III. Аэробный и анаэробный пути добычи энергии

Курсовая работа по предмету «Физиология»

на тему:

«Адаптация к условиям высокогорья»

I. Введение

 

Когда город Мехико был избран столицей летних Олимпийских Игр 1968 года, то для всего мира стало очевидно - столкновение с высокогорьем и его влиянием на спортивную форму неизбежно. Результаты показали, что почти все призёры на дистанциях 1500м и длиннее были родом с высокогорья или, в крайнем случае, жили и тренировались на высокогорье. Американцы, наблюдавшие финал на 1500м, были просто потрясены манерой бега кенийца Кипа Кейно и то, как он убежал от Джима Райна, бесспорно лучшего бегуна на одну милю того времени. Позднее Райн признался, что он никогда не испытывал такой боли в области груди, какую он почувствовал в тот день, отдавая последние силы на финише. Кип Кейно родился и вырос на высоте более чем 2100 метров над уровнем моря. Джим Райн из центральной части Америки - штата Канзас, где высота менее чем 300 метров над уровнем моря. Мехико находится на высоте более чем 2100 метров. Не надо быть семь пядей во лбу, чтобы понять, кто из участников соревнований лучше адаптировался к условиям Мехико в 1968 году.

Чем выше над уровнем моря, тем меньше кислорода поступает в организм. Согласно исследования Тима Ноакеса, автора «Практики бега» максимальное потребление кислорода на каждые 1000 метров свыше 1200 метров над уровнем моря снижается на 10 процентов. Альпинисты при восхождении на Эверест часто преодолевают последние 400 метров порядка 5 часов, испытывая при этом колоссальную нагрузку. И это при том, что они используют специальное кислородное оборудование! Эффект пребывания на высоте и его влияние на возможности человеческого организма понять трудно. Существует два существенных различия в тренировке на высоте, применяемые ультрамарафонцами: первое - это адаптация к высоте, второе - тренировки на высоте с целью улучшения результатов после спуска на равнину. Основная цель этой курсовой- понять, какая польза от тренировок на высокогорье и как это связано с результатами на равнине. Так как бег на длинные дистанции в основном подразумевает аэробную нагрузку, то потребность в кислороде выходит для бегуна на первое место. Понижение уровня содержание кислорода может привести к состоянию, которое называется гипоксией. Отсюда вытекает вопрос: каким образом спортсмен может адаптироваться к пониженному уровню содержания кислорода? Как организм адаптируется к условиям высокогорья и каково влияние гипоксии на начальных этапах тренировки на высоте?

 

II. Гипоксия

адаптация высокогорье гипоксия

Начнем с определения. Гипоксия - кислородная недостаточность - состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления. Компенсаторной реакцией организма является увеличение уровня гемоглобина в крови. Пусковой механизм развития гипоксии связан с гипоксемией - снижением содержания кислорода в артериальной крови.

Здоровый организм может оказаться в состоянии гипоксии, если потребность в кислороде (кислородный запрос) выше, чем возможность ее удовлетворить. Наиболее распространенными причинами возникновения такого состояния являются: низкое содержание кислорода во вдыхаемом воздухе в условиях высокогорья; временное прекращение или ослабление легочной вентиляции при нырянии на различную глубину; возрастание потребности в кислороде при выполнении мышечной работы.

В первых двух ситуациях при сохраненной или даже сниженной потребности в кислороде уменьшается возможность его получения, тогда как при выполнении мышечной работы возможности обеспечения кислородом отстают от растущей потребности, связанной с повышенным расходом энергии.

Кислород необходим для процессов окислительного фосфорилирования, то есть для синтеза АТФ, и его дефицит нарушает протекание всех процессов в организме, зависящих от энергии АТФ: работу мембранных насосов, транспортирующих ионы против градиента, синтез медиаторов и высокомолекулярных соединений - ферментов, рецепторов для гормонов и медиаторов. Если это происходит в клетках центральной нервной системы, нормальное протекание процессов возбуждения и передачи нервного импульса становится невозможным и начинаются сбои в нервной регуляции функций организма.

Нехватка кислорода стимулирует использование организмом дополнительных, анаэробных источников энергии - расщепления гликогена до молочной кислоты. Выход энергии АТФ при этом мал. Кроме того, возникают неприятности в виде закисления внутренней среды организма молочной кислотой и другими недоокисленными метаболитами. Сдвиг pH еще более ухудшает условия деятельности высокомолекулярных структур, способных функционировать в узком диапазоне pH и быстро теряющих активность при увеличении концентрации H⁺-ионов.

Пребывание на высоте, выполнение физической работы, ныряние на различную глубину - нормальный элемент существования многих высших организмов, что свидетельствует о возможности адаптации к возникающим в этих случаях гипоксическим состояниям.

 

III. Аэробный и анаэробный пути добычи энергии

 

Ещё 600 млн. лет назад кислорода на Земле практически не существовало. Организмы получали энергию с помощью расщепления глюкозы путём так называемого гликолиза. Но этот бескислородный (анаэробный) путь добычи энергии слишком неэффективен. Примерно 400 млн. лет назад, благодаря появлению фотосинтеза, в атмосфере Земли уже около 2% кислорода. Организмы постепенно переходят на добычу энергии при помощи расщепления глюкозы кислородом - это так называемое окислительное фосфорилирование (аэробный путь). Этот механизм у большинства животных и человека становится основным. На него приходится около 90% всей получаемой организмом энергии, на гликолиз около 10%. Вместе с тем, древний способ получения энергии - анаэробный гликолиз - сохраняется как резервный и при определенных условиях (при тренировке) активизируется.

Сегодня в атмосфере уже 21% кислорода. Как видим - это гораздо больше, чем было на заре становления Жизни. Некоторые специалисты считают, что для нормальной работы организма хватило бы и трети этого количества.

Примечательно, что развитие организма повторяет основные стадии развития Жизни. Оплодотворенная яйцеклетка в первые дни находится почти в бескислородной среде - кислород для нее просто губителен. И только по мере имплантации и формирования плацентарного кровообращения постепенно начинает осуществляться аэробный способ производства энергии.

Минимальные потребности в глюкозе (главный путь утилизации глюкозы) имеют все ткани, но у некоторых из них (например, тканей мозга, эритроцитов) эти потребности весьма значительны. Гликолиз протекает во всех клетках. Это уникальный путь, поскольку он может использовать кислород, если последний доступен (аэробные условия), но может протекать и в отсутствие кислорода (анаэробные условия).

Уже на ранних этапах изучения метаболизма углеводов было установлено, что процесс брожения в дрожжах во многом сходен с распадом гликогена в мышце. Исследования гликолитического пути проводили именно на этих двух системах.

При изучении биохимических изменений в ходе мышечного сокращения было установлено, что при функционировании мышцы в анаэробной (бескислородной) среде происходит исчезновение гликогена и появление пирувата и лактата в качестве главных конечных продуктов. Если затем обеспечить поступление кислорода, наблюдается "аэробное восстановление": образуется гликоген, и исчезают пируват и лактат. При работе мышцы в аэробных условиях накопления лактата не происходит, а пируват окисляется далее, превращаясь в CO₂, и H₂O. В анаэробных условиях реокисление НАД·H₂ путем переноса восстановительных эквивалентов на дыхательную цепь и далее на кислород происходить не может. Поэтому НАД·H₂ восстанавливает пируват в лактат. Реокисление НАД·H₂ путем образования лактата обеспечивает возможность протекания гликолиза в отсутствие кислорода, поскольку поставляется кофермент НАД необходимый для глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназной реакции. Таким образом, в тканях, функционирующих в условиях гипоксии, наблюдается образование лактата. Это в особенности справедливо в отношении скелетной мышцы, интенсивность работы которой в определенных пределах не зависит от поступления кислорода. Образующийся лактат может быть обнаружен в тканях, крови и моче. Гликолиз в эритроцитах даже в аэробных условиях всегда завершается образованием лактата, поскольку в этих клетках отсутствуют митохондрии, содержащие ферментные системы аэробного окисления пирувата. Эритроциты млекопитающих уникальны в том отношении, что около 90% их потребностей, в энергии обеспечивается гликолизом. Помимо скелетной мышцы и эритроцитов ряд других тканей (мозг, желудочно-кишечный тракт, мозговой слой почек, сетчатка и кожа) в норме частично используют энергию гликолиза и образуют молочную кислоту. Печень, почки и сердце обычно утилизируют лактат, но в условиях гипоксии образуют его.