Енергетика на физическата работа

По време на физическа работа енергийният разход на организма значително се увеличава. Степента на неговото увеличение зависи от мощността и продължителността на извършваната работа. При краткотрайни физически натоварвания с много голяма мощност изразходената енергия за единица време може да бъде 100 пъти по-висока от тази в състояние на покой, докато при продължителни интензивни натоварвания тя е 20-30 пъти по-висока. При тези два типа физическа работа източниците на енергия за мускулното съкращение са различни:

• при краткотрайна работа с висока мощност – основни източници на енергия са складираните фосфагени (АТФ и креатин фосфат) и АТФ синтезиран по анаеробен път;
• при продължителни интензивни натоварвания основен източник на енергия е АТФ, който се ресинтезира по аеробен път.

Енергийни източници при краткотрайни физически натоварвания

При краткотрайна работа с висока мощност е необходимо да се достави голямо количество енергия. В този случай основните източници са складираните в мускула фосфагени (АТФ и креатинфосфат) и АТФ, ресинтезиран по анаеробен път (чрез гликолиза – разграждане на глюкозата). Фосфагените доставят енергия с голяма скорост, но запасите от тях са ограничени и могат да задоволят енергетичните потребности само за 8-10 секунди. След това основният източник на енергия става складираният в мускулите гликоген, който се разгражда анаеробно до лактат. Анаеробната гликолиза е ключов път за ресинтез на АТФ в следните случай:

• в началото на физическата работа, когато снабдяването с кислород не е достатъчно да задоволи енергетичните потребности на съкращаващите се мускули, защото приспособителните промени на сърдечно-съдовата и на дихателната система не са се развили напълно;
• анаеробната гликолиза има ключово значение при работа с много голяма мощност, когато потребността от кислород е по-голяма от максималния аеробен ефект на индивида.

Гликолизата в съкращаващите се мускули се стимулира под влияние на симпатикусовата стимулация, циркулиращия адреналин и увеличените нива на Ca²⁺ и АМФ в мускулите. Анаеробната гликолиза доставя енергия с по-малка скорост от фосфагените. По тази причина максималната мощност на извършваната работа намалява след първите секунди от началото на натоварването. Умората при мускулна работа с голяма мощност настъпва не поради изчерпване на АТФ, а вследствие на натрупване на метаболити от анаеробния метаболизъм – неорганичен фосфат и H⁺. Гликогенните запаси в мускулите се увеличават при системно извършване на работа с голяма мощност. Увеличава се и активността на гликолитичните вериги. Това води до повишаване на възможностите за ресинтез на АТФ по анаеробен път.

Енергийни източници при продължителни физически натоварвания

При работа с продължителност повече от две минути, основен източник на енергия е АТФ, който се ресинтезира по аеробен път. Този път доставя енергия с малка скорост. По тази причина максималната мощност на анаеробно извършваната работа е ниска, но за сметка на това тя може да се поддържа най-дълго време. АТФ се образува при окислението на глюкозата и на мастните киселини. Част от необходимата глюкоза се доставя от кръвта, а друга част се получава от разграждането на мускулния гликоген. Увеличеното доставяне на глюкоза към мускулите се обуславя от два основни фактора:

• увеличено постъпване на глюкоза от черния дроб към кръвта, поради засилената глюконеогенеза и гликогенолиза;
• увеличен транспорт на глюкоза през мускулната мембрана, който се осъществява по инсулино-независим път чрез активиране на различни кинази (АМФ-зависима протеин киназа, калмодулин-зависима протеин киназа, митоген-активирана протеин киназа).

При продължителна работа на мускулите над 1 час мастните киселини са важен източник за ресинтез на АТФ. Тяхното окисление доставя повече от половината от аеробно образувания АТФ. При продължителна физическа работа с малка мощност отново настъпва мускулна умора. Смята се, че значение за настъпването и имат промените в централната нервна система водещи до намалено мускулно активиране и промените в мускулите настъпващи в резултат от намаляване на мускулния гликоген, промяна в концентрацията на Ca²⁺, натрупване на активни кислородни форми.

При системно извършване на физическа работа с голяма продължителност или с други думи при така нареченото трениране за издържливост, се увеличава оксидативния капацитет на мускулите. Увеличава се максималния обем кислород, който те могат да използват за окислението на хранителните вещества. Оксидативният капацитет зависи от броя и размерите на митохондриите, плътността на капилярите, съдържанието на миоглобин и от активността на окислителните ензими. Тренирането за издържливост увеличава стойностите на всички тези показатели, подобрява и способността на мускулите да използват мастните киселини като субстрат на окисление. Това предотвратява изчерпването на мускулния гликоген. Всички тези промени водят до увеличаване на максималната мощност, която може да се поддържа продължително време без развитие на умора. Тази мощност съвпада с лактатния праг, който представлява мощността на работата, при която започва рязко да се покачва концентрацията на лактата в кръвта при извършване на работа с прогресивно увеличаване на натоварването. Повишаването на лактатната концентрация в кръвта настъпва в момента, в който скоростта на навлизащия в кръвта лактат от работещите мускули стане по-голяма от скоростта на неговото захващане от други органи (бъбреци, сърце, черен дроб). Повишената продукция на лактат в работещите мускули се дължи на включването в действие на бързите, гликолитични мускулни влакна, които се активират само при голямо натоварване. Лактатният праг е по-голям процент от максималната мощност при тренираните, отколкото при нетренираните индивиди. Колкото стойността му е по-голяма, толкова по-голяма мощност може да се поддържа при продължителни състезания. По тази причина лактатният праг е най-често използваният показател за оценка на състоянието на спортистите, които участват в състезания за издържливост.

Кислородна консумация

Увеличаването на кислородната консумация по време на физическа работа се осъществява в две фази. През първата фаза тя се увеличава експоненциално, като кислородната консумация е по-малка от кислородната потребност. Като кислородна потребност се означава обемът кислород, който е необходим за доставяне на цялата енергия за мускулното съкращение по аеробен път. Разликата между кислородната консумация и кислородната потребност се нарича кислороден дефицит. По време на втората фаза на увеличаване на кислородната консумация, тя достига едно постоянно ниво, при което съществува баланс между АТФ, необходим за мускулно съкращение и АТФ, синтезиран по аеробен път. Този баланс се означава като равновесно състояние, по време на което кислородната консумация е равна на кислородната потребност. Равновесното състояние може да се достигне само когато мощността на работата е по-малка от максималната аеробна мощност. Когато мощността я надхвърля, равновесното състояние не се достига и цялото количество енергия се доставя по анаеробен път. Това води до развитие на кислороден дефицит.

След прекратяване на физическата работа се наблюдава възстановителен период, по време на който кислородната консумация остава по-висока от стойността и по време на покой. Разликата между кислородната консумация по време на възстановителния период и по време на покой се означава като кислороден дълг. Той представлява целия обем кислород, който е необходим за възстановяване на нормалното състояние на всички системи в организма след прекратяване на физическата работа. При леки натоварвания, при които кислородния дефицит е малък в началото на натоварването, кислородната консумация спада бързо през възстановителния период и кислородния дълг е равен на кислородния дефицит. При тежки натоварвания кислородната консумация спада рязко в началото на възстановителния период. Това се означава като бърз компонент, който се дължи на използване на кислород за възстановяване на изчерпаните депа от АТФ и креатинфосфат в работещите мускули. След това кислородната консумация намалява по-бавно до достигане на изходното състояние. Това се означава като бавен компонент, който се дължи на използването на кислород за метаболизма на лактата, попълването на кислородните депа в кръвта и в мускулите, увеличената работа на дихателната мускулатура и на сърцето, усилената работа на йонните помпи, увеличената телесна температура, увеличения метаболизъм. При тези натоварвания кислородната консумация във възстановителния период е по-голяма или с други думи кислородния дълг е по-голям от кислородния дефицит. Кислородният дълг отразява анаеробния метаболизъм на предшестващата физическа работа и промените във всички останали системи по време на възстановителния период. Понятието кислороден дълг може да бъде заменено с „допълнителна следработна кислородна консумация“, защото по време на възстановителния период кислорода се използва за много други процеси.