Физические упражнения физиология

Физиология упражнений изучает, как структуры и функции организма изменяются под воздействием острых и хронических повторений упражнений. Понимание этих физиологических механизмов необходимо для оптимизации производительности, предотвращения травм и укрепления общего здоровья. В этой статье рассматривается, как функционируют мышцы на клеточном уровне, какие энергетические системы подпитывают физическую активность и как кардиореспираторная система адаптируется во время физических упражнений.

Механизмы сокращения мышц: клеточная основа мышечной функции

Сокращение мышц — сложный процесс, включающий взаимодействие различных клеточных компонентов внутри мышечных волокон. Основной единицей мышечного сокращения является саркомер, состоящий из взаимосвязанных белковых нитей – актина и миозина.

Строение скелетных мышц

• Мышечные волокна: Длинные цилиндрические клетки с множественными ядрами и обильными митохондриями.
• Миофибриллы: пучки белковых нитей в мышечных волокнах, состоящие из повторяющихся единиц, называемых саркомерами.
• Саркомеры: Основные сократительные единицы, определяемые линиями Z, содержат тонкие (актиновые) и более толстые (миозиновые) нити.

Теория скользящей балки

Теория скользящих нитей объясняет сокращение мышц посредством скольжения актина по миозиновым нитям, вызывая сокращение саркомера.

• Спокойное состояние: Тропомиозин блокирует участки связывания миозина на актиновых нитях, предотвращая образование поперечных связей.
• Соотношение возбуждения и сокращения:
• Потенциал действия: Нервный импульс запускает потенциал действия в сарколемме мышечного волокна.
• Выделение кальция: Потенциал действия распространяется по Т-трубочкам, стимулируя саркоплазматический ретикулум к высвобождению ионов кальция.
• Формирование поперечного объема:
• Связывание кальция: Ионы кальция связываются с тропонином, заставляя тропомиозин двигаться и обнажая участки связывания миозина на актине.
• Авторизоваться: Энергичные головки миозина связываются с актином, образуя поперечные сечения.
• Рабочий ход:
• Выпуск ADP и Pi: Головки миозина вращаются, подтягивая актиновые нити к центру саркомера.
• Сокращение мышц: Это действие заставляет мышцу сокращаться.
• Отключение кросс-емкости:
• Связывание АТФ: Новая молекула АТФ связывается с головкой миозина, заставляя ее отсоединяться от актина.
• Реактивация: Гидролиз АТФ восстанавливает энергию для головок миозина для следующего цикла.
• Расслабление:
• Обратное поглощение кальция: Ионы кальция закачиваются обратно в саркоплазматический ретикулум.
• Блокировка мест входа: Тропомиозин снова закрывает места связывания, и мышца расслабляется.

Роль АТФ в сокращении мышц

• Энергоснабжение: АТФ обеспечивает энергию, необходимую для цикла перекрестного объема.
• гидролиз АТФ: Распад АТФ на АДФ и Pi снабжает головки миозина энергией.
• Регенерация АТФ: Мышечные волокна восстанавливают АТФ посредством метаболических путей для поддержания сокращения.

Энергетические системы: АТФ-ФЦР, гликолитические и окислительные пути

Мышечные сокращения требуют постоянного запаса АТФ.Для регенерации АТФ во время физических упражнений организм использует три основные энергетические системы:

Система АТФ-ПЦР (фосфагенная система)

• Прямой источник энергии: Обеспечивает энергией для кратковременных и интенсивных действий (например, спринта).
• Механизм:
• Фосфокреатин (ФКр) отдает фосфат АДФ, образуя АТФ.
• Фермент: Креатинкиназа способствует этой быстрой реакции.
• Характеристики:
• Анаэробный: Кислород не требуется.
• Емкость: Ограничено хранилищами PCr, поддерживает активность до 10 секунд.

Гликолитическая система (анаэробный гликолиз)

• Краткосрочный источник энергии: Обеспечивает активность средней и высокой интенсивности продолжительностью от 10 секунд до 2 минут.
• Механизм:
• Распад глюкозы: Глюкоза или гликоген преобразуется в пируват.
• Выход АТФ: Чистое содержание АТФ – 2 молекулы АТФ на молекулу глюкозы.
• Продукт:
• Образование лактозы: В анаэробных условиях пируват превращается в лактозу.
• Ацидоз: Накопление лактозы снижает pH, способствуя утомляемости.
• Характеристики:
• Анаэробный: Работает без кислорода.
• Скорость: Более быстрая выработка АТФ, чем окислительная система, но менее эффективна.

Окислительная система (аэробный метаболизм)

• Долгосрочный источник энергии: Поддерживает активность, длящуюся более 2 минут (например, бег на длинные дистанции).
• Механизм:
• Аэробный гликолиз: Пируват проникает в митохондрии и превращается в ацетил-КоА.
• цикл Кребса: Ацетил-КоА окисляется с образованием НАДН и ФАДН₂.
• Цепь переноса электронов: Электроны переносятся на кислород, образуя АТФ.
• Источники топлива:
• Углеводы: Основное топливо во время упражнений средней и высокой интенсивности.
• Толстый: Основное топливо во время длительных упражнений низкой интенсивности.
• Белок: Небольшой вклад, в основном во время длительных упражнений.
• Характеристики:
• Аэробика: Требуется кислород.
• Эффективность: Производит до 36 АТФ на молекулу глюкозы.
• Емкость: Практически неограниченный запас энергии при длительной активности.

Кардиореспираторные и респираторные реакции на физические нагрузки

Физические упражнения вызывают значительную адаптацию кардиореспираторной системы для удовлетворения возросших метаболических потребностей.

Кардиореспираторные реакции

• Увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС)
• Механизм: Стимуляция симпатической нервной системы увеличивает ЧСС, улучшая сердечный выброс.
• Влияние: ЧСС увеличивается пропорционально интенсивности упражнений.
• Увеличение объема выстрела (SV)
• Определение: Объем крови, перекачиваемой за каждое сокращение сердца.
• Механизмы:
• Быть заполненным: Увеличенный венозный возврат растягивает камеры (механизм Франка-Старлинга).
• Сократимость: Симпатическая стимуляция увеличивает сократимость полосатого тела.
• Увеличение сердечного выброса (Q)
• Формула: Q = ЧСС × УО.
• Приспособление: Во время интенсивных упражнений сердечный выброс может увеличиться в 5–6 раз по сравнению с уровнем покоя.
• Перераспределение кровотока
• Вазодилатация: В активных мышцах артериолы расширяются, увеличивая приток крови.
• Вазоконстрикция: Кровеносные сосуды в активных областях сужаются, перераспределяя кровь.
• Изменения артериального давления
• Систолическое давление: Увеличивается из-за более высокого сердечного выброса.
• Диастолическое давление: Постепенно не выделяется или слегка уменьшается.
• Среднее артериальное давление: Умеренно увеличивается, поддерживая перфузию тканей.

Респираторные реакции

• Увеличение вентиляции
• Механизм:
• Дыхательный объем: Количество воздуха, вдыхаемого при дыхании, увеличивается.
• Частота дыхания: Количество вдохов в минуту увеличивается.
• Стимулы:
• Хеморецепторы: Обнаруживает повышенные уровни CO₂ и H⁺.
• Нейронный ввод: Сигналы от двигательной коры и проприорецепторов.
• Увеличение использования кислорода (VO₂)
• VO₂ макс.: Максимальная мощность потребления кислорода.
• Приспособление: Улучшается за счет увеличения сердечного выброса и извлечения кислорода из мышц.
• Оптимизация газообмена
• Альвеолярная вентиляция: Улучшает обмен кислорода и углекислого газа.
• Диффузионная способность: Увеличивается из-за увеличения объема крови в легочных капиллярах.

Интегрированные кардиореспираторные адаптации

• Артериовенозная разница кислорода (a-vO₂ diff):
• Определение: Разница в содержании кислорода между артериальной и венозной кровью.
• Приспособление: Увеличивается во время упражнений, поскольку мышцы получают больше кислорода.
• Подача кислорода: Скоординированные кардиореспираторные реакции обеспечивают достаточное снабжение мышц кислородом для удовлетворения их потребностей.

Понимание физиологии упражнений дает представление о том, как организм реагирует и адаптируется к физической активности. Сокращение мышц на клеточном уровне включает в себя сложные процессы, в которых участвует АТФ, который восстанавливается посредством отдельных энергетических путей в зависимости от интенсивности и продолжительности активности. Кардиореспираторная система претерпевает значительные изменения, чтобы поддерживать возросшие метаболические потребности, что подчеркивает впечатляющую способность организма поддерживать гомеостаз во время физических упражнений.

Ссылки

МакАрдл, У. Д., Кэтч, Ф. И. и Кэтч, В. Л. (2015). Физиология упражнений: питание, энергия и работоспособность человека (8-е изд.). Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.
Тортора, Г.Дж., и Дерриксон, Б. (2017). Основы анатомии и физиологии (15-е изд.). Уайли.
Альбертс, Б. и др. (2015). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Гирлянда наук.
Холл, Дж. Э. (2016). Учебник медицинской физиологии Гайтона и Холла (13-е изд.). Эльзевир.
Мариб Э.Н. и Хен К. (2018). Анатомия и физиология человека (11-е изд.). Пирсон.
Брукс, GA, Фэйи, TD, и Болдуин, KM (2005). Физиология упражнений: биоэнергетика человека и ее применение (4-е изд.). Макгроу-Хилл.
Харгривз, М., и Спрайт, Л.Л. (2006). Упражнение Метаболизм. Кинетика человека.
Кенни, У. Л., Уилмор, Дж. Х. и Костиль, Д. Л. (2015). Физиология спорта и физических упражнений (6-е изд.). Кинетика человека.
Пауэрс, С.К., и Хоули, Э.Т. (2012). Физиология упражнений: теория и применение в фитнесе и производительности (8-е изд.). Макгроу-Хилл.
Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л. и Страйер Л. (2015). Биохимия (8-е изд.). У. Х. Фримен.
Фиттс, Р. Х. (2008). Цикл поперечных мостиков и утомление скелетных мышц. Журнал прикладной физиологии, 104(2), 551-558.
Ленингер, А. Л., Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2017). Принципы биохимии Ленингера (7-е изд.). У. Х. Фримен.
Юкендрап, А. и Глисон, М. (2010). Спортивное питание: введение в выработку энергии и производительность (2-е изд.). Кинетика человека.
Берн, Р. М., и Леви, М. Н. (2010). Физиология сердечно-сосудистой системы (10-е изд.). Мосби Эльзевир.
Шервуд, Л. (2015). Физиология человека: от клеток к системам (9-е изд.). Обучение Cengage.
Гайтон, AC, и Холл, JE (2015). Учебник медицинской физиологии (13-е изд.). Эльзевир.
Пул, Д.К., и Эриксон, Х.Х. (2011). Сердечно-сосудистая функция и транспорт кислорода: реакция на физические упражнения и тренировки. Комплексная физиология, 1(1), 675-704.
Уэст, Дж. Б. (2012). Физиология дыхания: Основы (9-е изд.). Липпинкотт Уильямс и Уилкинс.
Форстер, Х.В., и Пан, Л.Г. (1994). Вклад центральных и периферических хеморецепторов в респираторную реакцию на CO₂/H⁺. Ежегодный обзор физиологии, 56(1), 159-177.
Бассетт, Д.Р. и Хоули, Э.Т. (2000). Факторы, ограничивающие максимальное потребление кислорода, и факторы, определяющие выносливость. Медицина и наука в спорте и физических упражнениях, 32(1), 70-84.

← Предыдущая статья Следующая статья →

• Анатомия и функции мышечной системы
• Физиология упражнений
• Принципы физической подготовки
• Состав тела
• Метаболизм и энергетический баланс

Вернуться наверх