Энергообеспечение движений и развитие силы

1. Механизм мышечного сокращения и его энергообеспечение.

Сократительным элементом мышечного волокна является саркомер, состоящий из белковых актиновых (тонких) и миозиновых (более толстых) взаимопроникающих нитей. Расположение нитей строго упорядочено и выглядит под микроскопом как чередование светлых (тонких актиновых) и тёмных (толстых миозиновых) участков, что и определило название мышцы – «поперечнополосатая» (рис. 1).

Пусковым механизмом сокращения мышечного волокна является нервный импульс. Во время мышечного сокращения между толстыми и тонкими нитями миофибрилл образуются поперечные мостики или спайки. За счёт энергии расщепления АТФ миозиновая головка подобно шарниру или веслу лодки поворачивается и мостики оказываются под углом 45°, что сопровождается скольжением толстых и тонких нитей навстречу друг другу. В результате многократного повторения образования и разрыва мостиков происходит укорочение мышечного волокна в целом [Михайлов С.С., 2004].

Расслабление мышцы происходит после прекращения поступления нервных импульсов.

а – образовавшиеся мостики между толстыми и тонкими нитями

располагаются под углом 90°.

б – после поворота мостики оказываются под углом 45° (сокращение).

Рис. 1. Механизм сокращения саркомера

В растянутом саркомере часть миозиновых головок выходит из соприкосновения с актиновыми нитями, что уменьшает силу сокращения.

Сокращение энергетически обеспечивается только реакцией распада аденозинтрифосфата (АТФ) с образованиемаденизиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата(Ф).

АТФ → АДФ + Ф.

Рис. 2. Процессы энергообеспечения мышечных сокращений и участвующие в них энергетические субстраты

Силу сокращения определяют мощность этой реакции, зависящая от активности АТФ-азных ферментов и содержания в мышце сократительного белка быстрого миозина, способного к сильным сокращениям с большой скоростью.

Процессы ресинтеза АТФ могут быть следующими:

- анаэробный, то есть без участия кислорода;

- аэробный – с участием кислорода, поступающего к мышцам в результате дыхания (рис. 2).

Длительность (log времени)

Длительность этой реакции в любом случае невелика. Запасов АТФ хватает примерно на 0,5 секунды. Следовательно, для продолжения работы (и вообще жизнедеятельности) немедленно должен начаться ресинтез АТФ – преобразование АДФ в АТФ.

В упрощённом виде реакции энергообеспечения работы следующие.

Анаэробное энергообеспечение работы может быть двух видов:

1. Алактатное или креатинфосфатное (без образования лактата). При участии энергетического субстрата креатинфосфата (КФ), запасов которого хватает на 6-10 секунд работы субмаксимальной (80% максимума) мощности.

АДФ + КФ → АТФ + К (креатин)

2. Лактатное или гликолитическое. Гликолиз с образованием лактата (соли молочной кислоты)при участии энергетического субстрата гликогена, образующего в процессе расщепления глюкозу, обеспечивает мышечные сокращения большой (около 60% максимума) мощности длительностью до 2-х минут.

Глюкоза + АДФ → лактат + АТФ + Н₂О

Работоспособность здесь лимитирует концентрация лактата, которая уже к исходу 2-й минуты лавинообразно достигает индивидуально предельного значения, при котором дальнейшая мышечная деятельность становится невозможной (отказ от работы). При этом ионы водорода (Н⁺) молочной кислоты оказывают повреждающее действие на организм на клеточном уровне. К 30-й секунде работы субмаксимальной мощности гликолиз разворачивается в полной мере, однако до 30 секунд продуцирование молочной кислоты и накопление лактата не успевает достичь максимальных значений и не нарушает функционирования мышц.

Аэробное энергообеспечение обеспечивается окислением следующих субстратов:

1. Гликогена (образующего в процессе расщепления глюкозу),запасов которого в мышцах и печени хватает на обеспечение примерно 40 минут мышечной деятельности умеренной (около 40% максимума) мощности [Харгривс М., 1998]:

Глюкоза + О₂ + АДФ → Н₂О + СО₂ +АТФ

Рис 3. Разворачивание процессов энергообеспечения

мышечной деятельности [Тхоревский В.И., 2001]

2. Жиров, запасов которых хватает на многие часы работы.

Жиры + О₂ + АДФ → Н₂О + СО₂ +АТФ

Энергообеспечение мышечной деятельности в зависимости от характера нагрузки может быть одновременно аэробным и анаэробным.

Смешанное аэробно-анаэробное получение энергии мышечного сокращения, обеспечивает непрерывную мышечную деятельность большой и умеренной мощности длительностью до 15 минут.

Окисление жиров является основным источником энергообеспечения жизнедеятельности организма вообще и процессов восстановления в частности. Из графика на рисунке 3 видно, что источники энергии, включаясь в работу одновременно, принимают на себя основное обеспечение мышечных сокращений последовательно. Мощность двигательной деятельности при этом неуклонно снижается.Соотношение мощностей креатинфосфатного, гликолитического и окислительного процессов энергообеспечения примерно 3:2:1. На определённых временных отрезках работу обеспечивают два смежных источника энергии, мощность которых суммируется.

На заключительном этапе процесса аэробного энергообеспечения ресинтез АТФ в саркомерах мышечных волокнах происходит через креатинфосфатный механизм («челнок»), работающий следующим образом (рис. 4);

- при мышечном сокращении АТФ распадается на аденозиндифосфат (АДФ) и фосфат (Ф);

- креатинфосфат (КФ), отдавая фосфат аденозиндифосфату, ресинтезирует АТФ, превращаясь при этом в креатин (К);

- креатин, присоединяя фосфат, в результате окислительного фосфорилирования в митохондриях, превращается в креатинфосфат.

Таким образом, силовые упражнения, активизирующие креатинфосфатное энергообеспечение, наряду с развитием силы оказывают положительное влияние и на выработку выносливости.

Выводы:

- энергетические источники, включаясь одновременно, берут на себя обеспечение сокращений последовательно, при неуклонном снижении мощности работы;

- опора на энергобеспечение мышечных сокращений различной мощности позволяет обосновать выбор длительности и интенсивности выполняемых упражнений. А именно: упражнения максимальной мощности с креатинфосфатным энергообеспечением длятся не более 10 с; упражнения субмаксимальной мощности с гликолитическим энергообеспечением длятся до 2 минут, аэробные упражнения длительностью более 40 мин обеспечивают окисление жиров;

- прирост мышечной силы способствует повышению выносливости.

2. Мышечная композиция и мышечная гипертрофия при силовой тренировке.

Рассмотрим наиболее значимые для развития силы закономерности, на которые можно опереться, принимая методические решения.

Работа скелетной мышцы в различных по силе, скорости и частоте движениях определяется мобилизацией различных мышечных волокнам, неоднородных по своей структуре и свойствам. В литературе описано несколько классификаций скелетных мышечных волокон (СМВ), но мы остановимся на наиболее обобщённой и, вследствие этого, наиболее приемлемой для рассуждений о методике тренировки классификации, выделяющей три типа волокон [Язвиков В.В., 1988].

1. Медленные мышечные волокна (СМВ, тип I) – содержащие белок миозин, расщепляющий АТФ с невысокой скоростью; красные; окислительные; с низким порогом возбуждения; при сокращении развивающие относительно небольшие усилия с невысокой скоростью; малоутомляемые.

2. Промежуточные мышечные волокна (СМВ, тип IIа) – содержащие белок миозин, расщепляющий АТФ с высокой скоростью (быстрые); красные; окислительно-гликолитические; по порогу возбуждения, силе и скорости сокращения, и утомляемости занимают промежуточное положение между медленными и быстрыми мышечными волокнами.

3. Быстрые мышечные волокна (СМВ, тип IIб) – содержащие белок миозин, расщепляющий АТФ с высокой скоростью; белые; гликолитические; с высоким порогом возбуждения; при сокращении развивающие относительно большие усилия с высокой скоростью; быстроутомляемые.

Порог возбуждения – минимальная частота раздражающих нервных импульсов, при которой мышечное волокно начинает сокращаться. Чем выше частота, тем большее число волокон, к тому же более сильных, вовлекается в сокращение мышцы, и тем выше сила её сокращения. Амплитуда импульсов на силу сокращения отдельного волокна не влияет.

Соотношение мышечных волокон называется мышечной композицией, она генетически определена и под воздействием тренировок не меняется. Именно мышечная композиция определяет потенциальные возможности спортсмена (спринтер, отличающийся быстротой и силой, или стайер, отличающийся выносливостью). Под воздействием тренировок мышечная композиция не меняется.

Для лучшего понимания свойств мышечных волокон выстроим следующие логические цепочки:

Рассмотрим сначала медленные мышечные волокна (ММВ):

- под микроскопом смотрятся как красные за счет большого содержания миоглобина – белка, запасающего кислород в мышце, аналогичного по свойствам гемоглобину в крови;

- если много миоглобина, то эффективны окислительные процессы;

- для медленных движений при небольших усилиях достаточно низкого порога возбуждения;

- с небольшими усилиями и медленно при достаточном количестве кислорода могут работать долго.

Далее целесообразно рассмотреть быстрые мышечные волокна (БМВ):

- под микроскопом они смотрятся как светлые (белые), следовательно, миоглобина мало;

- если миоглобина мало, окислительное энергообеспечение недостаточно, следовательно, энергообеспечение – анаэробное, причём в первые 6-10 секунд сокращения обеспечиваются креатинфосфатной реакцией без образования лактата. Далее, если отдых будет недостаточным для восстановления запасов креатинфосфата (менее 2-6 мин), сокращения будут продолжаться в гликолизе, с потерей мощности;

- для быстрых движений с большими усилиями требуется высокий порог возбуждения;

- при больших и быстрых усилиях с анаэробным энергообеспечением (без участия кислорода) утомление наступает быстро.

И, наконец, рассмотрим промежуточные мышечные волокна (ПМВ):

- по свойствам миозина относятся к БМВ, следовательно, способны к сильным и быстрым сокращениям с анаэробным (гликолитическим) знергообеспечением;

- по цвету красные, то есть много миоглобина, значит, могут эффективно осуществлять сокращения с аэробным (окислительным) энергообеспечением.

Гликолитический процесс протекает с образованием молочной кислоты (лактата). Первоначально предполагалось, что образование лактата является следствием недостатка кислорода. Однако лактат образуется даже в условиях его избытка.

Лактат из ПМВ, проникая в ткани мышцы (и в кровь), достигает ММВ. Значимой для понимания методики тренировки является способность ММВ подобно волокнам сердечной мышцы утилизировать лактат, преобразовывая его в пируват, с дальнейшим получением энергии окислительным путём, тем самым, предотвращая лавинообразное нарастание его концентрации. Соотношение аэробного и анаэробного обеспечения сокращений ПМВ меняется под воздействием тренировок.

Таким образом, в зависимости от нагрузок промежуточные мышечные волокна могут менять свои сократительные свойства в сторону как медленных, так и быстрых волокон.

При этом спортсмен, повысив выносливость, снизит силу и скорость, или, повысив силу и скорость, снизит выносливость.

Очевидно, что чем больше мышечных структур адаптировано к определенной двигательной деятельности, тем выше будет результат. Таким образом, для совершенствования спортсмена следует, прежде всего, усиливать его сильные стороны, не оставляя, впрочем, без внимания и отстающие.

Гипертрофии (увеличению толщины) подвержены только БМВ и ПМВ, содержащие «быстрый» миозин, способный обеспечить сильные сокращения с высокой скоростью. ММВ, содержащие «медленный» миозин, обеспечивающий слабые сокращения, поперечник под действием тренировочных нагрузок не увеличивают. Поэтому, по объёму мускулатуры спортсмена можно определить его биологическую предрасположенность к тем или иным видам спорта.

Рост мышечных структур (биосинтез) активизируется генетическим механизмом. Генетический механизм, в свою очередь, активизируется дефицитом (недостаточностью) функции рабочего органа, в нашем случае мышцы (рис. 5).

Рис. 5. Механизм активизации биосинтеза

[по Ф.З. Меерсону, 1986]

Недостаточность сократительной функции мышцы выражается в дефиците в её тканях фосфорсодержащих органических молекул, дающих при распаде энергию – аденозинтрифосфата и креатинфосфата.

Биосинтез увеличивает количество структур органа (мышцы), увеличивающих функцию (силу сокращения). Прирост структур устраняет дефицит функции. Следовательно, для продолжения процесса наращивания мышц необходимо вновь создать дефицит функции более напряжёнными тренировками.

Выводы:

- невозможно из стайера «сделать» спринтера и наоборот, то есть изменить мышечную композицию;

- за счёт адаптивных изменений ПМВ возможно повысить уровень стайерских или спринтерских качеств, мышечная композиция не изменится;

- окислительно-гликолитические ПМВ, включившись в мышечные сокращения, неизбежно выделят лактат, концентрация которого будет зависеть от развиваемых усилий, окислительных возможностей ПМВ и способности ММВ его утилизировать с получением энергии;

- для развития структур, обеспечивающих работоспособность организма, нужны напряжённые нагрузки, создающие дефицит функции.

4. Факторы и методы развития силы.

Сила – способность преодолевать внешнее сопротивление или противостоять ему за счёт мышечных напряжений. Рассмотрим факторы силы и, основываясь на этом, выберем направления тренировочных воздействий, наиболее целесообразные в силовой подготовке. Итак, в числе факторов силы:

Собственно мышечные – мышечная композиция, физиологический поперечник и масса мышцы. Чем больше в композиции мышцы быстрых и промежуточных мышечных волокон, тем она сильнее. Гипертрофируясь под воздействием нагрузок, БМВ и ПМВ увеличивают мышечный поперечник и мышечную массу. Существует прямая пропорциональная зависимость между мышечным поперечником (мышечной массой) и развиваемой мышцей силой.

Центрально-нервные – частота раздражающих импульсов, внутримышечная и межмышечная координация, влияние центральной нервной системы (ЦНС) на структуру мышцы. С возрастанием частоты раздражения всё более сильные волокна вовлекаются в сокращение мышцы, в последовательности: медленные – промежуточные – быстрые. Внутримышечная координация определяет, насколько согласованно раздражаются волокна одной мышцы. Межмышечная координация определяет согласованность работы различных мышц (в том числе синергистов и антагонистов) в одном движении.

Биомеханические – расположение звеньев тела в пространстве, их прочность, величина перемещаемых масс. Расположение звеньев тела в пространстве определяется рабочей позой и техникой движения. Прочность звеньев тела это прочность опорно-двигательного аппарата, то есть мышц, связок, костей. К перемещаемым массам относятся как масса спортивного снаряда или соперника, так и масса собственного тела или его частей. При их перемещении возникают инерционные силы, снижающие или повышающие развиваемое усилие, и силы, возникающие за счёт пружинных свойств мышц, увеличивающие силу, развиваемую при сокращении.

Биохимические – мощность механизмов анаэробного обеспечения, определяемая достаточностью энергетических субстратов и активностью ферментов мышечного сокращения. А также гормональный уровень.

Личностно-психические – мотивационные, волевые, эмоциональные процессы, в значительной мере влияющие на протекание биологических реакций в организме человека.

Условия внешней среды, например, температура воздуха или влажность.

Из перечисленного можно выделить два фактора, определяющих общую силовую подготовленность и являющихся, следствием силы собственно мышечного сокращения:

- мышечная гипертрофия;

- уровень иннервации (частота и согласованность раздражающих импульсов).

Именно на них целесообразно направлять тренировочные воздействия для повышения силы сокращения мышц, и по степени влияния именно на эти факторы можно проанализировать эффективность методов развития силы.

Метод максимальных усилий. Поскольку усилия максимальные, мобилизуются все мышечные волокна, но наибольший вклад в развитие усилия осуществляют БМВ. В подходе может быть 1-3 движения. Этого недостаточно для исчерпания фосфоросодержащих энергетических веществ в мышце, следовательно, метод направлен в большей степени на повышение уровня иннервации, чем на рост мышечной массы. В рамках этого метода можно предложить следующие модификации.

- Волнообразное изменение нагрузки в подходах: 1-й подход 90-95% индивидуального максимума; 2-й подход – 95-100%; 3-й подход снова 90-95% и т.д.

- Уступающая работа с нагрузкой, превышающей возможности спортсмена. Например, лёжа на скамье, спортсмен опускает на руках штангу весу 110% индивидуального максимума, максимально сопротивляясь весу, пытаясь преодолеть его. Упражнение выполняется со страховкой. Это упражнение позволяет преодолеть действие тормозящих нервных импульсов, ограничивающих силовые проявления.

Надо отметить, что иннервация носит специфический характер, то есть, характерна для определённого движения. В другом движении она не проявится в полной мере, и даже может оказаться излишней, нарушающей координацию специальных движений.

Метод максимальных усилий целесообразен в спортивных дисциплинах, требующих небольшого количества движений максимальной мощности: прыжки, метания, выталкивания снаряда и так далее, или максимальных статических нагрузок, например армрестлинг. В конькобежном спорте тренировки методом максимальных усилий являются существенной частью общей силовой подготовки спринтеров.

Метод повторных предельных упражнений. Возможны следующие варианты.

- Упражнения с субмаксимальной нагрузкой (80% индивидуального максимума), – выполняются в течение 10–15 секунд (6–8 движений), мобилизуются все мышечные волокна. За это время исчерпываются запасы креатинфосфата в БМВ, дефицит которого является условием активизации генетического механизма биосинтеза. Прирост силы при выполнении этих упражнений происходит за счёт увеличения мышечной массы, прежде всего БМВ;

- Упражнения с большой нагрузкой (40–50% индивидуального максимума), – длительность до 30 секунд (20–25 движений), выполняются за счёт мобилизации, прежде всего ПМВ, метаболизм которых протекает с выделением лактата. 30-и секундная длительность упражнения предупреждает лавинообразное нарастание лактата. 6–8 повторений достаточно для создания предпосылок активизации биосинтеза. На последних секундах выполнения упражнения при преодолении ситуации отказа от работы мобилизуются и БМВ. Прирост силы происходит за счёт увеличения мышечной массы ПМВ и БМВ.

- Предыдущее упражнение можно выполнять так называемыми «суперсериями», при условии хорошей подготовленности организма к утилизации лактата. «Суперсерия» представляет собой 30 секунд максимальной работы (например, выпрыгиваний или выталкиваний), повторяющейся три раза подряд через 30 секунд отдыха. Проводятся от 2-х до 6-и «суперсерии» через 6–8 минут отдыха. Этот вариант силовой тренировки носит тяжёлый стрессовый характер, сопровождается высокой концентрацией лактата, но прирост мышечной массы значительно заметнее выражен.

- ММВ участвуют во всех проявлениях силы, но вклад их относительно небольшой и методика повышения их силовых качеств на сегодняшний день до конца не выяснена. Однако есть основания утверждать, что сила сокращения медленных мышечных волокон повышается при длительной велоезде на повышенных передачах и при длительных интервальных тренировках.

Метод повторных предельных упражнений, направленный, прежде всего на наращивание мышечной массы, широко применяется в силовой подготовке во многих видах спорта.

Из числа возможных наиболее эффективны в силовой подготовке следующие режимы мышечных сокращений.

1. Статодинамический – предполагает остановки в различных точках траектории движения (например, неполное выпрямление ног в приседаниях), что вызовет усиление дефицита фосфоросодержащих энергетических веществ и, следовательно, более быстрый рост массы мышц [Мякинченко Е.Б., Селуянов В.Н., 2005].

2. Эксцентрический (ударный или пружинный) – активная (напряжённая) мышца вместо сокращения сначала растягивается под действием внешних сил (например, амортизация под действием веса тела) и только затем, преодолев внешнюю силу (вес тела), сокращается. Таким образом, длина уже активированных мышц перед сокращением увеличивается. Активная мышца, совершая отрицательную работу при растягивании против силы сокращения, запасает энергию в основном в упругих компонентах мышцы. В полной мере это явление – так называемый эксцесс силы – до конца не изучено, и эффект длится около 10-и секунд [Б.И. Прилуцкий, 1991]. Эксцесс – крайнее проявление, нарушение нормального хода чего-либо. [СЭС, 1985]. Эксцентрический режим работы мышц весьма значим во многих движениях, в том числе и в беге на коньках, поэтому остановимся на нём подробнее. При беге на коньках эксцентрический режим (активированная мышца растягивается как пружина) при постановке конька на лёд. Исходя из этого, можно сделать вывод, что чем позже конькобежец поставит конёк на лёд, тем в большей мере проявятся пружинные свойства мышц.

При анализе видеозаписи бега мирового рекордсмена Свена Крамера (2007) отчётливо присматриваются вертикальные колебания таза в момент постановки ноги на лёд и начала отталкивания, свидетельствующие об акцентированном эксцентрическом режиме мышечных сокращений.

Сила, проявляемая при эксцентрическом режиме сокращения, выше, чем при изометрическом и изотоническом режимах. Вклад эксцесса силы в общие механические энергозатраты составляет около 23% в ходьбе, 35-53% в беге. Чем динамичнее движение, тем значительнее проявление пружинных свойств мышц.

Итак, предварительное растягивание мышцы повышает механическую эффективность её последующего сокращения. Это обусловлено следующими причинами:

- последовательные упругие компоненты мышцы запасают дополнительную энергию упругой деформации;

- статический эксцесс силы смещает кривую «сила – скорость укорочения мышцы» вправо, что позволяет выполнить большую механическую работу, причём на поддержание эксцесса силы не требуется добавочного метаболического обеспечения;

- предварительное растягивание также не вызывает значительных метаболических расходов.

Эксцентрические сокращения мышц играют важную роль также в организации маховых движений, сопровождающих отталкивающее движение. Это, так называемый, «хлёст».

Сначала реакция спортсменов на упражнения с эксцентрическим режимом сокращения мышц бывает весьма напряжённой.

Примером эксцентрического режима сокращения мышц может служить спрыгивание и запрыгивание на возвышение 0,4-1,0 метр. При приземлении активная (напряжённая) мышца растягивается, и только затем, преодолев инерционную силу движения массы тела вниз, сокращается, осуществляя запрыгивание. Причём запрыгивание надо выполнять как можно быстрее.

В начале силовой подготовки и в её ходе целесообразно проводить тестирование, – определение индивидуальных максимумов, – для точного дозирования тренировочных нагрузок. Однако можно обойтись и без него.

Если в указанных временных параметрах последние движения выполняются со значительным напряжением, «до отказа», то нагрузка подобрана правильно. Если нагрузка за обусловленное время преодолевается легко, необходимо её добавить. Это вполне может произойти с ростом тренированности. Если нагрузку не добавлять, рост силы прекратится.

Критерий эффективности выбора силовых упражнений – соответствие биологическим закономерностям, уровню подготовленности, цели и задачам периода подготовки.

Особое внимание при работе с отягощениями уделяется соблюдению правил техники безопасности (контроль, страховка, подготовка опорно-двигательного аппарата).

Надо сказать, что рост силы как следствия сокращения мышцы постепенно приближается к генетическому пределу. И при большом спортивном стаже можно затратить неоправданно много времени, для прироста силы на величину, незначимую для избранного вида спорта, в ущерб развитию других качеств. При этом возросшая мышечная масса и новая иннервация, характерные для роста силы, с большой вероятностью нарушат технику сложнокоординационных движений. Это ярко проявляется, например, в конькобежном спринте.

Не все из широко применяемых упражнений безопасны для здоровья. Например, вращения корпуса или наклоны, особенно вперёд, со штангой на плечах могут повредить межпозвоночные диски.

В заключение обратим внимание на важнейшее свойство силовых упражнений: – стимулировать биосинтез, ускорять восстановление, поднимать тонус [Селуянов В.Н., 2001].

Силовая подготовленность во многом определяет скорость движений.

Следует отметить, что сила мышечных сокращений не тождественна силе как двигательному качеству человека по причине специфичности нервно-мышечной регуляции. Вследствие чего необходимо выбирать силовые упражнения, позволяющие максимально активизировать регуляторную функцию центральной нервной системы. Например упражнение на тренажёре, задающем траекторию движения (пристенная штанга) потребуют минимальных регуляций, поэтому окажутся неэффективными по сравнению с приседаниями на одной ноге, требующими удержания равновесия.

Методические выводы:

1. Обязательное условие развития силы – выполнение упражнения до отказа от работы.

2. Длительность силового упражнения не должна превышать 30 секунд, иначе разовьётся чрезмерная концентрация лактата.

3. Отдых между подходами длится до относительного восстановления: от 4-х и более минут (за исключением «суперсерий»).

4. Эксцентрический режим работы мышц значительно повышает силу сокращения без дополнительных затрат энергетиков.

5. Целесообразно усложнять движения в силовых упражнениях в работе с собственным весом, с партнёром, с опорой на фитболы.