Энергия в природе и организме человека
ЭНЕРГИЯ. ОТ СОЛНЦА К ПРОДУКТАМ ПИТАНИЯ.
Этимологически, термин энергия означает силу действия, меру перехода движения материи из одной формы в другую. На физическом уровне, энергия определяется как способность организма обеспечивать механическую работу или ее эквивалент. Помимо своей механической формы, что мы знаем в двух видах – потенциальной (энергия взаимодействия тел) и кинетической (энергия движения); в сфере биомеханики энергия может быть представлена в формах: электрической, лучевой, химической, атомной и тепловой. Первый закон термодинамики нам говорит, что энергия не создается и не теряется, но превращается. Работа нашего организма не противоречит данному универсальному принципу. Это лишь фигура речи когда мы говорим, что организм вырабатывает энергию. На самом деле, организм лишь выбирает форму трансформации энергии не производя ее, от химической формы к механической и тепловой. Мы попытаемся понять, как это происходит. Большая часть энергии которой мы располагаем на Земле исходит от Солнца. Это центр ядерной реакции генерирующий энергию, которая к нам приходит в форме света. Солнечная энергия поглощается хлорофиллом растений. Там она возбуждает электрон атома водорода дающий энергию живой материи.
ПРОТОН ВОДОРОДА Н+ И ЕГО ЭЛЕКТРОН.
Водород это фундаментальный атом, и более для физиолога, чем для физика атомщика, химика или биолога. Это самый простой атом в таблице элементов. Он состоит из ядра содержащего протон и вращающегося вокруг него электрона. Вот этот электрон и есть необыкновенный феномен. Солнечная радиация его возбуждает, передавая таким образом энергию. Отметим, что если атом получает достаточно энергии, то он теряет свой электрон и становится положительным ионом или протоном Н+. Этот избыток энергии в электроне, потерянном протоном Н+ , он разносится повсюду, куда случай его приведет, и особенно-что касается нашего повествования- в наши мышцы. Прибыв в наши клетки, атом водорода будет отдавать энергию, что находится в его электроне. Именно эта «пара» протон водорода и электрон то, что наш организм будет искать через серию химических трансформаций которым он подвергает пищу.
Для нас, как и для всех животных, электрон водорода является источником энергии. Все было бы хорошо, если бы атом водорода был для нас лишь вектором энергии без негативных последствий для нашего организма. На самом деле, мы увидим, что атом водорода отвечает за кислотность организма, которая сопровождает процесс превращения энергии. Благодаря энергии электрона, человеческий организм имеет возможность осуществлять: — синтез простейших молекул (анаболизм белков из аминокислот, например); — производство тепловой энергии для поддержания в организме постоянной температуры; — производство механической энергии для внутреннего использования (работа сердца, легких, желудочно-кишечного тракта..) или внешней (мышечный тонус, физическая активность). Короче говоря, благодаря энергии Солнца, наш организм в состоянии обеспечить сохранность своей структуры и способность действия.
КОЛИЧЕСТВО ЭНЕРГИИ ДЛЯ БЕГА.
В зависимости от физического состояния, в котором она находится, энергия может быть определена в различных единицах измерения. Что касается энергии нашего организма, наиболее часто используют калории как единицу измерения (или килокалории=калория х 1000) и джоули (или килоджоули). Что касается энергии бега, то невозможно прямо измерить количество необходимой для этого действия энергии. Используют различные косвенные методы, такие как: производимое тепло, количество потребляемого кислорода, или уровень кислотности продуцируемый организмом. Данный тип измерения позволяет понять, почему такие единицы как: количество потребляемого кислорода в минуту (l/min), кислорода в минуту на килограмм веса (ml/min/kg) или расход кислорода на километр (ml/km) широко используется для количественной оценки затрат энергии во время бега. Эти методы показали, что до скорости совместимой с поддержанием техники бега, затраты энергии пропорциональны скорости передвижения. Эта связь делает зависимость затрат энергии от пройденного расстояния. На количественном уровне, и только на этом уровне, 1 час бега реализованный на скорости 12 км/ч не отличается по энергетическим затратам от 40 минут бега на скорости 18 км/ч; 1000 метров бега на скорости 20 км/ч равны в энергетических затратах 1000 метрам бега на скорости 12 км/ч. Это замечание имеет прямое отношение к практике. Многие тренеры считают, что работу нужно измерять в общем времени бега, а разность дистанции это следствие усталости. Это не так. Но любом случае, бежим мы со скоростью 12 км/ч или 20 км/ч, наш организм должен питаться.
ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ.
Продукты которые мы едим могут быть разбиты на множество субстратов. Если не считать витамины, минералы и другие микроэлементы, которые не участвуют непосредственно в производстве энергии, пища разлагается в кишечнике на три основные категории: — липиды или жиры; — углеводы или сахар; — белки. Эти субстраты отличаются друг от друга, среди прочего, их энергетическими свойствами. Углеводы и жиры являются двумя привилегированными источниками энергии. Однако, если резервы жира в организме составляют более 70 000 килокалорий (ккал), все углеводы менее 2 000 ккал. Увидев эти цифры, мы понимаем, что основной источник энергии хранится в организме в виде жиров. Но основной источник энергии для дистанций от 100 метров до полумарафона это глюкоза. Почему? Все дело в скорости!
САХАР.
Мы будем употреблять различные термины: сахар, углеводы или гликоген, но употребляя их, мы говорим об одном и том же химическом элементе, все они имеют единую базовую структуру Cn(H2O); углерод +два атома водорода и один кислорода; формально это соединение углерода и воды. Химические превращения. Углеводы присутствуют как в соке растений так и в крови животных. Они играют важную роль в обмене веществ всего живого. После приема внутрь они превращаются в глюкозу. Последний переносится во все клетки. В состоянии покоя, в частности, она попадает в печень и мышцы, где превращается в более сложные молекулы гликогена. Гликоген это на самом деле следствие глюкозы от начала и до конца, поезд состоящий из вагонов-глюкозы. Это основная форма в которой глюкоза хранится в нашем организме. Как только возникнет необходимость, гликоген будет трансформирован в глюкозу. Эта реакция называется гликолиз (glycolyse-LYSE-разрушение).
Регуляция глюкозы. Некоторые органы, такие как мозг например, не могут использовать другие виды энергии кроме глюкозы. Чтобы функционировать они должны постоянно черпать ее из крови. Отсюда и необходимость для организма чтобы уровень глюкозы в крови был постоянен. Это и является целью процесса регулирования субстрата глюкозы. Каждое мгновение организм оценивает уровень глюкозы с эталонным. Если уровень глюкозы выше эталонного – излишки глюкозы преобразовываются в гликоген. Если ниже, организм забирает гликоген и трансформирует его в глюкозу. Несмотря на тонкость отстроенного процесса, падение уровня глюкозы в крови может возникнуть и такое состояние называется ГИПОГЛИКЕМИЯ. Гипогликемия приводит к снижению уровня глюкозы в крови. Она проявляется в виде интенсивной усталости, которая может доходить до потери сознания. Интенсивные физические упражнения могут привести к такой реакции организма. Гликоген и его недостаток.
В 1967 году был проведен эксперимент. В нем принимали участие добровольцы пожарные. Испытуемых просили крутить педали на велотренажере на установленном уровне мощности (77% VO2max) и до изнеможения. В соответствии с их тренированностью, остановка движения происходила быстрее или медленнее: лучшие показали результаты от 1:20 до 1:30. Между началом и окончанием испытания регулярно производился отбор крови и мышц. Что показали исследования? Для всех субъектов, гликоген в квадрицепсах снижался постоянно в ходе упражнения. Истощение наступало тогда, когда все запасы гликогена были исчерпаны. Это исследование было первым убедительным научным доказательством взаимосвязи уровня гликогена в мышцах и усталости во время физического упражнения. На первом графике вы как раз и видите графическое воплощение данного эксперимента.
Синяя кривая эволюция уровня гликогена у тренированных людей, красная кривая у людей ведущих малоподвижный образ жизни. Истощение наступает тогда, когда гликоген в мышцах и печени, а так же уровень глюкозы в крови, достигают своего критического уровня. Скорость, способность к ориентации и концентрации, координация движений спортсмена снижаются. В целом на таком уровне упражнение должно быть либо прекращено или его интенсивность должна быть значительно снижена. Но при этом, запасы гликогена в некоторых мышцах остаются нетронутыми.
Одним из решений было бы пойти и взять эти запасы. К сожалению, резервы в неактивных мышцах не могут быть мобилизованы во время усилия и гликоген который находится в печени так же не может быть использован. Наступление усталости неизбежно. Такой тип усталости называется периферический, в отличии от общей усталости которое происходит от дисбаланса на уровне мозга. Периферической усталости не бывает из-за отсутствия субстратов, кроме крайних случаев (марафон или голод). Наиболее часто гипогликемия имеет природу центральную. Она появляется, когда мозг интерпретирует моментное снижение уровня глюкозы в крови как сигнал опасности, чтобы заставить принять необходимые меры к уменьшению оттока энергии и увеличить ее поступление в форме сахара. Когда происходит резкое снижение уровня глюкозы в крови, даже без падения этого уровня ниже нормы, на уровне центральной нервной системы создаются те же условия, что и при реальной гипогликемии.
Хотя состояние усталости, что она порождает кратковременно, она в состоянии хорошенько объяснить телу через такие «удары», что происходит с организмом в данный момент. Гликоген занимает привилегированное место в способности атлета сопротивляться нагрузке. При средней скорости бега расход гликогена составляет 100 грамм на менее чем 30 минут. Резерв гликогена в мышцах составляет от 9 до 16 грамм на килограмм мышечной массы. Поскольку мышцы составляют около 40% веса тела человека, резерв гликогена в мышцах равен примерно 300 граммам. Это не означает, что мы можем без проблем бежать на запасах гликогена 3-4 раза по 30 минут, так как в мышцах не участвующих в беге гликоген не будет задействован. В самом деле, основная проблема в длительном беге это успешное сохранение запасов гликогена. Чем выше скорость бега, тем более доминирующем становится относительное участие гликогена в нем.
Сверхскорость бега требует сверх затрат гликогена. Если это так, то путь деградации глюкозы имеет очень короткий срок и скорость реализации, чтобы удовлетворить растущий спрос на энергию организма. В ходе тренировок организм учится замещать использование гликогена как источника энергии на жир. Осуществляя бег с той же скоростью тренированный спортсмен использует гликогена меньше чем неофит. Но тем не менее, гликоген имеет большое значение при длительном беге. И учитывая его большую роль в энергетическом процессе исследователи и спортсмены пытались повысить его резервы в организме. Множество методов основано на базе принципа суперкомпенсации. Это серия из циклов полного истощения запасов гликогена и затем его восстановления употребляя продукты с высоким гликемическим индексом (макароны, рис, хлеб…). Такой спортивный и питательный режим могут в пять раз повысить резервы гликогена в мышцах. Если гликоген позволяет бежать быстро, то использование жиров позволяет бежать долго. В следующей части мы затронем жиры и протеины как источник энергии.
ЖИРЫ.
Кроме роли жиров как источника энергии, они еще занимают важное место как базовый материал в мембранах клеток. С другой стороны, они являются отличным изолятором: электрическим, механическим и тепловым. Среди разнообразных жиров, только триглицериды служат настоящей энергией для мышц. В натуральном выражении, они образуют наибольший резервуар энергии в организме.
ХИМИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ.
Первая часть преобразования триглицеридов осуществляется в результате реакции называемой липолиз. Она приводит к образованию одной молекулы глицерина и трех молекул свободных жирных кислот (AGL). Жирные кислоты становятся свободными и транспортируются в крови во все части тела; особенно в мышечные волокна.
Внутри мускул, AGL проникает в «электростанции» клеток: митохондрии. Там они разлагаются в ходе реакции называемой реакцией бета-окисления. Это многошаговый процесс. Он может осуществляться только в присутствии кислорода и как это не парадоксально ТРЕБУЕТ ЭНЕРГИИ. Для того чтобы получить энергию из жирных кислот организму следовательно нужно обеспечить себя энергией и кислородом.
Два важных последствия:
— скорость образования энергии из жиров очень медленная. Вот почему, наибольший резерв энергии в организме является одновременно и самым трудным в использовании;
— реакция деградации жиров в энергию требует кислорода больше чем при деградации глюкозы в энергию. Разница составляет примерно 10 процентов.
Тем не менее, если говорить в абсолютном выражении, то в липидах гораздо больше энергии чем в углеводах. Деградация одной молекулы триглицерида освобождает в 13 раз больше энергии чем молекула глюкозы. Один грамм субстрата липидов дает 9 ккал против 4 ккал у углеводов и протеинов. Несмотря на свою специфичность, разложение углеводов и жиров не являются независимыми. На определенном уровне их деградации, глицерин и триглицериды задействуют гликолиз. Полная трансформация липидов, следовательно, использует частично путь углеводов. Прямым следствием этого является то, что использование липидов требует соответственное ему снижение углеводов.
ЖИРЫ ГОРЯТ В ПЛАМЕНИ УГЛЕВОДОВ.
Если из-за отсутствия углеводов гликолиз замедляется и липолиз замедляется соответственно.
ЖИРЫ И БЕГ.
Доля липидов участвующих в энергетическом процессе зависит от интенсивности и продолжительности усилия. Касательно интенсивности бега, при умеренной скорости бега доля липидов в расход энергии является наибольшей. При беге в «зеленой зоне» (порог быстрой трусцы) вклад липидов может составлять до 90% и 10 % углеводов необходимых для обеспечения конечной стадии окисления жиров.
Касательно продолжительности бега, РАСПАД ЖИРА ПРОИСХОДИТ С ПЕРВЫХ ЖЕ МИНУТ и не перестает расти в ходе всего упражнения. В теории, запасы жира позволяют работать организму практически неограниченное время. Для сравнения, во время марафона количество жира используемое организмом для получения энергии составляет около 300 грамм, тогда как общие запасы жира превышают 10 килограмм! Регулярные тренировки позволяют улучшить и ускорить метаболизм жиров в организме.
ЭФФЕКТ ТРЕНИРОВКИ.
После восьми недель тренировок на выносливость, количество триглицеридов может быть увеличено в 1,8 раза! Способность организма к полному расщеплению липидов увеличивается на 20-30 %. Эти изменения ощущаются на уровне изменений жировой массы организма.
В среднем, доля жира в организме близка к 15% у мужчин и к 20% у женщин. С ростом тренированности средний процент уменьшается и может достичь 5% у мужчин и 10% у женщин. Эта адаптация организма и есть обратная сторона медали. Если тренировки происходят исключительно в умеренно зоне (зеленой зоне) они теряют способность бегать быстро. 6-9 месяцев достаточно чтобы сделать такой вывод. Максимальная частота пульса уменьшается, атлет теряет часть своих анаэробных качеств, он становится неспособным производить лактат; в максимальном соотношении это выражается в 6 mmol/l при прогрессивной нагрузке против 8-14 mmol/l обычно. На практике, такой спортсмен может бежать очень долго, мягко и равномерно, но с другой стороны, он не может бежать быстро, не может менять скорость бега. Он становится «медленным» бегуном.
ПРОТЕИНЫ.
Протеины это кирпичики нашего тела. Элементы на которых основывается наше хрупкое строение. Эти белки состоят из аминокислот. Именно о них мы и будем говорить. Белки предназначены прежде всего как строительный и восстановительный материал организма, но аминокислоты могут так же входить до 10% в покрытие наших энергетических затрат. Для этого они должны пройти ряд изменений.
ТРАНСФОРМАЦИЯ.
Некоторые аминокислоты могут быть преобразованы в глюкозу или трансформированы метаболизмом как пируват или ацетил-соА, ИНТЕГРИРУЯСЬ В ПУТЬ УГЛЕВОДОВ.
Вот мы и снова затронули ЦЕНТРАЛЬНУЮ РОЛЬ КОТОРУЮ ИГРАЮТ УГЛЕВОДЫ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ОРГАНИЗМА.
В ходе этих реакций высвобождается азот. Часть используется для образования новых аминокислот. Другая часть преобразуется в мочевину: метаболит от которого мы избавляемся каждый раз как идем мочиться. Эта трансформация тоже требует энергию. Результатом является то, что использование аминокислот как источника энергии не выгодно. В то время как деградация глюкозы в литре кислорода приносит энергию равную 5,05 kcal, деградация жиров 4,69 kcal, то деградация протеина только 4,46 kcal.
ТРИ АМИНОКИСЛОТЫ И УСТАЛОСТЬ.
Существует 20 различных аминокислот. Из 20 только 3 играют важную роль для мышц: валин, лейцин и изолейцин. Это разветвленные аминокислоты (aar). Эти аминокислоты участвуют в энергетическом обмене. И хоть их вклад в энергетический обмен небольшой, их влияние является более тонким. Поясним! Триптофан это аминокислота используется мозгом в качестве исходного материала для синтеза серотонина (5-hydroxytryptamine или 5HT). Серотонин это нейротрансмиттер мозга оказывающий тормозящий эффект. Понижение его уровня вызывает: состояние усталость, затормаживает мышечные реакции, вызывает раздражение и агрессию.
При снижении серотонина повышается чувствительность болевой системы организма. Соответственно повышение уровня серотонина вызывает обратную реакцию. Серотонин облегчает двигательную активность. Серотонин так же является предшественником мелотонина-гормона регулятора суточных ритмов . Триптофан и аминокислоты доставляются в мозг одним и тем же переносчиком. Иначе говоря, на пути в мозг они конкурируют друг с другом. В то время как концентрация аминокислот в крови повышается, триптофан находится в тяжелой конкуренции. Уровень серотонина не имея более достаточно источника начинает падать.
Человек чувствует себя уставшим; он становится менее активным. Этот механизм объясняет почему мы устаем, а после сна имеем больше сил. Потребление напитков богатых разветвленными аминокислотами должно оказывать восстанавливающий эффект на организм спортсмена. Но будьте осторожны, избыток потребления аминокислот не безвреден.
ТРАНСФОРМАЦИЯ ЭНЕРГИИ.
Во вселенной энергия существует в разных формах, более или менее организованных и концентрированных. Как мы уже отметили, энергия способна переходить из одной формы в другую.
Если в процесс преобразования не вмешиваются никакие внешние механизмы, изменения энергии происходит только от формы более концентрированной в форму менее концентрированную. Это процесс происходит в полном соответствии со вторым законом термодинамики, который определяет направление термодинамических процессов.
Все во Вселенной подчинено законам термодинамики и наш организм тоже.
Энергетические связи которые происходят в наших клетках можно сравнить с даром который один человек делает другому. Но и на этом «рынке благотворительности» действуют свои правила:
— передача энергии может происходить свободно только от того кто обладает большей энергией к тому кто обладает меньшей энергией;
— этот дар предполагает быть достаточным большим чтобы заполнить резервуар полностью.
Тот кто принимает энергию никогда не согласится на жертву если она меньше, чем то, что ему необходимо; — если дар больше чем то, что принимающий может принять, излишек переливается через край. Если этот излишек в свою очередь достаточно большой, он повторно используется АТФ. В противном случае, улетучивается в форме тепла.
В среднем, 40% энергии субстратов используется организмом для анаболизма (производства и восстановления клеток) и движения; остальная энергия или 60% рассеивается в виде тепла.
Наконец, все химические преобразования высвобождают понемногу энергию содержащуюся в пищевых продуктах. Мы можем спросить себя, почему все так происходит? Почему мы нерационально используем энергию или почему мы не ищем например источники энергии более концентрированные?
Да просто потому, что МЫ ОЧЕНЬ ХРУПКИЕ.
Маленький костер нас согревает в то время как большое пламя нас просто сожжет! Например, излучение ядерной энергии дает нам представление, что происходит когда наш организм встречает источник энергии слишком большой для себя. Для информации, например, распад нейтрона урана-235 дает энергии в миллион раз больше чем самая энергетическая химическая реакция.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ДОЛГ НАШЕГО ОРГАНИЗМА ОПЛАЧИВАЕТСЯ МЕЛКОЙ МОНЕТОЙ ЭЛЕКТРОНОВ. И в этом принцип функционирования всего живого.
ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ.
Рассмотрим реакцию, которая превращает А в Б, благодаря вмешательству фермента С (ферменты это соединения позволяющие возможность осуществления такой реакции без того что быть модифицированными ею) Мы видим, что динамика этой реакции определяется количеством присутствующих субстратов.
Могут быть представлены несколько конфигураций:
— энзимы, ферменты С (это белковые молекулы которые будут ускорять химические реакции в живых клетках ) представлены на начало реакции в большом количестве;
— начальный продукт А начинает в большом количестве поступать и он так же ускоряет реакцию. Его трансформация в Б активирована;
— накапливается конечный продукт Б Динамика его накопления имеет отрицательную обратную связь.
Накопление сигнализирует, что следует замедлить темп реакции. Процесс торможения реакции контролируется посредством обратной связи. Иногда говорят, петлей отрицательной обратной связи. Эти петли находятся на всех этажах процесса жизнедеятельности. Иногда регулирование происходит за счет двух процессов антагонистов которые не связаны друг с другом.
Слова скучны и мало понятны, но общая и основная задача всех этих процессов это достигнуть баланса в определенный момент. Возможны колебания, отклонения, но рано или поздно все достигнет состояния равновесия. Без этой способности стабилизации через самоограничение клетки нашего организма походили бы на раковые клетки, вместо развития происходил бы процесс самоистребления. Самоограничение находит себя и в беге.
В зависимости от характеристик структур субстратов- жиров, протеинов, углеводов- они проходят больше или меньше трансформаций прежде чем окончательно преобразоваться в энергию используемую мышцами. Все эти химические реакции требуют времени. Мы можем обобщить, сказав, что чем сложнее этап трансформации тем больше времени он требует. Более того, это время может быть еще более длительным если необходимые для реакции компоненты не находятся в нужном месте.
ЭТИ ДВЕ ОСОБЕННОСТИ ОБЪЯСНЯЮТ МЕДЛЕННУЮ ДЕГРАДАЦИЮ ЛИПИДОВ, например. Деградация субстратов с воздухом (аэробная) требует больше времени, чем анаэробная, так как необходимо время чтобы еще доставить к месту реакции кислород необходимый для распада жиров.
