ФИЗИЧЕСКИЕ УПРАЖНЕНИЯ : Биология и биохимия клетки, Нервно-мышечный аппарат и Эндокринная система

БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
Клетка — основная структурная единица всех живых организмов, элементарная живая целостная система, которая обладает рядом свойств: воспроизведение, синтез (анаболизм), катаболизм, производство энергии, поглощение, выделение, специфические функции.

Она представляет собой протоплазму, окруженную мембраной. В протоплазме расположено ядро, в котором содержится гены (наследственная информация) в виде молекул ДНК. В протоплазме имеются следующие структурные образования, их еще называют органеллами или органоидами:

— рибосомы (полирибосомы) — с помощью РНК производится строительство белка, иными словами, разворачиваются анаболические процессы;

— митохондрии — энергетические станции клетки, в них с помощью кислорода идет превращение жиров или глюкозы в углекислый газ (СО2), воду и энергию, заключенную в молекулах АТФ;

— эндоплазматическая сеть — или саркоплазматический ретикулум является органеллой, состоящей из мембран и ферментативных систем, прикрепленных к ней;

— комплекс Гольджи — система мембран, образующих совокупность мешочков и пузырьков, служит для синтеза и выделения веществ из клетки;

— лизосомы — органеллы в форме пузырьков, содержат ферменты, разрушающие белки до простейших составляющих аминокислот, эти органеллы еще называют пищеварительным аппаратом клетки;

— глобулы гликогена — источник углеводов в клетке;

— капельки жира — источник жиров в клетке;

— специализированные органеллы — структурные компоненты клетки, присущие определенным видам клеток, например, миофибриллы мышечным волокнам.

В клетке разрешается главное противоречие — основа жизнедеятельности, динамическое равновесие между процессами анаболизма и катаболизма.
Анаболизм связан с функционированием наследственного аппарата клетки, который управляет синтезем новых органелл, а лизосомы отвечают за катаболизм — разрушение органелл клетки, который существенно усиливается при повышении концентрации ионов водорода в цитоплазме.

Важно заметить, что все процессы анаболизма предопределяются стероидными гормонами. Они соединяются с рецепторами на мембранах клетки, образуют ансамбль «гормон-рецептор», который проникает в ядро и вызывает транскрипцию (расшифровку и считывание) наследственной информации. Так происходит управление анаболизмом. Катаболизм в клетке связан с активностью лизосом, лизосомы усиливают активность с ростом концентрации ионов водорода.

В ходе физических упражнений образуется молочная кислота, именно она является ускорителем катаболизма в клетках. Лактатный механизм энергообеспечения связан с накоплением молочной кислоты, а значит с потерей мощности функционирования закисленных мышечных волокон.

ВИТАМИНЫ
Водорастворимые витамины: тиамин, рибофлавин, витамин В1, В6, никотин, пантотеновая кислота, биотин и витамин С участвуют в митохондриальном энергетическом метаболизме. Фолиолевая кислота и В-12 участвуют в синтезе ДНК и формировании костного мозга, продукции красных кровяных клеток (эритроцитов). Витамин В-12 также участвует в митохондриальном метаболизме.

Жирорастворимые витамины А, Д, К, Е выполняют важные антиоксидантные функции. Защищают мышечную ткань от чрезмерного разрушения при накоплении больших концентраций молочной кислоты [van Erp-Baart et al., 1989].

НЕРВНО-МЫШЕЧНЫЙ АППАРАТ
Человек выполняет физические упражнения и тратит энергию с помощью нервно мышечного аппарата.

Опорно-двигательный аппарат — исполнительный аппарат управленческих команд центральной нервной системы.
Двигательная программа реализуется в виде последовательной активности двигательных нейронов в двигательной зоне коры головного мозга. Каждый активный двигательный нейрон активирует свой мотонейронный пул в спинном мозге, который связан с двигательными единицами конкретной мышцы.

Нервно-мышечный аппарат — это совокупность двигательных единиц. Каждая ДЕ включает мотонейрон, аксон и совокупность мышечных волокон. Количество ДЕ остается неизменным у человека (Физиология человека, 1998). Количество МВ(мышечных волокон) в мышце возможно и поддается изменению в ходе тренировки, однако, не более чем на 5 % (Хоппелер, 1987). Поэтому этот фактор роста функциональных возможностей мышцы не имеет практического значения. Внутри МВ происходит гиперплазия (рост количества элементов) многих органелл: миофибрилл, митохондрий, саркоплазматического ретикулума (СПР), глобул гликогена, миоглобина, рибосом, ДНК и др. Изменяется также количество капилляров, обслуживающих МВ (Физиология мышечной деятельности, 1982).

Миофибрилла является специализированной органеллой мышечного волокна (клетки). Увеличение количества миофибрилл в мышечном волокне приводит к увеличению его силы, скорости сокращения и размера. Вместе с ростом миофибрилл происходит разрастание и других обслуживающих миофибриллы органелл, например, саркоплазматического ретикулума.

Саркоплазматический ретикулум — это сеть внутренних мембран, которая образует пузырьки, канальцы, цистерны. В МВ СПР образует цистерны, в этих цистернах скапли-ваются ионы кальция (Са).

Каждую скелетную мышцу можно условно разделить, например, на три части:

— регулярно активируемые — те мышечные волокна, которые активируются в повседневной жизни (ОМВ);

— обычно активируемые только в условиях тренировок, при средних напряжениях мышц (ПМВ);

— редко активируемые — включаются в работу только при выполнении максимальных усилий, например, при выполнении прыжков, спринта (ГМВ).

Мышечные волокна, которые регулярно рекрутируются (ОМВ) с предельной для них частотой импульсации, имеют максимальную степень аэробной подготовленности.

Мышца состоит из мышечных волокон — клеток. Для увеличения силы тяги МВ необходимо добиться гиперплазии (увеличения) миофибрилл. Этот процесс возникает при ускорении синтеза и при прежних темпах распада белка. Исследования последних лет позволили выявить четыре основных фактора, определяющих ускоренный синтез белка в клетке:

1. Запас аминокислот в клетке. (Аминокислоты в клетке накапливаются после потребления пищи богатой белками.)

2. Повышенная концентрация анаболических гормонов в крови как результат психического напряжения (Holloszy et al., 1971; Schants, 1986).

3. Повышенная концентрация «свободного» креатина в МВ (Walker, 1979).

4. Повышенная концентрация ионов водорода (Панин Л. Е., 1983).

Второй, третий и четвертый факторы прямо связаны с содержанием тренировочных упражнений.

БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ(энергетика)
Процессы мышечного сокращения, передачи нервного импульса, синтеза белка и др. идут с затратами энергии. В клетках энергия используется только в виде АТФ.

Существуют два основных пути образования АТФ: анаэробный и аэробный (Аулик И. В., 1990; Хочачка П., Сомеро Дж., 1988 и др.).

Анаэробный путь или анаэробный гликолиз связан с ферментативными системами, расположенными на мембране сарко-плазматического ретикулума и в саркоплазме.

Аэробный путь, или окислительное фосфорилирование, связан с митохондриальной системой.

Для синтеза АТФ имеется два метаболических пути:
1) аэробный гликолиз;
2) окисление липидов (жиров).
Аэробные процессы связаны с поглощением ионов водорода.

ЭНДОКРИННАЯ СИСТЕМА
Эндокринная система состоит из желез внутренней секреции: гипофиза, щитовидной, околощитовидных, поджелудочной, надпочечников, половых. Эти железы выделяют гормоны — регуляторы обмена веществ, роста и полового развития организма.

Регуляция выделения гормонов осуществляется нервно-гуморальным путем. Изменение состояния физиологических процессов достигается посылкой нервных импульсов из ЦНС (ядер гипоталамуса) к некоторым железам (гипофизу). Выделяемые передней долей гипофиза гормоны регулируют деятельность других желез — щитовидной, половых, надпочечников.

Принято различать симпатоадреналовую, гипофизарно адренокортикальную, гипофизарно половую системы.

Симпатоадреналовая система ответственна за мобилизацию энергетических ресурсов. Адреналин и норадреналин образуются в мозговом веществе надпочечников и вместе с норадреналином, выделяющимся из нервных окончаний симпатической нервной системы, действует через систему «аденилатциклаза циклический аденозинмонофосфат (цАМФ)». Для необходимого накопления цАМФ в клетке требуется ингибировать цАМФ фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий расщепление цАМФ. Ингибирование осуществляется глюкокортикоидами (инсулин противодействует этому эффекту).

Система «аденилатциклаза-цАМФ» действует следующим образом. Гормон током крови подходит к клетке, на наружной поверхности клеточной мембраны которой имеются рецепторы. Взаимодействие гормон рецептор приводит к конформации рецептора, т. е. активации каталитического компонента аденилатциклазного комплекса. Далее из АТФ начинает образовываться цАМФ, который участвует в регуляции метаболизма (расщеплении гликогена, активизации фосфофруктокиназы в мышцах, липолиза в жировых тканях), клеточной дифференциации, синтезе белков, мышечного сокращения (Виру А. А., 1981).

Гипофизарно-адренокортикальная система включает нервные структуры (гипоталамус, ретикулярную формацию и миндалевидный комплекс), кровоснабжение и надпочечники. В состоянии стресса усиливается выход кортиколиберина из гипоталамуса в кровоток. Это вызывает усиление секреции адренокортикотропного гормона (АКТГ), который током крови переносится в надпочечники. Нервная регуляция воздействует на гипофиз и приводит к секреции либеринов и статинов, а они регулируют секрецию тропных гормонов аденогипофиза АКТГ.

Механизм действия глюкокортикоидов на синтез ферментов может быть представлен следующим образом (по А. Виру, 1981).

1. Кортизол, кортикостерон, кортикотропин, кортиколиберин проходят через клеточную мембрану (процесс диффузии).

2. В клетке гормон (Г) соединяется со специфическим белком — рецептором (Р), образуется комплекс Г-Р.

3. Комплекс Г-Р перемещается в ядро клетки (через 15 мин.) и связывается с хроматином (ДНК).

4. Стимулируется активность структурного гена, усиливается транскрипция информационной РНК (и-РНК).

5. Образование и РНК стимулирует синтез других видов РНК. Непосредственное действие глюкокортикоидов на аппарат трансляции состоит из двух этапов: 1) освобож-дения рибосом из эндоплазматической сети и усиления агрегации рибосом (наступает через 60 мин.); 2) трансляции информации, т. е. синтеза ферментов (в печени, в железах внутренней секреции, скелетных мышцах).

После выполнения своей роли в ядре клетки Г отцепляется от рецептора (время полураспада комплекса — около 13 мин.), выходит из клетки в неизменном виде.

На мембранах органов мишеней имеются специальные рецепторы, благодаря которым осуществляется транспорт гормонов в клетку. Клетки печени имеют особенно много таких рецепторов, поэтому глюкокортикоиды в них интенсивно накапливаются и метаболизируются. Время полужизни большинства гормонов составляет 20—200 мин.

Гипофизарно щитовидная система имеет гуморальные и нервные взаимосвязи. Предполагается ее синхронное функционирование с гипофизарно адренокортикальной системой. Гормоны щитовидной железы (тироксин, трийодтиронин, тиротропонин) положительно сказываются на процессах восстановления после выполнения физических упражнений.

Гипофизарно половая система включает гипофиз, кору надпочечников, половые железы. Взаимосвязь между ними осуществляется нервным и гуморальным путем. Мужские половые гормоны андрогены (стероидные гормоны), женские эстрогены. У мужчин биосинтез андрогенов осуществляется в основном в клетках Лейдига (интерстициальных) семенников (главным образом тестостерон). В женском организме стероиды образуются в надпочечниках и яичниках, а также коже. Суточная продукция у мужчин составляет 4-7 мг, у женщин — в 10—30 раз меньше. Органы мишени андрогенов — предстательная железа, семенные пузырьки, семенники, придатки, скелетные мышцы, миокард и др.

Этапы действия тестостерона на клетки органов-мишеней следующие:
— тестостерон превращается в более активное соединение 5-альфа-дегидротестостерон;
— образуется комплекс Г-Р;
— комплекс активизируется в форму, проникающую в ядро;
— происходит взаимодействие с акцепторными участками хроматина ядра (ДНК);
— усиливается матричная активность ДНК и синтез различных видов РНК;
— активизируется биогенез рибо- и полисом и синтез белков, в том числе андрогенозависимых ферментов;
— увеличивается синтез ДНК и активизируется клеточное деление.

Важно заметить, что для тестостерона участие в синтезе белка необратимо, гормон полностью метаболизируется.

Гормоны, попадающие в кровь, подвергаются катаболизму (элиминации, разрушению) преимущественно в печени, причем некоторые гормоны при росте мощности интенсивность метаболизма, в частности глюкокортикоидов, возрастает.

Основой повышения тренированности эндокринной системы являются структурные приспособительные перестройки в железах. Известно, что тренировка приводит к росту массы надпочечников, гипофиза, щитовидной железы, половых желез (через 125 дней детренировки все возвращается к норме, Виру А. А., 1977). Отмечено, что увеличение массы надпочечников сочетается с повышением содержания ДНК, т. е. интенсифицируется митоз растет количество клеток. Изменение массы железы связано с двумя процессами синтеза и деградации. Синтез железы прямо пропорционально зависит от ее массы и обратно пропорционально — от концентрации гормонов в железе. Скорость деградации увеличивается с ростом массы железы и механической мощности, уменьшается — с повышением концентрации анаболических гормонов в крови.


МЕТОДЫ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
Физическая подготовка в любом виде спорта направлена на изменение строения мышц. В мышцах нужно увеличить количество миофибрилл и митохондрий в окислительных промежуточных и гликолитических мышечных волокнах.

Методы, используемые в физической подготовке, можно разделить на группы:

а) Силовая тренировка, используются упражнения с существенным сопротивлением, в медленном темпе. В ходе силовых упражнений необходимо добиться исчерпания запасов креатинфосфата, накопления оптимальной концентрации ионов водорода (закисления), напряжение в ходе упражнения должно вызвать стресс и активное выделение стероидных гормонов в кровь из гипофиза и других желез.

б) Аэробная тренировка, используются упражнения с различной мощностью и формой, но все они должны выполняться без существенного закисления и с постоянным включением в работу высокопороговых двигательных единиц (всех или части из них), которые иннервируют мышечные волокна с малой концентрацией митохондрий (не тренированных).

Гибкость как подвижность в суставах регулярно совершенствуется в разминках, перед каждой тренировкой.