Аэробные и анаэробные нагрузки

В последнее время фитнес плотно вошёл в нашу повседневную жизнь. Из каждого утюга мы слышим об аэробных и анаэробных тренировках. Кто-то топит за один вид нагрузок, кто-то за другой. Давайте в общих чертах разберём что это такое и в чём их основное отличие.

Очевидно, что любой живой организм нуждается в энергии нон-стоп. Будь это активный физический труд, интеллектуальная нагрузка, сон или просто базовое поддержание функций (дыхание, температура тела, работа нервной системы и т.п.). В качестве универсального источника энергии для всех биохимических процессов организм использует молекулу аденозинтрифосфата (АТФ) C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃.

Она относится к макроэргическим соединениям, при гидролизе (отщеплении 1 или 2 остатков фосфорной кислоты) которых происходит освобождение значительного количества энергии, по некоторым данным от 40 до 60 кДж/моль.

Продолжительность жизни одной молекулы АТФ в организме человека менее 1 мин, то есть буферного запаса в организме практически нет. Поэтому для нормальной жизнедеятельности человека в течение дня молекула АТФ проходит порядка 2000 — 3000 циклов ресинтеза. Для справки, это около 40 кг АТФ в день. А в каждый конкретный момент времени человеческий организм хранит в себе примерно 250 грамм АТФ. Недостаток молекулы аденозинтрифосфата — это её малая энергетическая ёмкость.

Из-за этого клетки нашего организма в качестве источника энергии хранят сравнительно мало самих молекул АТФ, предпочитая хранить энергию в виде гликогена (углеводов) и триацилглицеринов (жиров), так же как инвесторы предпочитают хранить в своих портфелях различные активы в виде ценных бумаг и биткоинов, а не Монгольских тугриков.

Как же тратится эта самая АТФ? Рассмотрим подробнее систему энергообеспечения клетки. Предположим что вы резко вскочили и побежали навстречу надвигающимся приключениям на свою пятую точку. Имеющихся запасов АТФ хватит буквально на 1-2 сек мощной, взрывной работы. Одновременно с этим разворачиваются фосфогенная система, где основной вклад вносит креатинфосфат, этого механизма энергообеспечения хватает гдето на 15-30 секунд интенсивной работы. Концентрация креатинфосфата в мышцах в 3-8 раз превышает концентрацию АТФ, что помогает компенсировать расход АТФ во время коротких периодов мышечной активности. Как только креатинфосфат отдаёт свою фосфатную группу молекуле аденозиндифосфата (АДФ), то этот свободный креатин выступает сигналом ферментам, которые запускают гликолиз. Следовательно, одновременно с креатинфосфатом разворачиваются процессы гликолиза, и как раз к тому времени, когда креатинфосфатный источник энергии начинает угасать, примерно через 20 секунд на пик работоспособности выходит анаэробный гликолиз, помогая сохранить высокую мощность. У нетренированных людей гликолиз может работать 2-3 минуты, до наступления ацидоза. Тренированный организм может хорошо справляться с закислением крови, возникающим из-за ионов водорода с помощью буферных систем и ферментов, позволяя дольше работать на гликолизе. А уже через 5-10 минут выходит на пик своей мощности аэробное окисление углеводов, которому для этого требуется кислород. Заданную мощность уже держать будет невозможно, поэтому интенсивность работы при аэробном окислении углеводов придётся снизить. Зато такой режим работы не приводит к ацидозу и может продолжаться порядка 30-и минут до истощения запасов гликогена (у спортсменов циклических видов спорта при суперкомпенсации гликогена в мышцах, работать в режиме аэробного гликолиза можно ещё дольше). И что бы можно было продолжить работу после истощения запасов гликогена, нужны новые источники энергии, ими как раз выступают триацилглицерины (жиры), а как известно их запасы практически безграничны)) Аэробное окисление жиров в митохондриях с помощью цикла  трикарбоновых кислот (цикл Кребса) выходит на пик своей мощности примерно через 20 минут. Как говорил советский ученый Федор Васильевич Церевитинов: «Жиры горят в пламени углеводов». Это означает что для того, что бы цикл Кребса протекал хорошо, нужен катализатор в виде глюкозы⁽¹⁾. Поэтому для того, чтобы жиры лучше окислялись в следствии определённых химических реакций, у нас должно быть достаточное количество углеводов. Даже некоторые спортсмены циклических видов спорта во время аэробных тренировок потребляют небольшое количество углеводов, чтобы подстегнуть процессы окисления жиров в митохондриях. Сохранять работоспособность человек может пока не закончатся все энергетические субстраты в мышечном волокне.

Аэробное окисление жиров — самый выгодный способ с точки зрения получения энергии, но требует много времени для полноценного развёртывания и может поддерживать относительно малую мощность. Анаэробный путь напротив, запускается практически мгновенно, может поддерживать большую мощность, но приводит к быстрому утомлению. При работе креатинфосфата восстанавливается 1 молекула АТФ, во время гликолиза 2-3 АТФ, при окисление глюкозы — 38 АТФ, а при окисление жиров — 129 АТФ на единицу вещества.

Сравним подробнее аэробные и анаэробные пути ресинтеза АТФ.

1). Субстратное фосфорилирование⁽²⁾ — эволюционно более древний способ синтеза АТФ в анаэробных условиях. Он основан на переносе фосфатных остатков на АДФ через промежуточный метаболит. В мышцах таким макроэргическим переносчиком служит креатинфосфат.

2) Окислительное фосфорилирование — наиболее эффективный способ синтеза АТФ в аэробных условиях, использует энергию окислительно-восстановительного процесса, называемого дыхательной цепью. Окислительное фосфорилирование = Дыхательная цепь + Синтез АТФ.

Табл. 1 Аэробные и анаэробные нагрузки:

Количество получаемых молекул АТФ может меняться в зависимости от источника энергии, наличия определённых химических соединений, ферментов и полноты прохождения циклов трикарбоновых кислот.

Казалось бы что с энергетической точки зрения использование аэробного окисления свободных жирных кислот самое выгодное, так почему бы организму не использовать всегда только его? При всех плюсах аэробных путей образования молекул АТФ — это крайне медленный способ, который очень долго разворачивается, при этом выдаёт мало энергии в единицу времени, сравнительно анаэробных путей образования АТФ. А это в первую очередь вопрос выживания организма, когда при возникновении опасности требуется максимально мощная энергетическая система, способная выработать большое количество энергии в единицу времени, для совершения очень высокоинтенсивной работы, пусть и непродолжительное время. Этого как раз должно хватить чтобы совершить рывок и запрыгнуть на ближайшее дерево, чтобы спастись от саблезубого тигра или же успеть за 1 минуту до закрытия ближайшего алкомаркета. А потом, уставшим, полностью закисленным и запыхавшимся, сидеть на суку, дразнить тигра и ждать возвращения кислородного долга. Или же в предынфарктном состоянии с ЧСС за 200, дыша как паровоз, держаться за стену, с бутылкой в руках в предвкушении сегодняшнего вечера.

Теперь смоделируем ситуацию плавного увеличения интенсивности к примеру в беге. Изначально мы задействуем часть окислительных волокон, которые имеют хорошо развитую капиллярную сеть, тем самым способствуя хорошей доставки кислорода, и содержат в себе большое количество митохондрий в которых будет протекать аэробное окисление энергетических субстратов, без образования лактата. В таком режиме можно работать практически сколь угодно долго. Далее при увеличении интенсивности мы будем задействовать часть промежуточных волокон, тем самым запустим в некоторых волокнах, где мало митохондрий, процессы анаэробного гликолиза, в крови произойдёт увеличение лактата до 2 ммоль/л, тем самым мы достигнем аэробного порога (АэП). При дальнейшем увеличении интенсивности будут рекрутированы гликолитические волокна, процессы анаэробного гликолиза развернутся ещё сильнее, концентрация лактата в крови опять возрастёт, достигнув 4 ммоль/л, тем самым мы уже достигнем порога анаэробного обмена (ПАНО). Ещё большее увеличение интенсивности приведёт к рекрутированию высокопороговых двигательных единиц и увеличению лактата от линейной зависимости к пропорционально нарастающей. В итоге можно можно будет дойти до максимального потребления кислорода (МПК) — наибольшего количества кислорода, выраженного в миллилитрах, которое человек способен потреблять в течение 1 минуты. В этот момент концентрация лактата будет очень сильно возрастать, спортсмены высокого уровня могут терпеть уровни лактата порядка 12-14 ммоль/л., так же имеются некоторые уникумы, способные продолжать работу при лактате 20 ммоль/л., это адская боль, для большинства это смерть.

Как только человек превышает интенсивность анаэробного порога (АнП), ионы водорода не успевают утилизироваться и начинают накапливаться образуя кислородный долг. Сильное закисление мышечных клеток приводит к метаболическим нарушениям, при ацидозе функционирование ферментных систем аэробного энергообеспечения нарушается, что отрицательно сказывается на аэробной ёмкости. В итоге аэробные системы не могут нормально работать, для их работы нужно много кислорода. А для доставки кислорода в митохондрию нужно определённое время. Для начала нужно вдохнуть этот кислород из окружающей среды, далее альвеолы лёгких должны поглотить этот кислород. Далее кислород связывается с гемовым компонентом белка гемоглобина в эритроцитах, которые должны перенести его в рабочие мышцы, где кислород должен отделиться и связаться с миоглобином, создавая в мышцах депо O₂. Затем в мышечном волокне он должен дойти до митохондрий, где должны произойти порядка 30-40 химические реакций цикла Кребса, которые также протекают далеко не мгновенно. Чтобы хорошо доставлять кислород для протекания аэробных процессов в мышечном волокне нужна достаточная работа дыхательной и сердечно-сосудистой системы, а также системы крови.

Поэтому при резком увеличении интенсивности, после полного покоя (вскочили и побежали), нужно определённое время для того чтобы все системы организма вышли на пик работоспособности, также и пульс покоя не сразу взлетает до 180 ударов, а спустя некоторое время. Так и образуется кислородный долг, пока все системы энергообеспечения организма не раскочегарятся на полную катушку. К тому времени мы либо перейдём границу анаэробного порога и продолжим накапливать ионы водорода, или же вообще все системы организма не справятся с такой нагрузкой и мы задыхаясь и проклиная всё на свете упадём на землю и больше не сможем продолжить движение. И только от 30 минут до двух часов спустя, после прекращения нагрузки (или её значительного снижения), мы сможем вернуться в аэробные пути энергообеспечения.

Теперь, зная основные аэробные и анаэробные пути энергообеспечения, можно с лёгкостью строить и различать между собой различные виды физической активности.

Анаэробные нагрузки:

Силовая тренировка является анаэробным видом нагрузки. Там где важна мощная, высокоинтенсивная, взрывная работа, в основном используется алактатная энергетическая система, где в роли дилера АТФ выступает креатинфосфат. Сюда можно отнести поднятие штанги от 1 до 10-15 повторений.
К алактатной системе энергообеспечения также можно отнести Спринтерскую Интервальную Тренировку (SIT), которой характерны 100% и более от максимальной мощности или потребления кислорода (VO₂ max или МПК).

Высокоинтенсивная Интервальная Тренировка (HIIT) — 80-85% от максимальной частоты сердечных сокращений (ЧСС, MHR), круговая тренировка, занятие кроссфитом, плавание, бег с максимальной скоростью на короткие дистанции до 400-600 метров — это всё лактатные системы энергообеспечения. Тут для протекания анаэробных процессов основным дилером выступает гликоген.

Аэробные нагрузки:

Когда человек идёт по дорожке в течении получаса примерно со скоростью 65-75% от максимального ЧСС, в роли дилера также выступает гликоген, но уже под прикрытием мощнейшего окислителя — кислорода, тем самым уже запуская аэробные процессы без регистрации и СМС. Углеводы быстрее включаются в работу и более выгодны нашим клеткам для получения энергии. Именно поэтому клетки головного мозга так любят окислять углеводы. Наш мозг знает толк в дилерах;) И в случае недостаточного количества глюкозы в крови, у мозга начинается ломка в виде гипогликемии, если совсем без дозы — смерть. А если ещё не дышать 2-3 минуты, то клетки головного мозга также начинают отмирать.

Ну а когда человек шагает по дорожке в районе анаэробного порога порядка 30 минут и более, то на пик уже выходит окисление жиров — самый щедрый  барыга  поставщик аденозинтрифосфата. Но в то же время и самый заторможенный, как поймавший приход после солей (солей натрия и калия естественно).

Теперь, как мы выяснили, человек в повседневной деятельности (подёргивание ножкой сидя на табуретке, пешие прогулки, работа в офисе, за компьютером, либо водителем) использует преимущественно аэробные системы энергообеспечения. Они дают наиболее выгодное количество энергии на единицу вещества, но сравнительно немного в расчёте на единицу времени. Поэтому при аэробной работе мы долго не утомляемся, но к сожалению не можем работать интенсивно.

Там, где требуется интенсивная силовая работа, подъём тяжестей, бег за трамваем или от гопников в соседнем районе, в качестве основного источника энергии выступают анаэробные процессы. Они дают большое количество энергии за единицу времени, но быстро тратятся и вызывают накопление большого количества ионов водорода, которые нарушают работу всего нашего организма и приводят к быстрой утомляемости. Но зато мы можем работать интенсивно.

Конечно для кого-то и донести пакеты с продуктами из пятёрочки — это тоже тяжёлая силовая анаэробная работа, требующая значительных усилий. Но тут уже дело не в системах энергообеспечения, а в детренированности мышц. Но это уже тема отдельного обзора.

В общем разница между аэробными и анаэробными нагрузками — это способ, которым будет получена энергия (АТФ) для мышечной работы. Аэробный тренинг очень часто ассоциируется с похудением, а анаэробный с набором мышечной массы, на самом деле это не совсем так. Но в любом случае в долгосрочной перспективе оба вида нагрузки полезны для всего организма.