скачать книгу бесплатно
Виды сокращений. В экспериментах над животными мышечное сокращение обычно вызывают электрическим раздражением. Раздражитель может состоять из одного изолированного электрического стимула (длительностью, например, 1 мc) или содержать серию электрических стимулов (повторяющаяся стимуляция).
У скелетных мышц выделяют соответственно одиночное сокращение и суммированное (тетанус).
Одиночное сокращение возникает в ответ на одиночный пороговый стимул. В нем выделяют три фазы: латентный период, фаза укорочения и фаза расслабления. Во время латентного периода не регистрируется никаких механических феноменов, по его прошествии наступает фаза укорочения, во время которой быстро нарастает напряжение мышцы. Фаза расслабления продолжается примерно в 2 раза дольше, чем фаза укорочения. Для одной и той же мышцы время сокращения увеличивается при снижении температуры или при утомлении мышцы. Для мышц с очень высокой быстротой сокращения, в частности для глазодвигательных мышц, время сокращения составляет 7 – 10 мc; для мышц конечностей это время длится от 25 до 40 мc. Для камбаловидной мышцы (M. soleus), играющей важную роль в сохранении позы и имеющей низкую быстроту сокращения, это время достигает 90 – 120 мc. Мышцы с высокой быстротой сокращения образуют бледные волокна, у мышц с малой быстротой сокращения волокна красные, богатые миоглобином. Мышцы-сгибатели принадлежат к первому типу, разгибатели, играющие важную роль в поддержании позы, – ко второму.
Сокращение, как и возбуждение, распространяется вдоль мышечных волокон. Скорость прохождения волн возбуждения и сокращения одинакова. Например, для двуглавой мышцы плеча скорость возбуждения составляет 3,5 – 5 м/с. Ввиду относительно большой длительности сокращения наступает момент, когда вся мышца сокращена, так как последние ее участки, до которых доходит волна возбуждения, уже сократились, а первые еще не расслабились. Этот момент соответствует моменту максимального укорочения.
Величина одиночного сокращения прямо пропорциональна силе раздражения. Однако при достижении определенной силы раздражения величина сокращения перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение силы раздражения. Это объясняется тем, что каждое волокно обладает разной возбудимостью и реагирует по закону «все или ничего». При пороговой силе реагируют наиболее возбудимые волокна. Чем сильнее раздражитель, тем больше волокон возбуждается. При максимальном сокращении возбуждаются все волокна мышцы.
В естественных условиях в организме скелетная мышца получает обычно из нервной системы не одиночные раздражения, а ряд быстро следующих друг за другом нервных импульсов. Под влиянием ритмических раздражений наступает длительное и сильное укорочение мышцы, которое называется тетаническим сокращением, или тетанусом. То, что тетанус возникает в результате действия серии одиночных возбуждений, доказывает регистрация потенциалов действия в тетанически сокращенной мышце. Так, при произвольных движениях руки у человека число потенциалов действия достигает 50 – 70 в секунду.
Тетанические сокращения представляют собой результат суммации одиночных сокращений. Для искусственного воспроизведения тетануса на мышцу действуют серией раздражителей, следующих друг за другом. Если поступает несколько раздражений с интервалом большим, чем фаза укорочения, то возникает явление, которое называется зубчатым тетанусом. При частоте следования раздражений, которая меньше фазы укорочения или равна ей, возникает гладкий тетанус. Амплитуда гладкого тетануса зависит от частоты раздражения. Если каждый последующий раздражитель поступает в фазу экзальтации (повышенной возбудимости), то ответ мышцы будет достаточно большим. Если раздражитель поступает в период сниженной возбудимости (относительная рефрактерная фаза), то ответ мышцы будет много меньше. Такая зависимость амплитуды ответа от частоты раздражения получила название оптимума и пессимума частоты раздражения. Например, а-мотонейрон может посылать к мышце импульсы с частотой 20 имп/с, 40 имп/с, 50 имп/с. В зависимости от частоты величина сократительного ответа будет различной. Это один из способов регуляции силы мышечных сокращений. В реальных условиях все сокращения скелетных мышц возникают в ответ на периодическую стимуляцию и являются тетаническими. Сравнение отдельного мышечного сокращения с тетаническим показывает, что напряжение, развивающееся при тетанусе, выше максимального напряжения, регистрируемого во время одиночного; разница часто достигает соотношения 4: 1.
Для скелетной мышцы характерен еще один вид активности – контрактура. После прекращения тетанического раздражения мышечные волокна расслабляются вначале не полностью – их исходная длина восстанавливается лишь по истечении некоторого времени. Это явление называется послететанической (остаточной) контрактурой. Природа контрактур заключается в остаточной длительной деполяризации мышечной мембраны. В целостном организме контрактура возникает при условиях патологии и проявляется в длительном слитом сокращении мышцы.
Режимы сокращения скелетных мышц. Для скелетных мышц характерны два основных режима сокращения: изометрический и изотонический. Изометрический режим проявляется тогда, когда в мышце во время ее активности нарастает напряжение (генерируется сила), но из-за того, что оба конца мышцы фиксированы, например мышца пытается поднять непосильный груз, она не укорачивается. Изотонический режим проявляется, когда мышца первоначально развивает напряжение, способное выполнить работу, например поднять данный груз. Потом мышца укорачивается – меняет свою длину, сохраняя напряжение, равное весу поднятого груза. Так как изотоническое сокращение не является исключительно изотоническим (элементы изометрического сокращения имеют место в самом начале сокращения мышцы), как и изометрическое тоже не является полностью изометрическим (элементы смещения все-таки есть), то предложено употреблять термин ауксотоническое сокращение, т. е. смешанное по характеру.
В реальной практике оба режима могут переходить из одного в другой. Так, когда мышечная стенка полого органа начинает сокращаться, а орган содержит жидкость и выход из него закрыт сфинктером (сердце, мочевой пузырь), то возникает ситуация изометрического режима: давление внутри полого органа растет, а размеры его не могут измениться, так как жидкость не сжимается. На определенной величине давления сфинктер открывается и мышца переходит в изотонический режим сокращения на время изгнания жидкости из полости органа, когда напряжение сохраняется на постоянном уровне.
Механизм мышечного сокращения. Для того чтобы понять сущность процесса сокращения мышечного волокна, необходимо вспомнить, что каждое мышечное волокно состоит из миофибрилл, которые включают в себя повторяющиеся в продольном направлении блоки – саркомеры, отделенные друг от друга так называемыми Z-пластинками (сеть из переплетающихся белковых молекул). Сверху миофибриллы покрыты мембраной мышечного волокна – плазмалеммой, толщина которой порядка 10 нм. Функциональной единицей миофибриллы поперечнополосатой мышцы является саркомер. В обоих направлениях от Z-пластинки тянутся тонкие нити (филаменты), состоящие из белка актина. Они переплетаются с толстыми нитями белка миозина. Миозиновые нити образуют наиболее оптически плотную часть саркомера — А-диск. Светлый участок в середине А-диска называют зоной Н. Здесь находятся только миозиновые нити и нет актиновых. В середине Н-зоны располагается М-линия, в которой находятся ферменты (например, креатиназа), играющие важную роль в энергетическом метаболизме. На участках взаимного перекрытия каждая миозиновая нить окружена шестью актиновыми, а каждая актиновая – тремя миозиновыми. На миозиновых нитях обнаружены мелкие выступы, называемые поперечными мостиками. Они расположены вдоль миозиновых нитей в виде 2-нитчатой спирали. Во время сокращения эти мостики смыкаются с актиновыми нитями. Актиновая нить образована двумя спиральными тяжами из глобулярных молекул актина (G-актин), закрученными один вокруг другого. В продольных бороздках актиновой спирали находятся нитевидные молекулы белка тропомиозина. Это палочкообразный фибриллярный белок, палочки соединяются конец в конец и образуют два тяжа, закрученных в виде спирали вокруг актина. К каждой молекуле тропомиозина прикреплен комплекс молекул глобулярных белков под общим названием тропонин.
Молекула миозина состоит из двух частей: длинного палочкообразного участка, который подразделяют на шейку и хвост, и глобулярного участка, представленного двумя одинаковыми головками. Диаметр этого участка молекулы составляет 4 нм, длина – 20 нм. Если молекулу миозина обработать протеолитическим ферментом трипсином, то она распадется на две части: легкий меромиозин и тяжелый меромиозин. Последний, в основном образованный головкой и шейкой молекулы, обладает ферментативной и актинсвязывающей активностью. Миозиновые нити формируются объединением отдельных молекул. Хвосты молекул ориентированы к середине, а головки направлены в противоположные стороны и образуют выступы на нити. Молекулы миозина расположены в миозиновой нити так, что головки равномерно распределены по всей длине (кроме небольшого участка в середине).
При наблюдении в микроскоп было обнаружено, что при сокращении ширина А-дисков не изменяется, тогда как I-диски (изотропные) и зоны Н становятся более узкими, т. е. изменяется ширина взаимного перекрытия актиновых и миозиновых нитей. Исходя из этого, A. F. Huxley в 1954 г. предложил для объяснения механизма мышечного сокращения теорию скольжения нитей (рис. 1).
Рис. 1. Модель механизма сокращения – миозиновая нить с поперечными мостиками, прикрепленными к актиновым нитям:
а – схема сокращения мышечного волокна в пределах саркомера; Z – пластинка;
б —схема работы поперечного мостика (единицы соединения актина и миозина)
Согласно теории, укорочение саркомера происходит благодаря активному скольжению тонких актиновых нитей относительно толстых миозиновых в пределах саркомера. Длина самих нитей при этом не изменяется. Во время сокращения каждая головка миозина или поперечный мостик могут связывать миозиновую нить с актиновой. Наклоны головок создают объединенное усилие, и происходит «гребок», продвигающий актиновую нить к середине саркомера. Биполярная организация молекул миозина обеспечивает возможность скольжения актиновых нитей в противоположном направлении в обеих половинах саркомера.
Механизм этого процесса может быть объяснен за счет электромеханического сопряжения, т. е. передачи сигнала возбуждения с мембраны на миофибриллы. Ключевую роль при этом играют ионы Са
. В расслабленном состоянии, т. е. при низкой концентрации ионов Са
, регуляторные белки – тропомиозин и тропонин C – блокируют прикрепление поперечных мостиков миозина к актиновым нитям. Возбуждение вызывает высвобождение ионов Са
из саркоплазматической сети. Это ведет к тому, что концентрация Ca при возбуждении внутри волокна увеличивается и ионы Са
соединяются с молекулой тропонина. В результате происходит смещение молекулы тропомиозина, что обеспечивает возможность прикрепления миозиновых поперечных мостиков к актиновым нитям. Это конформационное изменение инициирует ряд процессов, приводящих к сокращению мышцы. Следовательно, в покое белки тропонин и тропомиозин препятствуют соединению мостиков миозина с актином. Активация Са
ведет к инактивации регуляторных белков, и происходит присоединение мостиков.
Следующий вопрос состоит в том, как мышца преобразует химическую энергию в механическую. Сами сократительные белки – актин и миозин не обладают аденозинтрифосфатазной (АТФазной) активностью. Однако, связавшись с актином, миозиновая головка поперечного мостика в присутствии ионов Мg
приобретает активность АТФазы и катализирует расщепление аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Молекула АТФ связывается с активным АТФазным центром головки миозина и отделяет ее от актиновой нити. Гидролиз сопровождается конформационными изменениями головки молекулы миозина, переводя ее в высокоэнергетическое состояние.
Циклическая активность поперечных мостиков (ритмическое прикрепление и отсоединение), которая обеспечивает мышечное сокращение, возможна до тех пор, пока продолжается гидролиз АТФ, т. е. пока происходит активация АТФазы и существует достаточная концентрация ионов Са
. В нормальных условиях расслабление мышцы происходит за счет того, что ионы Са
, выделившиеся при возбуждении, начинают активно поглощаться саркоплазматическим ретикулумом (СПР). Уровень Са
в саркоплазме снижается, и тропомиозин начинает препятствовать присоединению поперечных мостиков. Мышца остается расслабленной до тех пор, пока вторично не произойдет следующая деполяризация мембраны.
1.2. Энергетика мышечной работы
Мышечную массу туловища составляют поперечнополосатые мышцы. Они являются самой объемной тканью тела человека, достигая у мужчин 50 % массы тела. Их деятельность контролируется сенсорными участками коры головного мозга и подкорковых центров движения.
Реализация движений и локомоций является основной функцией поперечнополосатых мышц. Кроме того, они являются самым крупным генератором биологической энергии в силу своей массы и выполняют функцию «второго сердца», способствуя возврату венозной крови в правое сердце, пропульсивно воздействуя на стенку периферических вен.
Все это в еще большей степени подчеркивает значимость движений для жизнедеятельности организма. Поперечнополосатые мышцы подвержены возрастной инволюции – устариков доля мышечной ткани уменьшается до 27 %, снижается тонус мышц и резко падает объем двигательной активности. С этим связано уменьшение роли мышц как генератора энергии и снижение выполняемой роли «второго сердца», что приводит к отекам, застоямит.д.
Коэффициент полезного действия (КПД) мышечной работы очень велик – 37 – 65 %. Энергия мышечного сокращения расходуется на изменение пространственного взаимоотношения сократительных белков.
Мышечная клетка. Наиболее значимыми белковыми фракциями мышечной клетки являются:
– белки миогеновой группы – в основном ферменты гликолиза и миоальбумин;
– миоглобин – красный хромопротеид, «родной брат» гемоглобина, определяющий красный цвет мышечной ткани; он содержит в своем составе свободный, легко окисляемый атом железа, связывает и транспортирует кислород в пределах цитоплазмы клетки;
– глобулины – ферменты и запасные белки, способные при тренировке преобразовываться в сократительные белки миофибрилл;
– миофибриллярные белки: миозин и актин, ферменты и др.;
– ядерные белки – нуклеопротеиды.
Наиболее значимыми из энергетических фракций являются такие водорастворимые азотистые соединения, как АТФ (0,25 – 0,4 % от сухого остатка клетки) и креатининфосфат (КрФ) – 0,4 – 1,0 % от сухого остатка клетки.
К важнейшим безазотистым энергетическим фракциям относится гликоген, который может составлять до 2 % сухого остатка клетки. Он может находиться в свободном и связанном состоянии, причем физическая тренировка значительно увеличивает количество свободного гликогена, что существенно повышает сократительную способность миофибрилл. Кроме этого, в механизме мышечного сокращения играют роль жиры, холестерин и минеральные соли.
Из других включений в цитоплазму клетки обращают на себя внимание митохондрии (митохондриальные кристы). Молекулярные биологи считают, что в них происходит аэробный синтез АТФ и синтез белков. В мембранах митохондриальных крист очень высок электрохимический потенциал ионов водорода, что позволяет рассматривать их как дополнительный источник внутриклеточной энергии, обеспечивающий эффективность перехода электролитов через клеточную мембрану.
Располагающиеся на клеточной мембране миоцита разноименно заряженные ионы металлов (калия, кальция, магния, натрия, кремния и др.) определяют работу «ионных мембранных насосов».
Мышечные волокна. Мышечные клетки структурно организованы в мышечные волокна. Общеизвестны два вида мышечных волокон (о них мы упоминали выше). Это белые мышечные волокна, называемые еще «быстрыми», и красные мышечные волокна – «медленные».
Белые волокна первыми откликаются на команду к деятельности со стороны центральной нервной системы (ЦНС), играя роль своеобразного стартера. В них преимущественно развиты анаэробные процессы ресинтеза АТФ, основным способом энергообеспечения является анаэробный гликолиз, который протекает в них с более высокой скоростью. Также белые волокна характеризуются относительно низким количеством митохондрий и миоглобина, высокой активностью миозиновой трифосфатазы, высокой буферной емкостью и хорошо развитым СПР. Они приспособлены к мощной, взрывной работе в короткий промежуток времени.
Красные мышечные волокна включаются в работу позднее белых, когда к тому возникнут определенные условия метаболизма. В этих волокнах низкая скорость гликолиза, но высокая интенсивность тканевого дыхания, высокое содержание миоглобина и митохондрий, низкая активность миозиновой АТФазы, низкая буферная емкость, значительно хуже развит СПР. Красные волокна предназначены для выполнения работы легкой либо умеренной мощности, но в течение длительного времени. При необходимости работа может выполняться часами.
Наличие красных и белых волокон в организме человека – фактор генетически обусловленный, тренировками ничего изменить нельзя. Образно говоря, всех людей на земле можно разделить на «спринтеров», у которых преимущественно развиты белые волокна и которыми легче переносится работа мощная и кратковременная, и «стайеров» – у них преимущественно развиты красные волокна, ими легче переносится работа маломощная и длительная. Именно этот факт лежал в основе выявления детей, предрасположенных к успехам в конкретных видах спорта.
Регуляция мышечного функционирования. Отмечается строгая последовательность смены энергетических реакций. Как только емкостные характеристики определенной реакции исчерпываются на 50 %, начинает разворачиваться следующая реакция. Некоторое время обе реакции работают вместе, затем первая прекращается и биоэнергетическое обеспечение мышечной деятельности осуществляется за счет второй реакции. Когда и эта реакция исчерпает свои емкостные характеристики на 50 %, начинает разворачиваться следующая по счету. Они также какое-то время работают вместе, затем вторая реакция угасает и биоэнергообеспечение мышечной деятельности идет за счет третьей реакции.
Выделившаяся в ходе гидролиза АТФ энергия расходуется на изменение пространственного взаимоотношения сократительных белков. По современным представлениям молекулярной биологии, при мышечном сокращении происходит повторяющееся образование и разрушение спаек между миозиновыми молекулами миозина и актина.
Расщепление АТФ в мышце происходит с очень большой скоростью – до 10 мкмоль/мин на 1 г мышцы.
1.2.1. Реакция гидролиза аденозинтрифосфорной кислоты
В анаэробных условиях АТФ вступает в гидролитическое расщепление:
где E – энергия.
Образовавшиеся в ходе гидролиза аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и фосфорная кислота (H
PO
) служат в дальнейшем продуктами для синтетических процессов. Выделившаяся энергия преобразуется в механическую работу. АТФазная энергия обеспечивает такие виды спорта, как спринт, гольф, теннис.
Накапливать большее количество АТФ мышца не может. Между тем и минимальное количество АТФ не может опускаться ниже генетически определенного уровня. Если такое произойдет, то случится поломка «кальциевого насоса», и мышца будет сокращаться вплоть до полного исчерпания всех запасов АТФ и развития состояния стойкого мышечного сокращения.
Запасов АТФ в мышце обычно хватает для энергетического обеспечения 3 – 4 одиночных сокращений максимальной силы, т. е. на 0,5 – 1,0 с работы.
Тем не менее значительного снижения концентрации АТФ не происходит. Это объясняется тем, что по ходу работы АТФ восстанавливается из продуктов распада с той же скоростью, с которой она расщепляется. Для ресинтеза АТФ из продуктов ее распада необходима энергия.
АТФ в митохондриях образуется в цикле Кребса, где ацетил-коэнзим А (ацетил-КоА) окисляется с участием кислорода до CO
и образования АТФ. С помощью фермента-переносчика адениннуклеотидтранслоказы АТФ перемещается из митохондрий в цитозоль, где используется в различных метаболических реакциях.
В истории апробировались три способа возможного повышения уровня АТФ.
1. Во времена Первой мировой войны считали, что назначение в пищу фосфатов (4 г/сут) может улучшить физическое состояние человека. Позднее контролируемые клинические исследования не подтвердили эффективности фосфатной нагрузки.
2. Введение инозина (аденозина, рибоксина). Также не имеет смысла, так как дефицита и излишков АДФ и аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ) в клетке не наблюдается. У спортсменов применение инозина не влияло на аэробные возможности и ухудшало анаэробные. Инозин метаболизируется в мочевую кислоту и приводит к гиперурикемии. При внутривенном введении рибоксин распадется в доли секунды практически в месте инъекции.
3. Введение экзогенной АТФ составляло основу метаболической терапии в 60 – 80-х гг. прошлого столетия. Так как в клетке используется только митохондриальная АТФ, попытки улучшить мышечный метаболизм за счет введения экзогенной потерпели неудачу.
1.2.2. Ресинтез аденозинтрифосфорной кислоты в миокиназной реакции
Миокиназная реакция происходит в мышцах при значительном увеличении концентрации АДФ в цитоплазме клетки. Такая ситуация возникает при выраженном мышечном утомлении, когда скорость процессов ресинтеза АТФ не уравновешивает скорость ее гидролиза. С этой точки зрения миокиназную реакцию можно рассматривать как аварийный механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ в условиях, когда его невозможно осуществить другим путем:
При усилении миокиназной реакции часть образующейся АМФ может необратимо дезаминироваться и выводиться из сферы энергетического обмена. Это очень невыгодно организму, поскольку дезаминирование АМФ ведет к уменьшению общих запасов АТФ в мышцах со всеми вытекающими отсюда последствиями. И, тем не менее, некоторое увеличение концентрации АМФ в цитоплазме оказывает активирующее влияние на ферменты гликолиза и тем самым способствует повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ.
1.2.3. Ресинтез аденозинтрифосфорной кислоты в креатининфосфатазной реакции
В спортивной биохимии креатининфосфатазную реакцию называют реакцией энергетического буфера, или реакцией перефосфорилирования:
где Кр – креатин.
В мышцах человека креатининфосфокиназа обладает большой активностью, а исходные вещества реакции – АДФ и КрФ – проявляют высокое химическое сродство, поэтому и начинается реакция параллельно с началом гидролиза. Наивысшей скорости эта реакция достигает уже ко второй секунде. Ферментативное обеспечение реакции активизируется ионами Ca и, как это ни странно, креатинином – конечным продуктом реакции, что предотвращает ослабление ее интенсивности.
Эта реакция первой включается в процесс ресинтеза АТФ и протекает со значительной интенсивностью до тех пор, пока не будут исчерпаны запасы КрФ в мышцах. Реакцией «энергетического буфера» она называется за то, что обеспечивает постоянство содержания АТФ в мышцах при резких перепадах в скорости ее использования.
Содержание КрФ в мышцах примерно в 3 раза превышает содержание АТФ. Общие запасы фосфогенов в мышцах обеспечивают мышечную работу с максимальной силой в течение 10 – 15 с. В первые секунды, пока концентрация КрФ в мышцах высока, активность креатининфосфокиназы поддерживается на высоком уровне, эта реакция вовлекает в процесс большую часть АДФ и этим блокирует развитие других биоэнергетических реакций. Только после того как запасы КрФ в мышцах будут исчерпаны на 50 % (пятая-шестая секунды работы), скорость реакции начинает уменьшаться и постепенно в процесс ресинтеза АТФ вступает гликолиз. Это происходит с увеличением продолжительности работы. К тридцатой секунде скорость реакции уменьшается в 2 раза, а к третьей минуте составляет лишь 1,5 % от ее первоначального значения.
Креатининфосфатазная реакция протекает без кислорода, она легко обратима. После прекращения работы, когда в мышцах появляется переизбыток АТФ, происходит реакция ресинтеза КрФ, приводящая к восстановлению его до исходного уровня.
Креатининфосфатазная реакция составляет биохимическую основу локальной мышечной выносливости. Она играет решающую роль в энергетическом обеспечении кратковременных упражнений максимальной мощности – спринтерский бег (100 – 200 м), прыжки, метания, тяжелоатлетические упражнения. Эта реакция обеспечивает возможность быстрого перехода от покоя к работе, внезапных изменений темпа по ходу ее выполнения, финишного ускорения (спурт).
Возможности метаболической коррекции. Дополнительное введение креатинфосфата представлялось заманчивым способом усиления энергетических возможностей сократительного и пластического процессов. К сожалению, экзогенный креатинфосфат не проникает через клеточную мембрану и не может в обычных условиях поступить в клетку. Эта возможность появляется при нарушении проницаемости клеточных мембран при острых повреждениях, вызванных ишемией или чрезмерной физической нагрузкой. В спортивной медицине креатинфосфат в дозе 20 г/сут может быть полезен при кратковременных интенсивных физических нагрузках (спринт, хоккей и т. д.). В культуризме креатин позволяет существенно приподнять интенсивность тренинга, причем явное повышение силы чувствуется уже через 7 – 10 дней приема препарата в дозе 10 г/сут (по5гдоипосле тренировки).
В клинике креатинфосфат применяется только при остром инфаркте миокарда.
1.2.4. Ресинтез аденозинтрифосфорной кислоты в реакции анаэробного гликолиза
Как только в процессе мышечной работы креатининфосфатазная реакция перестает обеспечивать необходимую скорость восстановления АТФ и в клетке увеличивается концентрация свободных молекул АДФ, основную роль в ресинтезе АТФ начинает играть анаэробный гликолиз. В процессе гликолиза внутримышечные запасы гликогена и глюкозы расщепляются ферментативным путем до молочной кислоты:
При этом одна молекула глюкозы синтезирует всего две молекулы АТФ. Быстрому включению гликолиза в работу способствуют повышение концентрации АДФ и неорганического фосфора в цитоплазме клетки, а также свободные ионы Ca.
Максимальная мощность гликолиза несколько ниже предыдущей креатининфосфатазной реакции. Наибольшей скорости гликолиз достигает уже на тридцатой секунде работы, а к концу первой минуты становится основным источником энергии ресинтеза АТФ. Однако быстрое исчерпание небольших запасов гликогена в мышцах и снижение активности ключевых ферментов гликолитической цепи под влиянием накапливающейся молочной кислоты приводит к падению скорости гликолиза. Так, на двенадцатой-пятнадцатой минутах работы скорость гликолиза составляет только половину от первоначального значения.
Метаболическая емкость гликолиза определяется внутримышечными запасами углеводов и размерами буферных систем, что обеспечивает поддержание заданной мощности мышечной деятельности во временном интервале от 30 с до 2,5 мин. Таким образом, емкость гликолиза более чем в 10 раз выше емкости креатининфосфатазной реакции. И, тем не менее, эффективность гликолиза невысока. Это связано с тем, что большая часть энергии оказывается законсервированной в молекулах молочной кислоты, которая является промежуточным, недоокисленным продуктом химической реакции. Законсервированная энергия может быть выделена только в результате аэробного окисления. Поэтому КПД реакции всего около 37 %, т. е. более половины всей выделяемой энергии превращается в тепло и не может быть использовано для ресинтеза. В результате повышения скорости теплопродукции в работающих мышцах их температура увеличивается до 41 – 42 °C.
Образование молочной кислоты – недоокисленного, промежуточного продукта гликолитической реакции – происходит только в анаэробных условиях. В присутствии кислорода продуктом гликолитической реакции является пировиноградная кислота. Накопление молочной кислоты при анаэробной работе находится в прямой зависимости от мощности и времени выполнения работы. Увеличение количества молочной кислоты в цитоплазме мышечных клеток приводит к сдвигу рН в кислую сторону (метаболический ацидоз), нарушению процессов диффузии и осмоса. Клеточная мембрана «открывает» клетку, в межклеточную среду выходит молочная кислота, а из межклеточной среды в клетки засасывается вода, которая вызывает их набухание и ригидность. Это может стать причиной возникновения болевых ощущений в мышцах.
При чередовании периодов сокращения и отдыха мышца может работать без утомления. При интенсивной работе в условиях недостатка кислорода образовавшаяся молочная кислота легко диффундирует из мышц в кровь, и содержание ее в крови возрастает. В норме в крови содержится 0,555 – 2,220 ммоль/л молочной кислоты. При умеренной мышечной деятельности ее концентрация в крови может возрасти в 2 – 3 раза, при тяжелой работе это повышение выражено еще больше. Концентрация молочной кислоты повышается как в мышце, так и в крови. Возрастает также концентрация аммиака и других продуктов распада аденозинтрифосфорной и креатинфосфорной кислот. Вследствие этого наступает утомление мышцы, препятствующее дальнейшей работе.
Анаэробный гликолиз играет важную роль в напряженной мышечной деятельности, особенно в условиях неадекватного снабжения тканей кислородом. Он служит биохимической основой тренировки скоростной выносливости, является основным источником биологической энергии в упражнениях, продолжительность которых колеблется в пределах 0,5 – 3,0 мин (бег на средние дистанции, плавание 100 – 200 м, велосипедные гонки на треке, практически все гимнастические и акробатические упражнения и др.). За счет него также совершаются длительные ускорения по ходу упражнений и на финише дистанции.
Все, что приводит к накоплению гликогена в печени и мышцах, будет сопровождаться увеличением активности анаэробного гликолиза. Именно по этой причине основу питания здоровых людей и спортсменов составляют углеводы (70 %). Активность гликогенового синтеза значительно увеличена сразу после физических упражнений, в связи с чем насыщение углеводами должно начинаться сразу после выполнения нагрузки.
Возможности метаболической коррекции. Снижение уровня молочной кислоты и, соответственно, утомления мышц при анаэробной работе – интересное направление метаболической коррекции. Механизм действия цитруллина малата (Стимол) заключается в том, что малат выступает в роли метаболического посредника, помогающего обойти аммиачный блок окислительного пути и ограничить накопление молочной кислоты посредством переориентации ее в сторону глюконеогенеза, а цитруллин как промежуточный продукт цикла мочевины способствует ускорению этого цикла и выведению аммиака. Это лекарственное средство можно рассматривать как оптимальный вариант выбора терапии при астеническом синдроме различного генеза, приемлемый для пациентов всех возрастных групп.
Препарат эффективно стимулирует цикл Кребса, предотвращает развитие молочнокислого ацидоза, повышает уровень продукции АТФ. В спорте цитруллин применяют по 3 г дважды в день натощак. Некоторые специалисты рекомендуют принимать препарат за 30 мин до начала тренировки и тотчас же вслед за ее завершением.
1.2.5. Ресинтез аденозинтрифосфорной кислоты в аэробном процессе
Миокард во многом отличается от скелетной мускулатуры. Сердечная мышца относится к непрерывно функционирующим органам. Для нее характерно аэробное превращение веществ. Несмотря на то что при мышечной работе функция сердца также повышается, компенсаторно-защитные системы ее способствуют большей работоспособности, если сердце не поражено каким-либо патологическим процессом. Основная особенность миокарда состоит в том, что при интенсивной работе в нем не накапливается молочная кислота при распаде гликогена, это обусловлено преобладанием в миокарде аэробных процессов над анаэробными. Более того, молочная кислота служит одним из основных источников энергии для миокарда. Наряду с ней в качестве источника энергии расходуются пировиноградная кислота, глюкоза, гликогенные аминокислоты и жирные кислоты.
Скелетная мускулатура, в отличие от сердечной, не может непосредственно утилизировать молочную кислоту. Для ее использования скелетной мускулатурой молочная кислота должна попасть в печень, где она превращается в гликоген, который далее утилизируется работающими мышцами.
Использование миокардом молочной кислоты, образующейся в работающей скелетной мышце и способствующей ее утомлению, является одним из удивительных примеров компенсаторной приспособляемости. Другие компенсаторные механизмы сердца – способность при недостатке кислорода использовать анаэробный путь прямого превращения глюкозы в молочную кислоту (скелетная мускулатура не обладает такой способностью) и наличие в миокарде запасов миоглобина, представляющих собой местный резервуар кислорода, который может освобождаться лишь при его низком парциальном давлении.
Вышедшая в межклеточную среду молочная кислота достаточно быстро всасывается в кровь, увеличивая нормальные показатели содержания молочной кислоты в крови. Имеющийся в кровеносном русле защитный механизм – бикарбонатная буферная система – разрушает молочную кислоту с образованием в качестве конечного продукта реакции CO
. Хотя он и выводится из организма, образовавшийся в результате химической реакции его «неметаболический избыток» в большом количестве приносится током крови в продолговатый мозг. Реагируя на этот мощнейший раздражитель, сосудодвигательный и дыхательный вегетативные центры интенсифицируют деятельность соответствующих органов и систем, усиливается легочная вентиляция и скорость доставки кислорода к работающим мышцам. Происходит удивительное превращение, очень образно названное «переход на второе дыхание». Появляется ощущение удовлетворения от выполняемой работы – «состояние мышечной радости». Это интересное явление в спортивной биохимии получило название реакции окислительного фосфорилирования, так как в основе энергообеспечения, необходимого для поддержания его жизнеспособности и функциональной активности, лежит окислительное фосфорилирование двух основных субстратов: свободных жирных кислот (СЖК) глюкозы и, в некоторой степени, лактата.
СЖК относительно беспрепятственно проникают через клеточную мембрану. Скорость захвата СЖК определяется, прежде всего, их концентрацией в крови, которая может значительно изменяться в пределах от 0,1 до 1,5 ммоль/л.
При попадании в цитозоль СЖК частично эстерифицируются с образованием триглицеридов, таким образом депонируясь внутриклеточно, и частично ацетилируются, превращаясь в активную форму – ацил-коэнзим А (ацил-КоА). Последний взаимодействует с белком-переносчиком карнитином с образованием ацилкарнитина, и в этом комплексе СЖК проникают в митохондрии. Здесь ацилкарнитин расщепляется до карнитина, который возвращается в цитозоль, а ацил-КоА подвергается b-окислению, в результате которого образуется ацетил-КоА, который является субстратом цикла Кребса.
Глюкоза, в отличие от СЖК, проникает через клеточную мембрану только с помощью видов специального белка-переносчика: GLUT1 – в инсулиннечувствительных тканях и GLUT4 – в инсулинчувствительных, к которым относится миокард. Выраженность экспрессии GLUT4 на мембране кардиомиоцитов определяется содержанием инсулина в крови, и если в состоянии покоя на мембране экспрессировано менее 10 % этого переносчика, то при действии инсулина в высокой концентрации экспрессия GLUT4 возрастает в 7 – 10 раз.
В цитозоле глюкоза и лактат в процессе анаэробного гликолиза, т. е. без участия кислорода, превращаются в пируват. При этом из одной молекулы глюкозы образуются 4 молекулы АТФ, но 2 из них расходуются в процессе реакции. Поэтому анаэробный гликолиз может обеспечить не более2%отобщего количества АТФ, нормально потребляемого клеткой. Однако на этом этапе процесс не прекращается, и пируват поступает в митохондрии. Здесь он при участии фермента пируватдегидрогеназы (ПДГ) превращается в ацетил-КоА, который создает общий пул с ацетил-КоА, образующимся из СЖК.
