Физическая нагрузка сопровождается интенсивной перестройкой энергетического обмена, направленной на обеспечение сокращения мышц адекватным количеством АТФ. Основными путями генерации энергии являются аэробный и анаэробный метаболизм глюкозы, липидов и фосфокреатина. При коротких, высокоинтенсивных нагрузках преобладает анаэробный гликолиз, обеспечивающий быстрое образование АТФ с образованием молочной кислоты. При длительных умеренных нагрузках доминирует аэробный метаболизм, включающий цикл Кребса и электронно-транспортную цепь митохондрий.
Фосфагенная система (АТФ–креатинфосфат): обеспечивает мгновенную, кратковременную энергию (до 10–15 секунд интенсивной работы). Креатинфосфат передает фосфат на АДФ с образованием АТФ, что позволяет поддерживать сокращения до включения других систем.
Анаэробный гликолиз: расщепление глюкозы до лактата с получением 2 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы. Активация происходит через ферменты фосфофруктокиназу и лактатдегидрогеназу. Накапливающийся лактат снижает рН внутримышечной среды, что может ограничивать дальнейшую работу мышц.
Аэробный метаболизм: окисление глюкозы, жирных кислот и, в меньшей степени, аминокислот в митохондриях с образованием до 36–38 молекул АТФ на молекулу глюкозы. Важнейшую роль играют циклы Кребса и β-окисление жирных кислот, а также дыхательная цепь с переносом электронов на кислород.
Гликоген: основной резерв углеводов в скелетных мышцах и печени. Интенсивная работа приводит к мобилизации мышечного гликогена, что сопровождается увеличением активности гликогенфосфорилазы. Увеличение потребности в глюкозе стимулирует глюконеогенез в печени.
Липидный обмен: при длительной работе возрастает окисление свободных жирных кислот, высвобождаемых из триглицеридов жировой ткани. Липаза, активируемая адреналином, катализирует гидролиз триглицеридов, обеспечивая долгосрочное снабжение энергией.
Белковый обмен: при экстремальных нагрузках и истощении углеводных запасов наблюдается катаболизм аминокислот, особенно BCAA (лейцин, изолейцин, валин), для поддержания энергетического обмена через глюконеогенез.
Кислотно-щелочной баланс: накопление лактата и водородных ионов снижает рН, что стимулирует буферные системы (бикарбонат, фосфаты, белки). Постепенное включение аэробных процессов способствует окислению лактата и восстановлению кислотно-щелочного равновесия.
Адреналин и норадреналин: усиливают гликогенолиз и липолиз, увеличивают частоту сердечных сокращений и доставку кислорода к тканям.
Кортизол: активирует катаболизм белков и поддерживает глюконеогенез при длительных нагрузках.
Инсулин и глюкагон: регулируют транспорт глюкозы в мышцы и её использование, обеспечивая баланс между анаболическими и катаболическими процессами.
Гормоны роста и IGF-1: способствуют синтезу белка и адаптации мышечной ткани к нагрузке.
Повышение физической активности стимулирует экспрессию митохондриальных ферментов, увеличивает плотность митохондрий и активность цитохромоксидазы, улучшая аэробное окисление. Синтез гликолитических ферментов (например, фосфофруктокиназы, гликогенфосфорилазы) адаптирует мышцы к высокоинтенсивной нагрузке. Ангиогенез и увеличение капиллярной сети обеспечивают оптимальное снабжение кислородом и удаление продуктов метаболизма.
Интенсивная работа сопровождается образованием реактивных форм кислорода (ROS), вызывающих окислительное повреждение липидов, белков и нуклеиновых кислот. Организм активирует энзимные антиоксиданты (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза) и неэнзимные системы (глутатион, витамины C и E), снижая повреждения и поддерживая функциональную активность мышц.
После нагрузки наблюдается ускоренное восстановление АТФ и креатинфосфата, ресинтез гликогена и окисление лактата до пирувата и глюкозы в печени (эффект Кори). Восстановление кислотно-щелочного баланса, пополнение запасов электролитов и воды критично для поддержания последующих нагрузок и предотвращения усталости.
Эти биохимические процессы обеспечивают комплексную адаптацию организма к физической нагрузке, включая быстрые энергетические реакции и долговременные структурные и метаболические изменения мышц.