.

Das Laktatsystem, das sich durch eine sehr hohe Energiefreisetzungsrate auszeichnet, ist gleichzeitig durch eine äußerst begrenzte Kapazität gekennzeichnet. Das Niveau der maximalen ataktisch-anaeroben Leistung hängt von der Menge an Phosphaten (ATP und CP) in den Muskeln und der Rate ihres Verbrauchs ab. Unter dem Einfluss von Sprinttraining kann die ataktisch-anaerobe Leistung deutlich gesteigert werden. Unter dem Einfluss eines speziellen Trainings kann die Leistung des alaktisch-anaeroben Systems um 40-80% gesteigert werden. Zum Beispiel führte ein 8-wöchiges Sprinttraining bei Läufern zu einem Anstieg des Skelettmuskel-ATP und -CP im Ruhezustand um etwa 10 %.

Unter dem Einfluss des Trainings in den Muskeln steigt nicht nur die Menge an ATP und Kf, sondern auch die Fähigkeit des Muskelgewebes, sie zu spalten, nimmt signifikant zu. Eine weitere Anpassungsreaktion, die die Leistung des alaktisch-anaeroben Systems bestimmt, ist die Beschleunigung der Phosphatresynthese aufgrund einer Erhöhung der Aktivität von Enzymen, insbesondere Kreatinphosphokinase und Myokinase.

Unter dem Einfluss des Trainings steigen auch die Indikatoren für die maximale Kapazität des alaktisch-anaeroben Energieversorgungssystems signifikant an. Die Kapazität des alaktisch-anaeroben Systems kann unter dem Einfluss eines gezielten Langzeittrainings um das 2,5-fache gesteigert werden. Dies wird durch die Indikatoren der maximalen ataktischen O2-Schuld bestätigt: Bei Anfängersportlern beträgt sie 21,5 ml/kg, bei Spitzensportlern kann sie 54,5 ml/kg erreichen.

Eine Steigerung der Kapazität des alaktischen Energiesystems zeigt sich auch in der Dauer der Arbeit mit maximaler Intensität. So kann für Nichtsportler die nach 0,5 - 0,7 s nach Arbeitsbeginn erreichte Maximalleistung des alaktisch-anaeroben Prozesses für maximal 7 - 10 s aufrechterhalten werden, dann für Spitzenklasse Athleten, die sich auf Sprintdisziplinen spezialisiert haben, kann es innerhalb von 15 - 20 s erscheinen. Gleichzeitig geht mit einer langen Arbeitsdauer eine deutlich höhere Kraft einher, die auf die hohe Abbau- und Neusyntheserate energiereicher Phosphate zurückzuführen ist.

Die Konzentration von ATP und CF ist bei Männern und Frauen fast gleich – etwa 4 mmol/kg ATP und 16 mmol/kg CF. Die Gesamtmenge an Phosphogenen, die für die Muskelaktivität verwendet werden kann, ist jedoch bei Männern aufgrund großer Unterschiede im Gesamtvolumen der Skelettmuskulatur deutlich größer als bei Frauen. Männer haben naturgemäß eine viel größere Kapazität des ataktisch-anaeroben Energieversorgungssystems.

Abschließend ist anzumerken, dass Personen mit einer hohen ataktischen anaeroben Produktivität in der Regel eine geringe aerobe Kapazität und Ausdauer für Langzeitarbeit haben. Gleichzeitig sind bei Langstreckenläufern die ataktisch-anaeroben Fähigkeiten nicht nur mit denen von Sprintern nicht zu vergleichen, sondern oft schlechter als bei Nichtsportlern.

Allgemeine Eigenschaften von Energieversorgungssystemen für Muskeltätigkeit

Energie ist, wie Sie wissen, ein allgemeines quantitatives Maß, das alle Phänomene der Natur, verschiedene Bewegungsformen der Materie miteinander verbindet. Von allen Arten von Energie, die in verschiedenen physikalischen Prozessen (thermisch, mechanisch, chemisch usw.) in Bezug auf die Muskelaktivität erzeugt und verwendet werden, sollte das Hauptaugenmerk auf die chemische Energie des Körpers gerichtet werden, deren Quelle Nahrung ist und seine Umwandlung in mechanische Energie der motorischen Aktivität.

Die beim Abbau der Nahrung freigesetzte Energie wird zur Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) verwendet, das sich in den Muskelzellen ablagert und eine Art Brennstoff für die Erzeugung mechanischer Energie der Muskelkontraktion darstellt.

Die Energie für die Muskelkontraktion stammt aus dem Abbau von Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat (P). Die ATP-Menge in den Muskeln ist gering und reicht aus, um nur 1-2 s hochintensive Arbeit zu leisten. Um die Arbeit fortzusetzen, ist eine ATP-Resynthese erforderlich, die aufgrund von energiefreisetzenden Reaktionen dreier Arten entsteht. Das Auffüllen der ATP-Reserven in den Muskeln ermöglicht es Ihnen, ein konstantes Konzentrationsniveau aufrechtzuerhalten, das für eine vollwertige Muskelkontraktion erforderlich ist.

Die ATP-Resynthese erfolgt sowohl bei anaeroben als auch bei aeroben Reaktionen unter Einbeziehung von Kreatinphosphat (CP) und ADP-Reserven, die im Muskelgewebe als Energiequellen enthalten sind, sowie energiereicher Substrate (Muskel- und Leberglykogen, Liposegewebereserven usw.) . Chemische Reaktionen, die zur Energieversorgung der Muskulatur führen, finden in drei Energiesystemen statt: 1) anaerobes Laktat, 2) anaerobes Laktat (Glykolyse), 3) aerob.

Die Energiebildung in den ersten beiden Systemen erfolgt im Prozess chemischer Reaktionen, die keine Anwesenheit von Sauerstoff erfordern. Das dritte System sorgt für die Energieversorgung der Muskeltätigkeit durch unter Beteiligung von Sauerstoff ablaufende Oxidationsreaktionen. Die allgemeinsten Vorstellungen über die Schaltfolge und Mengenverhältnisse bei der Energieversorgung der Muskeltätigkeit jedes dieser Systeme sind in Abb. 1 dargestellt. ein.

Die Leistungsfähigkeit jedes dieser Energiesysteme wird bestimmt durch die Leistung, d.h. die Geschwindigkeit der Energiefreisetzung bei Stoffwechselprozessen, und die Kapazität, die durch die Größe und Effizienz der Verwendung von Substratmitteln bestimmt wird.

Reis. Abb. 1. Die Reihenfolge und die quantitativen Verhältnisse der Prozesse der Energieversorgung der Muskelaktivität bei qualifizierten Sportlern in verschiedenen Energiesystemen (Schema): 1 - alaktisch; 2 - Laktat; 3 - aerob

Die Bewegung jedes Gelenks erfolgt aufgrund von Kontraktionen der Skelettmuskulatur. Das folgende Diagramm zeigt den Energiestoffwechsel in einem Muskel.

Die kontraktile Funktion aller Muskeltypen beruht auf der Umwandlung chemischer Energie bestimmter biochemischer Prozesse in mechanische Arbeit in Muskelfasern. Die Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP) stellt dem Muskel diese Energie zur Verfügung.

Da die Versorgung der Muskeln ATP klein, ist es notwendig, Stoffwechselwege für die Resynthese zu aktivieren ATP so dass das Syntheseniveau den Kosten der Muskelkontraktion entspricht. Die Energiegewinnung für die Muskelarbeit kann anaerob (ohne Einsatz von Sauerstoff) und aerob erfolgen. ATP synthetisiert aus Adenosindiphosphat ( ADP) durch die Energie von Kreatinphosphat, anaerober Glykolyse oder oxidativem Stoffwechsel. Bestände ATP in den Muskeln sind relativ vernachlässigbar und können nur für 2-3 Sekunden intensiver Arbeit ausreichen.

Kreatinphosphat

Vorräte an Kreatinphosphat ( KrF) gibt es mehr Reserven im Muskel ATP und sie können anaerob schnell umgewandelt werden in ATP. KrF- die "schnellste" Energie in den Muskeln (sie liefert Energie in den ersten 5-10 Sekunden einer sehr kraftvollen, explosiven Kraftarbeit, zum Beispiel beim Heben einer Langhantel). Nachdem der Vorrat aufgebraucht ist KrF Der Körper fährt mit dem Abbau von Muskelglykogen fort, was eine längere (bis zu 2-3 Minuten), aber weniger intensive (dreimal) Arbeit ermöglicht.

Glykolyse

Die Glykolyse ist eine Form des anaeroben Stoffwechsels, die eine Resynthese bereitstellt ATP und KrF aufgrund der Reaktionen des anaeroben Abbaus von Glykogen oder Glucose zu Milchsäure.

KrF gilt als schnell freisetzender Kraftstoff, der sich regeneriert ATP, was in den Muskeln eine unbedeutende Menge ist und daher KrF ist der Hauptenergiedrink für ein paar Sekunden. Die Glykolyse ist ein komplexeres System, das lange funktionieren kann, daher ist seine Bedeutung für längere aktive Aktionen unerlässlich. KrF auf seine geringe Anzahl beschränkt. Die Glykolyse hingegen hat zwar die Möglichkeit einer relativ langfristigen Energieversorgung, füllt aber durch die Produktion von Milchsäure die Motorzellen damit und schränkt dadurch die Muskelaktivität ein.

Oxidativer Stoffwechsel

Es ist mit der Möglichkeit verbunden, Arbeit aufgrund der Oxidation von Energiesubstraten zu verrichten, die als Kohlenhydrate, Fette und Proteine ​​verwendet werden können, während die Zufuhr und Nutzung von Sauerstoff in den arbeitenden Muskeln erhöht wird.

Um dringende und kurzfristige Energiereserven aufzufüllen und Langzeitarbeit zu leisten, nutzt die Muskelzelle die sogenannten Langzeitenergiequellen. Dazu gehören Glukose und andere Monosaccharide, Aminosäuren, Fettsäuren, Glycerol-Nahrungsbestandteile, die durch das Kapillarnetzwerk an die Muskelzelle geliefert werden und am oxidativen Stoffwechsel beteiligt sind. Diese Energiequellen erzeugen die Formation ATP durch die Kombination der Sauerstoffverwertung mit der Oxidation von Wasserstoffträgern im mitochondrialen Elektronentransportsystem.

Bei der vollständigen Oxidation eines Glucosemoleküls werden 38 Moleküle synthetisiert ATP. Wenn man die anaerobe Glykolyse mit dem aeroben Abbau von Kohlenhydraten vergleicht, sieht man, dass der aerobe Prozess 19-mal effizienter ist.

Während der Durchführung kurzfristiger intensiver körperlicher Aktivität sind die Hauptenergiequellen KrF, Glykogen und Skelettmuskelglukose. Unter diesen Bedingungen ist der Hauptfaktor die einschränkende Bildung ATP, können wir vom Fehlen der erforderlichen Sauerstoffmenge ausgehen. Intensive Glykolyse führt zur Ansammlung großer Mengen Milchsäure in der Skelettmuskulatur, die allmählich ins Blut diffundiert und in die Leber transportiert wird. Hohe Milchsäurekonzentrationen werden zu einem wichtigen Faktor im Regulationsmechanismus, der den Austausch freier Fettsäuren während einer 30-40 Sekunden dauernden Belastung hemmt.

Mit zunehmender Dauer der körperlichen Aktivität nimmt die Insulinkonzentration im Blut allmählich ab. Dieses Hormon ist aktiv an der Regulation des Fettstoffwechsels beteiligt und hemmt in hohen Konzentrationen die Aktivität von Lipasen. Eine Abnahme der Insulinkonzentration bei längerer körperlicher Anstrengung führt zu einer Erhöhung der Aktivität insulinabhängiger Enzymsysteme, was sich in einer Erhöhung des Lipolyseprozesses und einer Erhöhung der Freisetzung von Fettsäuren aus dem Depot äußert.

Die Bedeutung dieses Regulationsmechanismus wird deutlich, wenn Sportler den häufigsten Fehler machen. Um den Körper mit leicht verdaulichen Energiequellen zu versorgen, nehmen sie oft eine Stunde vor Beginn eines Wettkampfs oder Trainings eine kohlenhydratreiche Mahlzeit oder ein konzentriertes Getränk mit Glukose zu sich. Eine solche Sättigung des Körpers mit leicht verdaulichen Kohlenhydraten führt nach 15-20 Minuten zu einem Anstieg des Blutzuckerspiegels, was wiederum zu einer erhöhten Insulinausschüttung durch die Bauchspeicheldrüsenzellen führt. Eine Erhöhung der Konzentration dieses Hormons im Blut führt zu einem erhöhten Verbrauch von Glukose als Energiequelle für die Muskelaktivität. Letztlich werden statt energiereicher Fettsäuren Kohlenhydrate im Körper verbraucht. Daher kann die Einnahme von Glukose eine Stunde vor dem Start die sportliche Leistung erheblich beeinträchtigen und die Ausdauer auf längeres Training reduzieren.

Die aktive Beteiligung freier Fettsäuren an der Energiebereitstellung der Muskelaktivität ermöglicht eine ökonomischere Durchführung langfristiger körperlicher Aktivität. Eine Erhöhung des Lipolyseprozesses während des Trainings führt zur Freisetzung von Fettsäuren aus Fettdepots ins Blut, die an die Skelettmuskulatur abgegeben oder zur Bildung von Blutlipoproteinen verwendet werden können. In Skelettmuskeln gelangen freie Fettsäuren in die Mitochondrien, wo sie einer sequentiellen Oxidation in Verbindung mit Phosphorylierung und Synthese unterzogen werden ATP.

Jede der aufgeführten Bioenergiekomponenten der körperlichen Leistungsfähigkeit wird durch Leistungs-, Kapazitäts- und Effizienzkriterien charakterisiert (Tabelle 1).

Tabelle 1. Wichtigste bioenergetische Eigenschaften von Stoffwechselprozessen – Energiequellen während der Muskelaktivität

Das Leistungskriterium bewertet die maximale Energiemenge pro Zeiteinheit, die von jedem der Stoffwechselsysteme bereitgestellt werden kann.

Das Kapazitätskriterium bewertet die Gesamtreserven an Energiesubstanzen, die dem Körper zur Verfügung stehen, oder die Gesamtarbeit, die aufgrund dieser Komponente geleistet wird.

Das Effizienzkriterium gibt an, wie viel externe (mechanische) Arbeit pro aufgewendeter Energieeinheit verrichtet werden kann.

Von großer Bedeutung ist das Verhältnis von aerober und anaerober Energieerzeugung bei Arbeiten unterschiedlicher Intensität. Am Beispiel von Laufdistanzen aus der Leichtathletik lässt sich dieses Verhältnis darstellen (Tabelle 2)

Tabelle 2. Der relative Beitrag der Mechanismen der aeroben und anaeroben Energieerzeugung bei der Ausführung einer einzelnen Arbeit mit einer maximalen Intensität unterschiedlicher Dauer