2.3. Биохимия скоростно-силовых качеств

Тренировочные занятия, направленные на развитие силы, мощности или скорости, оказывает незначительное влияние (или не оказывает вообще) на аэробные возможности и вызывают относительно небольшие адаптационные изменения в сердечно-сосудистой системе. Это находится в соответствии с принципом специфичности спортивной тренировки. Относительно кратковременные физические нагрузки с отягощениями либо спринт, которые требуют проявления высокого уровня анаэробного метаболизма, вызывают специфические изменения в немедленной (АТФ и КФ) и короткоотставленной (гликолиз) системах энергообеспечения, улучшают спринтерские способности. К гликолизу относится увеличение максимальной мощности мышечных сокращений, количества производимой за короткий промежуток времени интенсивной работы, а также увеличение продолжительности выполнения высокоинтенсивных физических упражнений (скоростной выносливости).

Один из существенных моментов, определяющих мышечную силу, – режим работы мышц:

– преодолевающий режим работы – при преодолении внешнего сопротивления мышцы сокращаются и укорачиваются;

– уступающий режим – мышцы при напряжении удлиняются;

– статический (изометрический).

Преодолевающий и уступающий режимы объединяются понятием динамического режима. Вместе с тем очень часто возникает ситуация, когда человеку приходится проявлять силу без изменения длины мышц. Такой режим их работы называется изометрическим или статическим. Наибольшую силу мышцы проявляют в статическом режиме, хотя в целом для организма этот режим оказывается самым неблагоприятным.

Сила, развиваемая мышцей, в основном зависит:

1) от ее физиологического поперечника;

2) активирующего влияния со стороны ЦНС;

3) соотношения в ней двух основных типов волокон: сильных и быстрых – белых (тип II), выносливых и медленных – красных (тип I);

4) от внешних биомеханических условий (например, от показателей телосложения, индивидуальных особенностей техники выполнения упражнений), а также от некоторых других внешних и внутренних особенностей.

Анаэробные возможности можно оценить непрямым стендовым способом. Определяется величина кислородного долга после бега на «бегущей дорожке» до отказа. Спринтерская тренировка способствует увеличению анаэробных возможностей. Кратковременная высокоинтенсивная тренировка оказывает незначительное влияние (или совсем не оказывает влияния) на композиционный состав мышечных волокон.

Исследования мышц спортсменов, занимавшихся силовыми видами спорта, показало, что мышечных волокон у них было не больше, чем у нетренированных лиц.

Анализ мышечных биоптатов, полученных до и после тренировки с отягощениями, которая способствовала увеличению мышечной силы, показал увеличение внутримышечной концентрации АТФ, КФ и гликогена. Показатели концентраций в мышечных образцах отражают относительное их увеличение в волокнах типа II. Согласно имеющимся данным, эти волокна в состоянии покоя имеют более высокие концентрации фосфагена и гликогена по сравнению с волокнами типа I. После такого типа тренировки запасы мышечного гликогена повышались, что не удивительно, поскольку гликоген служит важным энергетическим источником, используемым при повторных выполнениях спринтерских упражнений.

В случае, когда в результате спринтерской тренировки беговые спринтерские возможности улучшались, это сопровождалось увеличением обращаемости АТФ благодаря повышению вклада анаэробного гликолиза в энергообеспечение. Количество и активность ферментов, задействованных в гликолитическом пути (например, фосфофруктокиназа), постоянно проявляют тенденцию к возрастанию под влиянием как спринтерской, так и силовой тренировки с наиболее выраженными изменениями в волокнах типа II. Однако степень этих изменений не столь велика, как в отношении окислительных ферментов при аэробной тренировке, направленной на развитие выносливости. Активность ЛДГ у тяжелоатлетов высокой квалификации в волокнах типа II была на 62 %, а в волокнах типа I – на 50 % выше по сравнению с мужчинами, ведущими малоподвижный образ жизни (Р. Мохан, 2001).

Различий в миокиназной активности в волокнах типа I между тяжелоатлетами и испытуемыми контрольной группы отмечено не было, тогда как в волокнах типа II у первых она оказалась на 40 % выше.

В отношении изменений, касающихся аэробных (митохондриальных) ферментов, отмечается значительная гипертрофия волокон, в которых происходит снижение активности окислительных энзимов и цитохромов, связанное с увеличением площади поперечного сечения мышечных клеток (преимущественно волокон типа II), без адаптивного повышения количества митохондрий. У тренирующихся в видах спорта, требующих проявления силовых возможностей, количество капилляров может оставаться неизменным за счет большей их поверхности, которая обусловливает снижение капиллярной плотности, приходящейся на единицу площади сечения.

Под влиянием тренировочных занятий анаэробной направленности при выполнении физических упражнений максимальной интенсивности концентрация лактата в крови достигает более высоких значений с более высоким содержанием внутримышечного гликогена и ферментов гликолиза. Напряженная тренировка требует значительной мотивации и толерантности к болевым ощущениям, возникающим в результате метаболического ацидоза из-за повышения уровня лактата в крови.

Повышение способности мышц к буферированию протонов, накапливающихся в связи с накоплением лактата, имеет немаловажное значение. Волокна типа II характеризуются высокими буферными возможностями, поэтому их увеличение по сравнению с волокнами типа I указывает на повышение этой способности. Значительное увеличение в мышцах физико-химического буферирования после выполнения тренировочных программ (если буферная способность рассчитывается на основании показателей рН и содержания лактата), определяемое после физической нагрузки, под влиянием спринтерской тренировки возрастает.

Повышение мышечной силы в течение первых нескольких недель тренировочных занятий, направленных на развитие силовых возможностей, способствует нейтральному «растормаживанию», приводящему к полной активации двигательных единиц и мышечных групп. Первоначальный быстрый прирост силы, отмечаемый на первых этапах тренировочного процесса, оказывается не связанным с увеличением размеров мышц и площади их физиологического поперечника.

Более продолжительная и напряженная тренировочная программа, направленная на развитие силовых возможностей, приводит к гипертрофии мышц и дальнейшему приросту их силы. Последний эффект весьма важен, поскольку в работающих мышцах он способствует снижению доли проявления их максимальной сократительной активности при физической нагрузке. Увеличение мышечной массы означает, что большее количество мышечной ткани задействовано в выполнении работы, в результате которой повышаются предельная мощность и общая энергопродукция анаэробных систем.

Метаболические изменения, происходящие в организме под влиянием аэробной тренировки, направленной на развитие выносливости, достаточно широко изучены в лабораторных условиях. Следует учитывать, что эти эффекты специфичны для мышц, задействованных в реализации тренировочной программы, особенно для отдельных типов мышечных волокон, рекрутированных в выполнение физических упражнений.

Вполне очевидно, что очень высокоинтенсивные тренировочные занятия требуют активации волокон типа IIб.

Адаптация мышц к силовой тренировке происходит при следующих изменениях:

Гипертрофия мышечных волокон.

Увеличение площади анатомического поперечника.

Повышение содержания КФ и гликогена.

Повышение гликолитической способности.

Улучшение буферных свойств мышц.

Снижение (оптимальное) митохондриальной плотности.

Повышение способности к выполнению физических упражнений высокой интенсивности.

2.4. Биохимия выносливости

Значительные тренировочные воздействия, включающие выполнение физических упражнений на уровне 50–80 % максимального потребления кислорода (VO₂max) в течение длительного периода, несколько раз в неделю, вызывают в организме адаптационные изменения, улучшающие функциональные возможности, связанные с доставкой кислорода, его поступлением в ткани и утилизацией.

Возможность поддерживать выполнение пролонгированных физических упражнений зависит от соответствия скорости утилизации АТФ скорости его ресинтеза в активных мышечных волокнах. Отсутствие такого соответствия приводит к развитию утомления, скорость утилизации АТФ начинает снижаться, и, следовательно, снижается и мощность выполняемой работы.

Во время любого физического упражнения, продолжающегося больше нескольких минут, основным путем ресинтеза АТФ является окислительное фосфорилирование в митохондриях, утилизирующих в качестве энергетического топлива углеводы и липиды.

Адаптация мышц к тренировке, направленной на развитие выносливости, включает следующие позиции:

– избирательную гипертрофию волокон I типа;

– увеличение количества капилляров, приходящихся на одно волокно;

– увеличение содержания миоглобина;

– повышение способности митохондрий к окислительному ресинтезу АТФ;

– увеличение размеров и количества митохондрий;

– повышение способности к окислению липидов и углеводов;

– увеличение использования липидов как энергетического топлива;

– увеличение содержания гликогена и триглицеридов.

Адаптация требует адекватного обеспечения кислородом, доставляемым кровью, и наличия определенного количества энергетических источников. Последние могут извлекаться из запасов, которые находятся в самих мышечных волокнах (гликоген и триглицериды), а также из циркулирующей крови (глюкоза и свободные жирные кислоты). Нарушение ресинтеза АТФ может произойти в случае, когда истощаются запасы внутримышечных энергетических источников или когда падение эффективности кровоснабжения мышц приводит к снижению доставки к ним энергетических субстратов и кислорода. Систематическое выполнение физических упражнений, направленных на развитие выносливости, вызывает мышечную и сердечно-сосудистую адаптацию, которая влияет на эти процессы и таким образом преобладающе воздействует на обеспечение энергетическим топливом и кислородом. Такая адаптация модифицирует и улучшает регуляцию метаболизма в отдельных мышечных волокнах.

Композиционный состав мышечных волокон

У спортсменов высокой квалификации – представителей видов спорта, связанных с преимущественным проявлением выносливости, доминируют волокна типа I.

Однако в мышцах ведущих бегунов преобладает не только количество волокон типа I. Площадь поперечного сечения отдельных волокон этого типа также оказывается больше примерно на 30 %.

Тренировка, направленная на развитие выносливости, влияет на размер отдельных мышечных волокон, вызывая избирательную гипертрофию волокон типа I, а также может выраженно изменять их окислительную способность. Тренировка способна также сильно повлиять на функциональные и метаболические свойства мышц и компонентный состав их волокон. Под влиянием перекрестной иннервации или пролонгированной электростимуляции может происходить трансформация типов мышечных волокон. Интенсивная интервальная тренировка, как и тренировка, направленная на развитие выносливости, вызывает изменение композиционного состава мышечных волокон. Доказано, что реализация относительно умеренных тренировочных программ может способствовать заметному изменению композиционного состава мышц у человека.

Во многих исследованиях, в которых сообщалось об изменениях композиционного состава мышечных волокон в мышцах под влиянием тренировки, не придавалось значения возможным изменениям в различных типах волокон. Но обнаружилось, что после 15 недель высокоинтенсивной интервальной тренировки увеличиваются пропорции волокон типа I и снижаются пропорции волокон типа II без изменений содержания волокна подтипа IIа, при этом площадь поперечного сечения волокон типа I и подтипа IIб возрастала. Мышечные волокна могут расти в диаметре до определенного предела.

Плотность капилляров в мышцах

Тренировка способствует увеличению капиллярной плотности в скелетных мышцах, выражаемой количеством капилляров, приходящихся на одно волокно или на единицу площади поперечного сечения. Капиллярное ложе мышцы играет важную роль в обеспечении поверхности, через которую происходит обмен между мышцей и кровью. Мышечные волокна становятся более доступными для снабжения кровью увеличенным количеством капилляров. Повышение капиллярной плотности создает возможность возрастания скорости доставки кислорода, питательных веществ и удаления конечных продуктов метаболизма.

Повышение капилляризации способствует снижению скорости тока крови через капилляры при одной и той же общей скорости кровотока через ткань, что увеличивает время диффузии для кислорода, поскольку каждый эритроцит дольше находится в капилляре. Если время транспорта эритроцита через капилляр составляет менее одной секунды, то скорости транспорта снижается. Повышение плотности капилляров позволяет тренированным мышцам поддерживать более продолжительное время перенос кислорода, в связи с чем достигается более высокая экстракция его даже тогда, когда скорость общего мышечного кровотока по сравнению с нетренированным состоянием возрастает. Все это начинает происходить уже в течение первых недель тренировки. Плотность мышечных капилляров проявляет тенденцию к прогрессивному увеличению в процессе тренировочных воздействий. При прекращении тренировок отмечается исчезновение эффекта замедления скорости кровотока в капиллярах.

Содержание миоглобина в мышцах

Под влиянием тренировки содержание миоглобина в мышцах может возрастать, следовательно, потенциальная возможность мышечного волокна, находящегося в неактивном состоянии, к запасанию кислорода увеличивается. При этом повышения содержания миоглобина в скелетных мышцах не наблюдается, оно может даже снизиться. При очень значительных нагрузках концентрация миоглобина в крови повышается, и он может преодолевать почечный барьер и определяться в моче.

Запасы внутримышечных энергетических источников

У хорошо тренированных лиц в состоянии покоя обнаруживается более высокое содержание гликогена (примерно в 2,5 раза по сравнению с нетренированным состоянием). Увеличение запасов гликогена может быть обусловлено, в частности, повышением чувствительности к инсулину, что происходит в результате тренировки. Активность гликогенсинтетазы (общей и инсулинзависимой) повышается под влиянием регулярной физической нагрузки, возрастает и активность ферментов, имеющих отношение к распаду гликогена (фосфорилаза). Воздействие инсулина может повысить доставку кислорода к тренированным мышцам. Это позволяет предположить, что в тренированных мышцах развита повышенная способность к запасанию глюкозы в виде гликогена. Более высокое содержание мышечного гликогена у тренированных лиц может отражать феномен гликогеновой суперкомпенсации.

В тренировочном процессе увеличивается также доступность и липидного субстрата, что обеспечивает временной промежуток для восполнения внутримышечных запасов энергетики после предшествующей тренировочной нагрузки.

Гликолитические возможности

Значительно ниже влияние тренировочных занятий, направленных на развитие выносливости, на развитие гликолитических возможностей, по сравнению с влиянием на аэробную способность. Содержание ферментов гликолиза в мышцах спортсменов, тренирующихся в видах спорта, требующих проявления выносливости, обычно низкое, это можно объяснить преобладанием в них процентного содержания волокон I типа, характеризующихся низкой гликолитической способностью по сравнению с волокнами типа II.

Плотность митохондрий в мышцах и окислительная активность ферментов