Метаболические реакции на физическую нагрузку

Метаболические реакции на физическую нагрузку описывают, как организм обеспечивает химическую энергию, необходимую для мышечной работы, и как он переключается между источниками топлива по мере изменения интенсивности и продолжительности этой работы. Переход от состояния покоя к физической нагрузке может многократно увеличить общий энергетический обмен в течение нескольких секунд, и удовлетворение этой потребности требует скоординированного производства аденозинтрифосфата (АТФ) из запасенных фосфагенов, углеводов и жиров, а также соответствующей доставки и использования кислорода.

Definition

Метаболические реакции на физическую нагрузку — это изменения в энергообразующих биохимических путях и использовании субстратов, которые происходят, когда скелетные мышцы увеличивают свою потребность в АТФ во время физической активности, охватывая распад фосфагенов, окисление углеводов и жиров, обмен лактата и поглощение кислорода.

Scope

Эта область знакомит читателя с метаболической стороной физиологии упражнений: путями снабжения АТФ (фосфагенным, гликолитическим и окислительным), использованием углеводов и жиров в качестве топлива и тем, как их относительный вклад варьируется в зависимости от интенсивности и продолжительности упражнений, производством и выведением лактата, а также потреблением кислорода как интегрированным маркером аэробного энергетического обмена. Это справочный обзор; подробное рассмотрение содержится в дочерних темах.

Sub-topics

• Биоэнергетика и системы производства АТФ
• Метаболизм углеводов во время физической нагрузки
• Окисление жиров и липидный метаболизм при физической нагрузке
• Образование и выведение лактата
• Потребление кислорода и аэробная производительность

Core questions

• Как пополняется АТФ, когда потребность в мышечной энергии возрастает в начале физической нагрузки?
• Как изменяется относительный вклад углеводов и жиров в энергообеспечение с интенсивностью и продолжительностью физической нагрузки?
• Почему лактат образуется во время физической нагрузки, и как он выводится и повторно используется?
• Что определяет, сколько кислорода организм может потреблять во время максимального усилия?

Key concepts

• АТФ как непосредственная энергетическая валюта
• Фосфагенная, гликолитическая и окислительная энергетические системы
• Использование субстратов и переход от жиров к углеводам с увеличением интенсивности
• Производство, обмен лактата и лактатный челнок
• Потребление кислорода (VO2) и максимальное потребление кислорода (VO2max)
• Энергетический обмен и метаболическая скорость во время физической нагрузки

Mechanisms

В начале физической нагрузки немедленная потребность в АТФ буферизуется запасенными фосфагенами, после чего гликолиз и окислительное фосфорилирование становятся доминирующими путями пополнения запасов. По мере увеличения интенсивности организм все больше полагается на углеводы и меньше на жиры для получения заданного количества энергии, этот сдвиг описывается концепцией кроссовера; при низкой и умеренной интенсивности окисление жиров может обеспечивать значительную долю энергии, в то время как при высокой интенсивности преобладают углеводы и увеличивается производство лактата (Romijn, 1993). Лактат не просто продукт распада, а транспортируемое топливо, которое может окисляться мышцами, сердцем и другими тканями и использоваться для глюконеогенеза (Gladden, 2004; Brooks, 2018). Интегрированная способность этих аэробных процессов отражается в потреблении кислорода, максимум которого определяется главным образом доставкой кислорода к работающим мышцам (Bassett, 2000).

Clinical relevance

Понимание метаболических реакций на физическую нагрузку лежит в основе интерпретации кардиопульмонального нагрузочного тестирования, описания использования субстратов при здоровье и метаболических заболеваниях, а также обоснования физической активности для метаболического здоровья. Эта статья описывает, как изучается и описывается метаболизм при физической нагрузке; она носит образовательный характер и не является основанием для индивидуальной диагностики, назначения или принятия решений о лечении.

Evidence & guidelines

Описания здесь основаны на классических физиологических исследованиях и обзорах метаболизма субстратов, обмена лактата и детерминант поглощения кислорода, а не на клинических рекомендациях. Количественные утверждения об использовании субстратов и поглощении кислорода получены из контролируемых лабораторных измерений, таких как исследования с использованием изотопных трассеров и газообмена (Romijn, 1993; Bassett, 2000).

History

Современная метаболическая физиология упражнений выросла из работ начала XX века по обеспечению мышечной энергии и кислородному долгу и была расширена исследованиями середины и конца века, которые количественно определяли использование углеводов и жиров с помощью изотопных трассеров и характеризовали лактат как обмениваемое топливо, а не как тупиковый продукт. Переосмысление лактата через концепцию лактатного челнока и уточнение детерминант максимального поглощения кислорода являются центральными нитями в этой истории (Gladden, 2004; Brooks, 2018; Bassett, 2000).

Debates

Является ли лактат в основном продуктом распада или метаболическим топливом?

Традиционное представление о лактате как о побочном продукте гликолиза, ограниченного кислородом, было переосмыслено концепцией лактатного челнока, которая утверждает, что лактат постоянно производится и потребляется как топливо и сигнальная молекула в тканях; баланс этих точек зрения остается предметом активного обсуждения.

Что главным образом ограничивает максимальное потребление кислорода?

Долгое время обсуждалось, определяется ли VO2max главным образом центральной доставкой кислорода (сердечный выброс и кислородтранспортная способность) или периферической экстракцией кислорода мышцами, при этом большинство доказательств свидетельствует в пользу доставки кислорода как основного лимитирующего фактора в большинстве обстоятельств.

Key figures

• George A. Brooks
• L. Bruce Gladden
• Edward F. Coyle
• David R. Bassett

Seminal works

• romijn-1993
• gladden-2004
• bassett-2000

Frequently asked questions

Что организм использует для получения энергии во время физической нагрузки?

Вся физическая нагрузка в конечном итоге обеспечивается АТФ, который пополняется из запасенных фосфагенов и из распада углеводов и жиров; относительное использование углеводов и жиров зависит от того, насколько интенсивно и как долго длится физическая нагрузка.

Изменяется ли относительное использование жиров и углеводов по мере увеличения интенсивности физической нагрузки?

Да. При более низких интенсивностях жиры могут обеспечивать значительную долю энергии, но по мере увеличения интенсивности организм все больше полагается на углеводы, этот сдвиг описывается концепцией кроссовера.