Fizinės mankštos fiziologija - www.Kristalai.eu

Фізіологія фізичних вправ

Фізіологія фізичних вправ вивчає, як змінюються структури та функції тіла під час гострого та хронічного повторення фізичних вправ. Розуміння цих фізіологічних механізмів має важливе значення для оптимізації продуктивності, запобігання травмам і сприяння загальному здоров’ю. У цій статті досліджується, як м’язи функціонують на клітинному рівні, які енергетичні системи живлять фізичну активність і як кардіореспіраторні системи адаптуються під час тренувань.

Механізми м'язового скорочення: клітинна основа функціонування м'язів

Скорочення м'язів - це складний процес, що включає взаємодію різних клітинних компонентів у м'язових волокнах. Основною одиницею м’язового скорочення є саркомер, який складається з зчеплених білкових ниток – актину та міозину.

Будова скелетних м'язів

  • М'язові волокна: Довгі циліндричні клітини з кількома ядрами та великою кількістю мітохондрій.
  • Міофібрили: пучки білкових ниток у м’язових волокнах, що складаються з повторюваних одиниць, які називаються саркомерами.
  • Саркомери: Основні скоротливі одиниці, визначені лініями Z, містять тонкі (актин) і товщі (міозин) нитки.

Теорія ковзної балки

Теорія ковзаючої нитки пояснює скорочення м’язів через ковзання актину по міозинових нитках, викликаючи скорочення саркомера.

  • Спокійний стан: Тропоміозин блокує сайти зв’язування міозину на нитках актину, запобігаючи утворенню перехресних зв’язків.
  • Відношення збудження-скорочення:
    • Потенціал дії: Нервовий імпульс викликає потенціал дії в сарколемі м’язового волокна.
    • Вивільнення кальцію: потенціал дії поширюється через Т-канальці, стимулюючи саркоплазматичний ретикулум до вивільнення іонів кальцію.
  • Формування перехресного об’єму:
    • Зв'язування кальцію: Іони кальцію зв’язуються з тропоніном, спричиняючи рух тропоміозину та відкриваючи сайти зв’язування міозину на актині.
    • Логін: активовані головки міозину зв’язуються з актином, утворюючи поперечні перерізи.
  • Силовий удар:
    • Випуск ADP і Pi: Головки міозину обертаються, тягнучи нитки актину до центру саркомера.
    • Скорочення м'язів: Ця дія викликає скорочення м’яза.
  • Відключення перехресної ємності:
    • зв'язування АТФ: Нова молекула АТФ зв’язується з головкою міозину, спричиняючи її від’єднання від актину.
    • Повторна активація: гідроліз АТФ відновлює енергію для головок міозину для наступного циклу.
  • Релаксація:
    • Зворотне захоплення кальцію: Іони кальцію закачуються назад у саркоплазматичний ретикулум.
    • Блокування місць входу: Тропоміозин знову покриває місця зв’язування, і м’яз розслабляється.

Роль АТФ у скороченні м'язів

  • Енергопостачання: АТФ забезпечує енергію, необхідну для перехресного циклу об’єму.
  • Гідроліз АТФ: Розпад АТФ на АДФ і Пі активізує головки міозину.
  • Регенерація АТФ: М’язові волокна регенерують АТФ через метаболічні шляхи для підтримки скорочення.

Енергетичні системи: АТФ-ФЦр, гліколітичний та окислювальний шляхи

М'язові скорочення вимагають постійного надходження АТФ.Організм використовує три основні енергетичні системи для регенерації АТФ під час тренування:

Система АТФ-ФЦр (система фосфагену)

  • Пряме джерело енергії: Забезпечує енергією для високоінтенсивних, короткочасних дій (наприклад, спринт).
  • Механізм:
    • Фосфокреатин (PCr) віддає фосфат АДФ, утворюючи АТФ.
    • Ферментувати: Креатинкіназа сприяє цій швидкій реакції.
  • характеристики:
    • Анаеробні: Кисень не потрібен.
    • Ємність: обмежено накопичувачами PCr, підтримує активність до 10 секунд.

Гліколітична система (анаеробний гліколіз)

  • Короткочасне джерело енергії: Підживлює активність середньої та високої інтенсивності тривалістю від 10 секунд до 2 хвилин.
  • Механізм:
    • Розщеплення глюкози: Глюкоза або глікоген перетворюються на піруват.
    • Вихід АТФ: Чистий вміст АТФ – ​​2 молекули АТФ на молекулу глюкози.
  • Продукт:
    • Утворення лактози: В анаеробних умовах піруват перетворюється на лактозу.
    • ацидоз: Накопичення лактози знижує рН, сприяючи втомі.
  • характеристики:
    • Анаеробні: Працює без кисню.
    • швидкість: швидше у виробництві АТФ, ніж окислювальна система, але менш ефективна.

Окислювальна система (аеробний метаболізм)

  • Довгострокове джерело енергії: підтримує дії тривалістю понад 2 хвилини (наприклад, біг на довгі дистанції).
  • Механізм:
    • Аеробний гліколіз: піруват потрапляє в мітохондрії та перетворюється на ацетил-КоА.
    • Цикл Кребса: Ацетил-КоА окислюється з утворенням NADH і FADH₂.
    • Ланцюг транспортування електронів: Електрони переносяться до кисню, утворюючи АТФ.
  • Джерела палива:
    • вуглеводи: Основне паливо під час вправ середньої та високої інтенсивності.
    • Жир: Основне паливо під час довготривалих вправ низької інтенсивності.
    • білок: Невеликий внесок, переважно під час тривалих тренувань.
  • характеристики:
    • Аеробні: Потрібен кисень.
    • Ефективність: Виробляє до 36 АТФ на молекулу глюкози.
    • Ємність: Практично необмежений запас енергії під час тривалої діяльності.

Серцево-респіраторні та дихальні реакції на фізичне навантаження

Фізичні вправи викликають значну адаптацію серцево-дихальної системи для задоволення підвищених метаболічних потреб.

Серцево-респіраторні реакції

  • Збільшення частоти серцевих скорочень (ЧСС).
    • Механізм: Стимуляція симпатичної нервової системи збільшує ЧСС для покращення серцевого викиду.
    • Вплив: ЧСС збільшується пропорційно інтенсивності вправ.
  • Збільшення гучності удару (SV)
    • Визначення: Об’єм крові, що перекачується під час кожного удару серця.
    • Механізми:
      • Для заповнення: Збільшення венозного повернення розтягує камери (механізм Франка-Старлінга).
      • Скоротливість: Симпатична стимуляція збільшує скорочувальну здатність смугастого тіла.
  • Збільшення серцевого викиду (Q).
    • Формула: Q = HR × SV.
    • Адаптація: Серцевий викид може збільшитися в 5-6 разів у порівнянні з рівнем спокою під час інтенсивних вправ.
  • Перерозподіл кровотоку
    • Розширення судин: в активних м’язах артеріоли розширюються, посилюючи кровотік.
    • звуження судин: Кровоносні судини в активних областях звужуються, перерозподіл крові.
  • Зміни артеріального тиску
    • Систолічний тиск: Збільшується через вищий серцевий викид.
    • Діастолічний тиск: Поступово не виділяється або трохи зменшується.
    • Середній артеріальний тиск: Помірно збільшується, зберігаючи перфузію тканин.

Респіраторні реакції

  • Збільшення вентиляції
    • Механізм:
      • Дихальний об'єм: кількість повітря, що вдихається під час дихання, збільшується.
      • Частота дихання: кількість вдихів за хвилину збільшується.
    • стимули:
      • Хеморецептори: Виявляє підвищені рівні CO₂ і H⁺.
      • Нейронний вхід: Сигнали від моторної кори та пропріорецепторів.
  • Підвищення використання кисню (VO₂)
    • VO₂ макс: Максимальна потужність споживання кисню.
    • Адаптація: Покращується за рахунок збільшення серцевого викиду та вилучення кисню з м’язів.
  • Оптимізація газообміну
    • Альвеолярна вентиляція: Покращує обмін кисню та вуглекислого газу.
    • Дифузійна здатність: Збільшується внаслідок збільшення об’єму крові в легеневих капілярах.

Інтегровані кардіореспіраторні адаптації

  • Артеріовенозна різниця кисню (a-vO₂ diff):
    • Визначення: Різниця у вмісті кисню в артеріальній і венозній крові.
    • Адаптація: Збільшується під час тренування, оскільки м’язи витягують більше кисню.
  • Подача кисню: Скоординовані кардіореспіраторні реакції забезпечують адекватне постачання кисню для задоволення потреб м’язів.

Розуміння фізіології фізичних вправ дає змогу зрозуміти, як організм реагує та адаптується до фізичної активності. Скорочення м’язів на клітинному рівні включає складні процеси, що живляться АТФ, який регенерується різними шляхами енергії залежно від інтенсивності та тривалості активності. Серцево-респіраторні системи зазнають значних змін, щоб підтримати підвищені метаболічні потреби, підкреслюючи вражаючу здатність організму підтримувати гомеостаз під час фізичних вправ.

Посилання

МакАрдл В.Д., Кетч Ф.І. та Кетч В.Л. (2015). Фізіологія фізичних вправ: харчування, енергія та ефективність людини (8-е вид.). Ліппінкотт Вільямс і Вілкінс.
Тортора, Дж. Дж., Дерріксон, Б. (2017). Основи анатомії та фізіології (15-е вид.). Wiley.
Альбертс Б. та ін. (2015). Молекулярна біологія клітини (6-е вид.). Гірляндна наука.
Холл, Дж. Е. (2016). Підручник Гайтона і Холла з медичної фізіології (13-е вид.). Elsevier.
Marieb, EN, & Hoehn, K. (2018). Анатомія та фізіологія людини (11-е вид.). Пірсон.
Брукс, Джорджія, Фейхі, Т. Д., і Болдуін, К. М. (2005). Фізіологія фізичних вправ: біоенергетика людини та її застосування (4-е вид.). Макгроу-Хілл.
Hargreaves, M., & Spriet, LL (2006). Метаболізм вправ. Кінетика людини.
Кенні, В. Л., Вілмор, Дж. Х. та Костілл, Д. Л. (2015). Фізіологія спорту та фізичних вправ (6-е вид.). Кінетика людини.
Пауерс, С.К., Хаулі, І.Т. (2012). Фізіологія фізичних вправ: теорія та застосування до фітнесу та ефективності (8-е вид.). Макгроу-Хілл.
Берг, Дж. М., Тимочко, Дж. Л., і Страєр, Л. (2015). Біохімія (8-е вид.). В. Х. Фрімен.
Фіттс, Р. Х. (2008). Поперечний цикл і втома скелетних м'язів. Журнал прикладної фізіології, 104 (2), 551-558.
Ленінгер, А.Л., Нельсон, Д.Л., Кокс, М.М. (2017). Принципи біохімії Ленінгера (7-е вид.). В. Х. Фрімен.
Jeukendrup, A., & Gleeson, M. (2010). Спортивне харчування: Вступ до виробництва енергії та ефективності (2-ге вид.). Кінетика людини.
Берн, Р. М., Леві, М. Н. (2010). Серцево-судинна фізіологія (10-те вид.). Мосбі Ельзевір.
Шервуд, Л. (2015). Фізіологія людини: від клітин до систем (9-е вид.). Cengage Learning.
Гайтон, AC, і Хол, JE (2015). Підручник медичної фізіології (13-е вид.). Elsevier.
Пул, округ Колумбія, Еріксон, Х.Х. (2011). Серцево-судинна функція та транспорт кисню: реакція на вправи та тренування. Комплексна фізіологія, 1(1), 675-704.
Вест, Дж. Б. (2012). Фізіологія дихання: Основи (9-е вид.). Ліппінкотт Вільямс і Вілкінс.
Форстер Г. В. та Пан Л. Г. (1994). Внесок центральних і периферичних хеморецепторів у вентиляційну відповідь на CO₂/H⁺. Річний огляд фізіології, 56 (1), 159-177.
Бассетт, ДР, Хаулі, ЕТ (2000). Обмежувальні фактори для максимального поглинання кисню та детермінанти витривалості. Медицина та наука у спорті та фізичних вправах, 32 (1), 70-84.

← Попередня стаття Наступна стаття →

Повернутися до початку

Повернутися до блогу