Fizinės mankštos fiziologija - www.Kristalai.eu

Фізіологія фізичного навантаження

Фізіологія фізичного навантаження – це наукова дисципліна, що вивчає, як організм людини реагує, адаптується та процвітає під час фізичного навантаження. Включаючи безліч підтем – від молекулярної біології до біомеханіки – вона допомагає зрозуміти процеси, які дозволяють досягти кращої фізичної форми та зберегти здоров'я, незалежно від того, чи ви є елітним спортсменом, чи просто хочете жити активніше. У цій статті ми розглянемо:

  • Механізми м'язового скорочення: клітинні та молекулярні процеси, що дозволяють м'язам генерувати силу.
  • Системи вироблення енергії: ATP-PCr, гліколітична та окисна, що постачають енергію м'язам.
  • Відповідь серцево-судинної та дихальної систем: як вони адаптуються під час фізичного навантаження.

Заглиблюючись у ці теми, ми краще зрозуміємо, як організм перетворює поживні речовини в рух, підтримує навантаження різної інтенсивності та регулює життєво важливі функції, такі як серцевий ритм і дихання, щоб відповідати фізичним потребам.

Механізми скорочення м’язів

Усі фізичні рухи – чи то піднімання ваги, спринт на біговій доріжці, чи просто підйом сходами – базуються на скороченні м'язів. Тисячі м'язових волокон скорочуються і розслабляються, щоб створити силу. У цьому розділі ми розглянемо клітинні події, що дозволяють розвивати м'язову силу: теорію ковзних ниток, нейром'язовий синапс, а також важливість кальцію та АТФ для вироблення сили.

1.1 Теорія ковзних ниток

Теорія ковзних ниток, запропонована в середині минулого століття дослідниками Ендрю Гакслі та Рольфом Нідергірке (а також іншими вченими), пояснює, як скорочуються волокна скелетних м'язів і створюють напругу. Волокна скелетних м'язів складаються з міофібрил, які, у свою чергу, утворені повторюваними одиницями, званими саркомерами. У них є два основні білкові нитки:

  • Актин (тонкі нитки): Тонкі нитки, прикріплені до Z-лінії в кожному саркомері. Актин має два регулюючі білки – тропонін і тропоміозин, які контролюють взаємодію актину з міозином.
  • Міозин (товсті нитки): Товсті нитки з виступаючими "головками", які можуть приєднуватися до активних ділянок актину. Ці головки виконують основний удар сили під час скорочення м'язів.

Коли м'язове волокно отримує електричний імпульс (потенціал дії) від мотонейрона, з саркоплазматичного ретикулуму в цитозоль клітини вивільняються іони кальцію (Ca2+).

«Кальцій зв’язується з тропоніном, змінює положення тропоміозину, відкриваючи місця приєднання актину. Головки міозину з'єднують актин, утворюючи перехресні містки. Використовуючи енергію АТФ, головки міозину здійснюють "удар сили" і тягнуть актинові нитки до центру, скорочуючи саркомер.»

1.2 Нейром'язовий синапс (NMJ)

Скорочення м'язів починається ще до саркомера – в нейром'язовому синапсі (NMJ), де закінчення аксона мотонейрона контактує з мембраною м'язового волокна (сарколемою). Основні етапи:

  • Потенціал дії поширюється мотонейроном до його закінчення.
  • Синтезований нейромедіатор ацетилхолін (ACh) потрапляє з пухирців у синаптичну щілину.
  • ACh приєднується до рецепторів на м’язовій мембрані, викликаючи електричний імпульс, що поширюється сарколемою.
  • Імпульс поширюється трубочками T, стимулюючи вивільнення кальцію з саркоплазматичного ретикулуму, що запускає цикл скорочення.

Нейром’язове з’єднання – важлива точка контролю та потенційного втомлення або дисфункції. Якщо виділення ACh або активність рецепторів порушується (як видно при міастенії гравіс), скорочення м’язів слабшає або зовсім не відбувається.

1.3 Роль ATP і кальцію

Аденозинтрифосфат (ATP) – негайне джерело енергії для скорочення м’язів. Для кожної взаємодії міозинової головки з актином (перехресного містка) потрібна одна молекула ATP. Після силового удару ATP приєднується до міозинової головки, щоб відокремити її від актину. Потім ATP розщеплюється, «підводячи» головку до нового етапу скорочення. Водночас кальцій має залишатися у високій концентрації в цитозолі клітини, щоб тропоміозин більше не блокував активні ділянки актину. Після закінчення нервового імпульсу кальцій активно повертається в саркоплазматичний ретикулум (також із використанням ATP), тому м’яз розслабляється.

2. Системи виробництва енергії: ATP-PCr, гліколітична та окисна

Незалежно від того, як довго триває скорочення м’яза, йому завжди потрібна одна загальна умова: постійна кількість ATP. Оскільки в організмі зберігається лише обмежена кількість ATP, м’язи мають кілька систем виробництва енергії, щоб постійно відновлювати ATP. Ці системи відрізняються потужністю (скільки ATP вони можуть виробити) та швидкістю (наскільки швидко ATP може бути вироблено).

2.1 Система ATP-PCr (фосфагенна)

Система ATP-PCr (аденозинтрифосфату і фосфокреатину) – найшвидше постачає енергію, але має найкоротшу тривалість. Вона працює, коли потрібен швидкий, вибуховий імпульс, наприклад, під час підйому важких ваг, стрибка з місця або бігу на 100 м, що триває до 10 с.

Фосфокреатин (PCr), що зберігається в м’язових клітинах, віддає фосфат ADP-молекулі (аденозиндифосфату), з якої утворюється ATP. Реакцію каталізує фермент креатинкіназа:

«PCr + ADP → Cr + ATP»

Оскільки м’яз накопичує обмежену кількість PCr, ця система ефективна лише кілька секунд. Хоч вона й має велику потужність, такого джерела енергії вистачає лише на дуже коротку діяльність.

2.2 Гліколітична (анаеробна) система

Якщо інтенсивне навантаження триває довше ніж 10–15 с, м’язи переходять до гліколітичної системи, також званої анаеробним гліколізом. Під час цього процесу глюкоза (з крові) або глікоген (що накопичується в м’язах чи печінці) розщеплюється до пірувату, утворюючи 2–3 ATP з однієї молекули глюкози. Коли кисню бракує, піруват перетворюється на лактат.

  • Вихід ATP: Приблизно 2 ATP з однієї молекули глюкози без кисню – підходить для навантажень середньої інтенсивності (близько 1–2 хвилин), наприклад, для бігу на 400 м.
  • Обмежувальний фактор: Накопичення лактату та іонів водню знижує pH м’язів, порушує активність ферментів і викликає втому («відчуття печіння»).
  • Перевага: Виробництво АТФ досить швидке і без використання кисню, покриває короткотривалі середньої тривалості зусилля високої інтенсивності.

2.3 Окиснювальна (аеробна) система

Під час тривалої (понад 2–3 хвилини) фізичної активності домінує окиснювальна (аеробна) система. Вона використовує кисень для повного розщеплення вуглеводів, жирів і частково білків, тому вихід АТФ значно більший. Окиснювальна система включає:

  • Аеробний гліколіз: Коли кисню достатньо, піруват у мітохондріях перетворюється на ацетил-КоА, який потрапляє у цикл Кребса.
  • Цикл Кребса (цикл лимонної кислоти): Ацетил-КоА окислюється, вивільняючи електрони.
  • Ланцюг перенесення електронів (ETC): Електрони рухаються через білкові комплекси, створюючи умови для синтезу великої кількості АТФ.

Аеробне дихання генерує приблизно 30–36 АТФ з однієї молекули глюкози, а окиснення жирних кислот може дати ще більше АТФ. Однак для цього потрібне достатнє постачання кисню, що пояснює, чому при витривалості надзвичайно важлива здатність серцево-дихальної системи і чому організм переходить на анаеробні шляхи, коли інтенсивність перевищує можливості постачання кисню.

3. Відповідь серцевої та дихальної систем на фізичне навантаження

Коли м’язи починають працювати активніше, серцева та дихальна системи пристосовуються, щоб забезпечити підвищену потребу в кисні та поживних речовинах, а також вивести метаболічні відходи, наприклад, вуглекислий газ і лактат. Ці зміни відбуваються майже одразу після початку навантаження, щоб тканини отримали необхідні ресурси.

3.1 Адаптації серцево-судинної системи

Серцево-судинна система – це серце, судини та кров. Під час вправ її реакції – одні з найважливіших:

3.1.1 Частота серцевих скорочень (HR)

Одразу після початку фізичної активності частота серцевих скорочень збільшується через підвищену активність симпатичної нервової системи та зниження парасимпатичного тонусу. Це дозволяє швидше забезпечувати організм киснем і виводити CO2. Частота серцевих скорочень може підніматися до максимальної частоти серцевих скорочень (HRmax), яка приблизно обчислюється за формулою (220 − вік), хоча існують індивідуальні відмінності.

3.1.2 Ударний об'єм (УО)

Ударний об'єм показує, скільки крові лівий шлуночок виштовхує за одне скорочення. Під час середнього та інтенсивного навантаження УО зазвичай збільшується через підвищений венозний повернення крові, що зумовлено скороченнями м'язів і підвищеною симпатичною активністю. Це пояснює механізм Франка–Старлінга: чим більше шлуночок наповнюється (більший кінцевий діастолічний об'єм), тим сильніше він скорочується.

3.1.3 Серцевий викид (Q)

Серцевий викид (Q) – це добуток частоти серцевих скорочень і ударного об'єму:

«Q = HR × SV»

Під час інтенсивного фізичного навантаження серцевий викид може збільшуватися в кілька разів – до 20–25 л/хв (а іноді й більше у елітних спортсменів) порівняно з ~5 л/хв у стані спокою. Це дозволяє постачати більше кисню та поживних речовин для задоволення підвищених метаболічних потреб.

3.1.4 Перерозподіл кровотоку та артеріальний тиск

  • Вазодилатація у працюючих м'язах: Під час тренування артеріоли в активних м'язах розширюються, щоб збільшити приплив крові. Водночас менш важливі області (наприклад, органи травлення) звужуються (вазоконстрикція), щоб кров спрямовувалась туди, де вона потрібніша.
  • Зміни артеріального тиску: Систолічний артеріальний тиск (коли серце скорочується) зазвичай підвищується під час навантаження, тоді як діастолічний тиск (коли серце розслабляється) може залишатися без змін або трохи знижуватися, залежно від реакції судин.

3.2 Адаптації дихальної системи

Дихальна система (легені та дихальні шляхи) забезпечує постачання кисню і видалення вуглекислого газу. Під час навантаження вона зазнає миттєвих і тривалих адаптацій:

3.2.1 Підвищена вентиляція

Вентиляція (циркуляція повітря в легені і з них) може збільшуватися від 6–8 л/хв у спокої до понад 100 л/хв при інтенсивній роботі. Регулюється:

  • Нервовим шляхом: Пропріорецептори в м'язах і суглобах сигналізують дихальним центрам у мозку (у довгастому мозку та мосту) збільшити дихання ще до значних змін газового складу крові.
  • Гуморальним шляхом: Підвищений CO2, знижений pH і зменшена кількість O2 (фіксовані хеморецепторами) також стимулюють глибше і частіше дихання.

3.2.2 Об'єми та ємності легень

  • Об'єм дихання (TV): Кількість повітря, що вдихається або видихається під час звичайного дихання. Під час навантаження він збільшується, щоб задовольнити більшу потребу в кисні.
  • Частота дихання (RR): Кількість вдихів за хвилину. Зі збільшенням інтенсивності вона може подвоїтися або потроїтися порівняно зі станом спокою.
  • Хвилинна вентиляція: Добуток об'єму дихання і частоти. Вона значно зростає, щоб відповідати метаболічним потребам.

3.2.3 Засвоєння кисню (VO2) і VO2 max

VO2 – швидкість споживання кисню, важливий показник для опису аеробного виробництва енергії. VO2 max – це максимальна швидкість використання кисню під час інтенсивного навантаження, що відображає рівень готовності серцево-дихальної системи та витривалості. Елітні спортсмени витривалості часто мають дуже високий VO2 max, що забезпечує здатність до тривалої аеробної роботи.

3.3 Взаємодія серцево-дихальних систем

Координація серцево-дихальних систем забезпечує ефективне постачання кисню та видалення вуглекислого газу. Гемоглобін у червоних кров'яних тільцях, під впливом локальних змін температури та pH, може динамічно змінювати свою афінність до кисню, щоб віддавати його більше м'язам під час інтенсивної роботи. При збільшенні інтенсивності навантаження такі хімічні зміни (наприклад, підвищений CO2, вища температура та нижчий pH) стимулюють більший вивільнення кисню з гемоглобіну відповідно до зростаючих потреб.

4. Тривалі адаптації тренувань

Хоча згадані механізми відображають моментальні реакції, регулярна фізична активність викликає тривалі адаптації, що підвищують можливості організму. Вони включають:

  • Адаптації м'язів: Збільшується кількість мітохондрій, капіляризація та активність ферментів під час аеробних тренувань. Гіпертрофія м'язів (збільшення об'єму м'язових волокон) відбувається під час силових тренувань, а також покращується сила та нейро-м'язова координація.
  • Адаптації серцево-судинної системи: Збільшується ударний об'єм, знижується частота серцевих скорочень у спокої та зростає загальний об'єм крові у людей, які займаються тренуваннями на витривалість. Як витривалі, так і силові спортсмени мають збільшення маси лівого шлуночка, хоча це проявляється по-різному.
  • Адаптації дихальної системи: Хоча об'єми легень у багатьох людей суттєво не збільшуються, тренування на витривалість покращують ефективність вентиляції та здатність переносити вищу частоту дихання без значного дискомфорту.

Ці адаптації полегшують повсякденну діяльність, зменшують втому та значно покращують спортивні результати. Вони також знижують ризик розвитку хронічних захворювань, таких як серцево-судинні хвороби, діабет 2 типу або остеопороз.

5. Практичне значення та застосування

Розуміючи фізіологію фізичного навантаження, фахівці (тренери, кінезіотерапевти, лікарі) можуть призначати ефективні, індивідуалізовані програми для досягнення різних цілей: регулювання ваги, збільшення об'єму м'язів, покращення спортивних результатів або забезпечення здоров'я серцево-судинної системи. Декілька практичних моментів:

  • Специфіка тренувань: Залежно від інтенсивності та тривалості навантаження домінують різні системи виробництва енергії. Тренування, спрямовані на системи ATP-PCr (швидка сила), гліколітичну (інтенсивні інтервали) або окиснювальну (витривалість), забезпечують цілеспрямованість необхідних адаптацій.
  • Прогресивне перевантаження: Організм адаптується до поступового збільшення тренувального навантаження. Послідовне збільшення навантаження на м'язи, енергетичні системи та серцево-дихальну систему забезпечує постійний прогрес.
  • Відновлення та періодизація: Структуровані дні відпочинку та цикли тренувань (періодизація) дозволяють фізіологічним системам відновлюватися та суперкомпенсуватися, захищаючи від перевтоми та застою результатів.
  • Контроль інтенсивності: Такі показники, як частота серцевих скорочень, VO2 max, лактатний поріг та суб'єктивна оцінка навантаження (RPE), допомагають визначити тренувальні зони, які максимально розвивають, але не створюють надмірного стресу.

Висновок

Фізіологія фізичного навантаження розкриває вражаючі здатності людського організму адаптуватися та функціонувати. Скорочення м'язів на клітинному рівні базується на взаємодії актину та міозину, яку регулюють АТФ, нервові імпульси та кальцієва сигналізація. Системи виробництва енергії в реальному часі забезпечують м'язи, використовуючи фосфокреатин, анаеробний гліколіз або окисні шляхи, щоб задовольнити потреби навантаження, незалежно від того, чи це короткий вибуховий рух, чи тривале витривале завдання. Тим часом серцево-дихальні системи співпрацюють, щоб доставляти кисень, видаляти метаболічні відходи та підтримувати гомеостаз за умов різної інтенсивності. Регулярні тренування викликають корисні адаптації — від м'язів і серцево-судинної системи до дихальної та метаболічної.

Такі знання допомагають не лише досягати спортивних висот, а й оцінювати, як найкраще підтримувати організм протягом усього життя. Чи мета — пробігти марафон, збільшити силу чи покращити загальне здоров'я — фізіологія фізичного навантаження пропонує орієнтири, які показують, як перетворити потенціал на реальність.

Посилання

  • McArdle, W.D., Katch, F.I., & Katch, V.L. (2014). Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance (8 вид.). Lippincott Williams & Wilkins.
  • Wilmore, J.H., Costill, D.L., & Kenney, W.L. (2019). Physiology of Sport and Exercise (7 вид.). Human Kinetics.
  • American College of Sports Medicine (ACSM). https://www.acsm.org/
  • Brooks, G.A., Fahey, T.D., & Baldwin, K.M. (2005). Exercise Physiology: Human Bioenergetics and Its Applications (4 вид.). McGraw-Hill.
  • OpenStax (2023). Anatomy and Physiology. https://openstax.org/details/books/anatomy-and-physiology

Обмеження відповідальності: Стаття призначена для освітніх цілей і не замінює професійні медичні консультації. Для індивідуальної програми тренувань рекомендується звернутися до кваліфікованого фахівця з охорони здоров'я або сертифікованого тренера.

Повернутися до блогу