microbik.ru
1 2 ... 10 11
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА
КАФЕДРА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ

ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА


БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Омск 2008
Подготовка специалистов в области физической культуры и спорта требует понимания процессов жизнедеятельности, происходящих в организме человека как в покое, так и при выполнении мышечной работы. Основу этих процессов составляют превращения, происходящие в клетках различных тканей и органов, что является предметом изучения биохимии.

В данном пособии рассматриваются узловые вопросы биохимии спорта, предусмотренные программой физкультурных вузов. При подготовке пособия учитывались знания, полученные студентами по биологии, химии анатомии, физиологии и общей химии. Материал пособия изложен в форме избранных лекций, что позволяет студентам легче ориентироваться при изучении базовых тем. В лекциях последо­вательно рассматриваются:

  • специфические особенности строения и химического состава клеток скелетной мускулатуры;

  • химизм мышечного сокращения;

  • особенности энергообеспечения мышечной работы, выполняемой в различных кислородных режимах;

  • ответная реакция организма на физические нагрузки различной мощности, а также особенности утомления и восстановления, вызванные этой работой;

  • закономерности биохимической адаптации организма спортсмена в процессе спортивной тренировки;

  • коррекция биохимических изменений, вызванных мышечной рабо­той различной мощности с помощью факторов питания.

Изложенные лекции учитывают ответную реакцию на мышечную работу организма человека в возрасте 20-35 лет.
К началу этого возрастного периода заканчиваются рост и развитие организма, формируется физическая и психологическая зрелость. Увели-чиваются метаболизирующая масса тела, количество ферментов аэробного и анаэробного окисления, повышается их активность и устойчивость при выполнении мышечной работы. Совершенствуется нервно-мышечный аппарат, в мышцах и в организме, в целом, возрастает количество энергетических веществ. Достигает оптимальных значений работа восстановительных систем, отвечающих за доставку к мышцам кислорода и субстратов окисления и удаления метаболитов из клеток тканей. В обмене веществ в покое сохраняется равновесие между анаболическими и катаболическими реакциями. Сказанное выше позволяет заключить, что период жизни человека с 20 до 35 лет благоприятен для достижения высоких результатов при выполнении мышечной работы.

Материал пособия позволит студентам получить знания по разделу биохимия спорта, а также в дальнейшем создаст предпосылки для успешного освоения учебных предметов медико-биологического цикла, теории и методики физического воспитания, специальных курсов по спортивно-педагогическим дисциплинам.

Пособие может быть использовано не только студентами высших учебных заведений, но и учащимися колледжей, которые должны стать специалистами в области физической культуры и спорта.

Лекция 1. БИОХИМИЯ МЫШЦ И МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

    1. Строение мышечной клетки.

    2. Химический состав мышц.

    3. Механохимия мышечного сокращения.

Движение является одним из основных свойств живого. Выполнение этой функции у большинства живых организмов природа поручила мы­шечной ткани, на долю которой у человека приходится 40-42% от массы тела. Принято различать три типа мышечной ткани: гладкую, поперечно­полосатую и сердечную.

Гладкие мышцы построены из одноядерных клеток и покрывают стенки кровеносных сосудов, полых внутренних органов, входят в состав дермы. Сокращаются они медленно и несильно, но долго могут находить­ся в тонусе.

Поперечно-полосатые мышцы имеют многоядерные, сильно вытяну­тые в длину клетки и образуют скелетную мускулатуру. Они быстро и мощно сокращаются, но не могут долго находиться в тонусе.

Сердечная мышца построена из поперечно-полосатой мышечной ткани и трудится в течение всего периода онтогенеза.

Работа гладких мышц и сердечной мышцы не подчиняется нашему сознанию, и их называют "непроизвольными", работа поперечно-полосатых мышц контролируется сознанием, и их называют "произволь-ными".

Выполнение физических упражнений, как правило, связано с переме­щением тела в пространстве или фиксацией определенной позы и обеспе­чивается работой скелетной мускулатуры. Каждая мышца состоит из не­скольких тысяч мышечных волокон (клеток), имеющих длину от 0,1 до 2-Зсм (в портняжной мышце до 12 см) и толщину от 0,01 до 0,2 мм.

Мышечное волокно содержит полный набор органоидов, характерных для любой живой клетки, и, кроме того, имеет органоиды специального назначения - миофибриллы (сократительные волоконца).

Рассмотрим строение органелл, принимающих участие в мышечном сокращении.

Сарколемма ограничивает мышечную клетку и представляет собой двухслойную белково-липидную мембрану, на поверхности которой расположены эластичные коллагеновые волокна, обеспечивающие эластичность и прочность, и окончания двигательных нервов, передающие клетке нервный импульс из центральной нервной системы. Сарколемма обладает свойством избирательной проницаемости для различных веществ. Через нее легко проходят низкомолекулярные

вещества: вода, глюкоза, молочная и пировиноградная кислоты, кетоновые тела, аминокислоты, короткие пептиды различные ионы, и не проходят высокомолекулярные вещества: белки, сложные углеводы, жиры, липоиды, молекулы ДНК. Перенос веществ и ионов через сарколемму идет по типу активного транспорта, что позволяет накапливать внутри мышечной клетки ионы калия и органические анионы, а ионы натрия удалять в межклеточное пространство. Разность концентрации различных ионов внутри и вне мышечного волокна способствует формированию электрических зарядов на сарколемме. Изнутри она в покое заряжена отрицательно, а с наружи - положительно. Такое распределение зарядов называется "потенциал покоя" и составляет до 100 мв.

Саркоплазма заполняет внутреннее пространство мышечной клетки и представляет собой коллоидный раствор белков, гликогена, жиров и других органических соединений. Здесь расположены ядра, митохондрии, рибосомы, саркоплазматический ретикулум (SR.), лизосомы, миофибриллы и др., включения: глыбки гликогена, жировые капли, кристаллы органических солей.

Саркоплазматический ретикулум (SR) образует систему трубочек, мембран и пузырьков. Трубочки соединяют все органоиды клетки и могут участвовать как в транспорте веществ, так и в распространении волны возбуждения от сарколеммы внутрь мышечного волокна. В покое SR является депо ионов кальция (Са2+), необходимых при мышечном сокращении.

Кроме того, снаружи к части SR прикреплены рибосомы, на которых и при участии их идет синтез белка, в той же части ретикулума, где нет рибосом, происходит сборка молекул жиров, липидов, гликогена - важнейших энергетических ресурсов мышци.

Миофибриллы являются сократительными элементами мышцы. Их длина равна длине мышечного волокна, а диаметр составляет около 100- 200 мкм. В нетренированных мышцах миофибриллы расположены диффузно, а в тренированных собраны в пучки - поля Конгейма. Каждая миофибрилла имеет поперечную исчерченность из правильно чередующихся темных и светлых дисков, хорошо видных под микроскопом. Темные диски образованы толстыми, а светлые - тонкими протофибриллами.

Митохондрии называют энергетическими станциями, т.к. в них вы­рабатывается 80-90% всей энергии клетки (в виде АТФ).

По химическому составу мышечное волокно, как и всякая живая клетка, является белковым образованием и содержит 72-80% воды, 16-21% белка и только 3-4% небелковых веществ.

Белковый состав мышц можно изобразить следующей схемой:






Белки сарколеммы: липопротеиды, коллаген, эластин. Они не рас­творимы в воде, обеспечивают сарколемме избирательную проницаемость для ионов и веществ, а также эластичность и прочность. При мышечном сокращении эластин и коллаген участвуют в формировании в сарколемме упругих сил, которые при расслаблении возвращают мышечную клетку к прежней форме и размерами.

Белки саркоплазмы делят на альбумины и глобулины. Альбумины представлены, в основном, ферментами, регулирующими процессы анаэробного ресинтеза АТФ (ферменты гликолиза, креатинфосфокиназа) и миоглобином-хромпротевдом, окрашенным в красный цвет, который связывает и депонирует кислород в мышечной ткани. К глобулинам относятся ферменты и запасные белки, способные при тренировке преобразовываться в сократительные белки миофибрилл.

Белки ядер извлекаются из мышечной ткани щелочными растворами и относятся к нуклеопротеидам, простетическая группа которых включает остатки молекул ДНК и РНК. Основное значение этих белков - хранение и передача наследственной информации.

Белки митохондрий представлены сложными ферментами цикла Кребса, дыхательной цепи и цикла 3-окисления жирных карбоновых кислот, т.е. они регулируют процессы аэробного окисления углеводов, липидов и белков.

Белки миофибрилл объединяют миозин, актин, тропомиозин, тропонин, актинины. Это сократительные белки, основными из которых являются миозин и актин.

Миозин - фибриллярный белок с молекулярной массой 470000 у.е., образует толстые протофибриллы. В его составе, наряду с другими аминокислотами, содержится много цистина, глаутаминовой кислоты, лизина, лейцина.
Цистеин является поставщиком свободных сульфгидрильных групп (SH ), которые участвуют в формировании головок миозина. В пространстве между головками к молекуле миозина с помощью ионов Mg прикреплены ионы АТФ, которые в покое имеют отрицательный заряд (АТФ2 ).

Сульфгидрильные группы позволяют миозину при мышечном сокра­щении выполнять две функции:

  1. Сократительную - т.к. они образуют с молекулами актина акто- миозиновый комплекс, способный выполнять механическую работу.

  2. Регуляторную - т.к. в качестве фермента, который называется мио- зиновая АТФ-аза, регулируют реакцию расщепления АТФ, протекающую по схеме:

А ТФ—"о-™. > АДФ + Н3Р04 + 8-10 ккал(~ 40 кДж)

Химическая энергия АТФ при этом без потерь превращается в меха­ническую работу мышцы.

Актин имеет молекулярную массу 46.000 у.е. и образует тонкие протофибриллы. Он существует в двух, способных переходить друг в друга, формах: глобулярный (Г - актин) и фибриллярный (Ф - актин). Активные центры актина в покое содержат отрицательно заряженные ионы АДФ. При мышечной деятельности в присутствии ионов К+ и Mg2+ Г-актин переходит в Ф-актин, который легко объединяется с миозином. В покое молекулы миозина и актина между собой не взаимодействуют (рис 1).







Расположение молекул миозина и актина внутри миофибриллы подчиняется закономерности, рассмотренной ниже.

Толстые протофибриллы упорядоченно и свободно лежат в матриксе миофибриллы, многократно повторяясь по ее длине. В середине толстых нитей имеется небольшое вздутие, а в обе стороны от него расположены головки миозина, содержащие сульфгидрильные группы. Концы толстых нитей с обеих сторон заходят в зону тонких нитей на 1/3 их длины. Тонкие нити также лежат упорядоченно, многократно повторяясь по длине миофибриллы, но посередине они

пересечены мембраной (Z), которая соединяет их между собой и прикреплена с обеих сторон к оболочке миофибриллы (рис.2). Расстояние между двумя ближайшими мембранами называется саркомер




Рис.2. Фрагмент миофибриллы: А - актин; М - миозин; С - саркомер




Длина саркомера обусловлена генетически и в ходе спортивной тренировки любой направленности не изменяется. ^



следующая страница >>