Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимия спорта
Биохимические основы скоростно-силовых качеств спортсмена и методы их развития
Биохимическая характеристика скоростно-силовых качеств

Наиболее важными скоростно-силовыми качествами спортсмена являются сила, скорость и мощность раз­виваемого мышечного усилия. Проявление их зависит от ряда психологических, физиологических и биохи­мических особенностей организма.

Максимальные значения скоростно-силовых ка­честв достигаются при предельно высокой концен­трации волевого усилия. При этом обеспечивается оптимальное возбуждение в моторных центрах и под­держание максимальной частоты импульсов в двига­тельных нервах, при которой в работу включается наи­большее количество двигательных единиц. Проявле­ние скоростно-силовых качеств во многом зависит от соотношения быстро- и медленносокращающихся во­локон в составе мышцы и особенностей ее внутренне­го биохимического состава, в частности от направле­ния сухожильных тяжей и расположения по отношению к ним мышечных волокон (от этого зависит величина суммарного усилия, развиваемого в точках прикрепле­ния сухожильных окончаний мышцы к костным рыча­гам), а также от координации движений (сложения усилий, развиваемых мышцами-синергистами, проти­водействия мышц-антагонистов, последовательности временной активации отдельных групп мышц и т. д.).

На уровне отдельных двигательных единиц проявле­ние скоростно-силовых качеств определяется часто­той импульсов, достигающих синаптических образо­ваний на наружной мембране мышечного волокна, скоростью передачи электрического возбуждения от наружной мембраны к миофибриллам, мощностью потока ионов Са²⁺, освобождающихся из внутренних цистерн саркоплазматического ретикулума во внутриклеточное пространство, скоростью развития активации в миофибриллах, общим количеством, ферментативными свойствами и особенностями строения сократительных белков миофибрилл и т. п.

Рис. 171 Зависимость максимальной мышечной силы от длины саркомера и количества актина в мышечных волокнах

Основные биохимические факторы, лимитирующие проявление скоростно-силовых качеств, можно установить с помощью "фундаментальных зависимостей" для мышцы. Первая из зависимостей описывает условия проявления максимальной мышечной силы (рис. 171). Результаты экспериментальных исследований, выполненных на различных мышцах человека и животных, показывают, что величина максимального мышечного усилия прямо пропорциональна длине саркомера или длине толстых миозиновых нитей, т. е. степени полимеризации миозина, и общему содержанию в мышце сократительного белка актина. Как уже отмечалось, усилие, развиваемое в процессе взаимодействия актиновых и миозиновых нитей в миофибриллах, пропорционально числу образованных поперечных паек: чем больше площадь наложения тонких актиновых нитей на толстые миозиновые нити в пределах каждого саркомера, тем больше максималь­не усилие, развиваемое мышцей. Максимально возможная площадь соприкосновения нитей определяется длиной толстых миозиновых нитей или отдельного саркомера. Самые длинные саркомеры обнаружены в запирательных мышцах моллюсков. Эти мышцы способны развивать усилие, в 3—4 раз превышающее максимальную мышечную силу человека. Самые короткие саркомеры находятся в летательных мышцах насекомых и колибри: максимальная сила этих мышц примерно в 3 раза меньше, чем у человека. В скелетных мышцах человека средняя длина саркомера составляет 8 мк, а длина миозиновых нитей — около 1 мк. По величине максималь­ной силы мышцы человека занимают среднее положение между мышцами моллюсков и летательными мышцами насекомых.

Длина саркомера, или степень полимеризации миозина в толстых нитях миофибрилл — генетически обусловленный фактор, поэтому он остается не­изменным в процессе индивидуального развития и при тренировке. Длина саркомера неодинакова в волокнах разного типа, входящих в состав различ­ных мышц. В то же время содержание в мышцах белка актина существенно изменяется в процессе индивидуального развития и под влиянием трени­ровки. Этот показатель отражает выраженные различия в мышечных волок­нах разного типа и в мышцах различного функционального назначения.

Содержание актина в миофибриллах мышц находится в линейной зави­симости от общего количества креатина (рис. 172). Оба показателя — со­держание актина и общая концентрация креатина в мышцах — могут быть использованы при контроле за развитием мышечной силы и прогнозирова­нии уровня спортивных достижений в скоростно-силовых упражнениях.

Вторая фундаментальная зависимость описывает связь между макси­мальной скоростью сокращения мышцы, длиной саркомера и относитель­ной АТФ-азной активностью миозина. Наибольшая скорость сокращения отмечена в летательных мышцах насекомых и колибри, в составе которых имеются самые короткие саркомеры, наименьшая — в запирательных мышцах моллюсков, в составе которых имеются самые длинные саркоме­ры (рис. 173). Максимальная скорость сокращения различна в мышечных волокнах разного типа: в быстросокращающихся белых волокнах она при­мерно в 4 раза выше, чем в медленносокращающихся красных волокнах.

В произвольных движениях человека важно не изолированное прояв­ление силы или скорости сокращения, а их совместный эффект, оценива­емый величиной мощности развиваемого усилия. Поскольку мощность является произведением силы на скорость, то, исходя из уже известных зависимостей для силы и скорости сокращения, нетрудно вывести третью зависимость, описывающую изменения мощности при мышечном сокра­щении. Мощность, развиваемая мышцей, зависит от суммарной АТФ-аз­ной активности, т. е. общей скорости расщепления АТФ (рис. 174).

Рис. 172 Зависимость содержания белка актина от общего количества креатина в скелетных мышцах

Рис. 173 Зависимость максимальной скорости сокращения мышцы от длины саркомера и АТФ-азной активности миофибрилл

Рис. 174 Зависимость максимальной мощности, развиваемой мышцей, от величины суммарной АТФ-азной активности миофибрилл

Значения максимальной мощности, как и максимальной скорости со­кращения, существенно различаются в мышечных волокнах разного типа и заметно изменяются при адаптации к определенному виду двигательной деятельности. В быстросокращающихся волокнах максимальная мощность составляет около 155 Вт ⋅ кг^-1 массы мышц, в медленносокращающихся волокнах — 40 Вт ⋅ кг^-1.

Суммарная АТФ-азная активность выше в быстросокращающихся во­локнах. В соответствии с этим максимальная мощность сокращения мыш­цы тесно связана с их процентным содержанием в работающих мышцах отдельных типов волокон (рис. 175). Бегуны-спринтеры, в икроножной мышце которых содержание быстросокращающихся волокон достигает 60 %, заметно превосходят бегунов на длинные дистанции по значениям максимальной мощности (120 Вт ⋅ кг^-1 против 85 Вт ⋅ кг^-1), у которых быстросокращающиеся волокна составляют только 35 %.

К числу фундаментальных зависимостей для мышцы следует отнести и так называемую характеристическую зависимость Хилла, определяющую связь между величиной проявляемой силы и скоростью сокращения. Как видно из рис. 176, наибольшая сила проявляется в изометрическом режи­ме при скорости сокращения, равной нулю, а наибольшая скорость сокра­щения развивается при величине относительной силы, составляющей около 0,2 от индивидуального максимума изометрического усилия. Харак­теристическая зависимость в равной мере приложима как к быстросокра­щающимся, так и к медленносокращающимся мышечным волокнам (рис. 177).

В скелетных мышцах человека изометрический максимум силы сокра­щения варьирует в пределах (15—30)10⁴ Н ⋅ м^-2, и эта величина существен­но не различается в быстро- и медленносокращающихся волокнах. В то же время максимальная скорость сокращения белых волокон в 4 раза боль­ше, чем красных. Поскольку в большинстве скелетных мышц красные и бе­лые волокна находятся в определенных пропорциях, сократительные свой­ства этих мышц будут относиться к той области на графике характерической зависимости, которая заключена между экстремальными знамениями для красных и белых волокон.

Рис. 175 Зависимость максимальной мощности, развиваемой мышцей, от процентного содержания БС-волокон: 1 — гиподинамия; 2 — контроль; 3 — бегуны на длинные дистанции; 4 — спринтеры; 5 — бегуны

Рис. 176 Зависимость относительной силы от скорости сокращения скелетных мышц

Рис. 177 Зависимость относительной силы от максимальной скорости сокращения мышц с быстро- и медленносокращающимися волокнами

Исходя из описанной зависимости между силой и скоростью мышечного сокращения можно установить основные требования к упражнениям, правленным на развитие скоростно-силовых качеств. Так, при развитии силовых возможностей (улучшении максимальной силы мышц) преодоле­ваемое сопротивление должно составлять 70—100 % индивидуального изометрического максимума для данной группы; при развитии скорости сокращения — 20—40 %, а при совершенствовании комплексного проявле­ния силы и скорости сокращения, т. е. мощности, — 40—70 %. Необходи­мым требованием к упражнениям скоростно-силовой направленности яв­ляется наибольшее их соответствие структуре основного упражнения и создание условий для выполнения упражнения с предельным усилием.