10. Энергетика мышечного сокращения. Источники энергии для сокращения и расслабления мышц. Пути ресинтеза атф при мышечной деятельности.

ОТВЕТ: При работе мышц химическая энергия превращается в механическую (развитие напряжения или сокращение мышечных волокон). Для сокращения и расслабления мышц потребляется энергия аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Расщепление АТФ до АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата сопровождается выделением 10 ккал энергии на 1 моль.

Запасов АТФ в мышцах хватает только на 1 – 2 секунды работы. Вместе с тем при отсутствии аденозинтрифосфата в мышце развивается контрактура (не работает кальциевый насос, и мышца не может расслабляться). Таким образом, для нормального функционирования мышцы требуется постоянное восполнение запасов АТФ, которое обеспечивается последовательным включением ряда механизмов.

В первую очередь (через 1 – 2 секунды после начала мышечной работы) запускается креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ. Креатинфосфат – это макроэргическое соединение, состоящее из молекулы креатина, связанной с остатком фосфорной кислоты. Он взаимодействует с АДФ с образованием АТФ и креатина при участии фермента креатинкиназы. В покое эта реакция практически не протекает, однако при мышечной нагрузке её скорость значительно увеличивается под влиянием ионов кальция (его концентрация резко возрастает при мышечном сокращении), а также образовавшегося креатина и АДФ. Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ является самым мощным, однако запасов креатинфосфата хватает всего на 3 минуты. При этом максимальная скорость реакции образования АТФ наблюдается 8 – 10 секунд, а уже через 30 секунд её скорость снижается вдвое.

Гликолитический путь ресинтеза АТФ запускается через 20 – 30 секунд после начала мышечной работы. Источником энергии для этого пути является полисахарид гликоген, который представляет собой полимер глюкозы. Концевые остатки глюкозы отщепляются от молекулы гликогена в виде глюкозо-1-фосфата ферментом фосфорилазой. Затем молекулы глюкозо-1-фосфата через ряд последовательных реакций превращаются в молочную кислоту (лактат), при этом образуется три молекулы АТФ. Эта реакция называется гликолизом. В гликолиз вовлекается также глюкоза, поступающая в мышцы из крови.

Реакции гликолитического пути могут ускоряться и тормозиться за счёт повышения или снижения активности ферментов фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Повышение скорости гликолиза происходит под влиянием АДФ, АМФ, ионов кальция, а снижение – при избытке АТФ. Таким образом, в покое гликолиз протекает очень медленно, а при интенсивной мышечной работе, когда концентрация АТФ снижается, а ионов кальция и АДФ – возрастает, его скорость может увеличиваться в 2000 раз.

Время, в течение которого гликолиз протекает с максимальной мощностью, ограничено 2 – 3 минутами. После этого происходит снижение запасов гликогена в мышцах. Кроме того, накапливается продукт реакции – лактат, что приводит к снижению рН и угнетению активности ферментов.

Аэробный путь ресинтеза АТФ (тканевое дыхание или окислительное фосфорилирование) (Слайд 6) запускается в последнюю очередь (через 3 – 4 минуты после начала мышечной работы). Этот путь образования АТФ является базовым. Сущность тканевого дыхания заключается в том, что от окисляемого вещества отщепляются два атома водорода (точнее – два иона водорода и два электрона), которые затем по цепи дыхательных ферментов, расположенных на внутренней мембране митохондрий, переносятся на молекулу кислорода. В результате образуется вода и происходит синтез АТФ.

Аэробный путь ресинтеза АТФ является самым экономичным, поскольку с каждой молекулы используемого вещества получается наибольшее количество АТФ. Например, с одной молекулы глюкозы при анаэробном гликолизе образуется только две молекулы АТФ, а при дальнейшем вовлечении продуктов анаэробного гликолиза в аэробный путь – ещё 36 молекул. Другими словами, окисляемые вещества используются более эффективно. Кроме того, процессы тканевого дыхания могут протекать с высокой активностью в течение десятков минут, поскольку окисляемые вещества и кислород, необходимые для аэробного пути ресинтеза АТФ, постоянно поступают в работающую мышцу с кровью.

Недостатком данного способа получения энергии является медленный его запуск (3 – 4 минуты, у спортсменов – 1 минута). Для выхода процессов тканевого дыхания на максимальный уровень требуется вовлечение не только ферментов мышечной ткани, но и дыхательной и сердечно-сосудистой систем. Кроме того, для этого способа получения энергии характерна сравнительно низкая мощность (в три раза меньше, чем у креатинфосфатного пути и в два раза меньше по сравнению с анаэробным гликолизом). Объясняется это ограниченностью возможностей аэробного гликолиза количеством митохондрий и доставкой кислорода в мышечные волокна.

Таким образом, при любой мышечной работе работают все три способа получения энергии, но включаются они последовательно. В первые секунды ресинтез АТФ осуществляется за счёт креатинфосфатной реакции, затем включается гликолиз и, наконец, происходит вовлечение тканевого дыхания. Конкретный вклад каждого их механизмов энергообеспечения мышечных сокращений зависит от интенсивности и продолжительности нагрузок. При кратковременной, но очень интенсивной работе (например, бег на 100 м) главным источником энергии является креатинфосфатный путь. При более продолжительной интенсивной работе (например, бег на средине дистанции) большая часть АТФ образуется путём анаэробного гликолиза. При длительных умеренных нагрузках основным источником энергии является тканевое дыхание.

11. Типы мышечных волокон (медленные неутомляемые, быстрые неутомляемые и быстрые утомляемые).

ОТВЕТ: В зависимости от строения и особенностей восстановления энергетических ресурсов мышечные волокна подразделяют на медленные неутомляемые (I-типа), быстрые неутомляемые или промежуточные (II-а типа) и быстрые утомляемые (II-б типа).

Медленные волокна (медленные окислительные) – выносливые (неутомляемые), легковозбудимые. Для них характерно богатое кровоснабжение (разветвлённая капиллярная сеть), большое количество митохондрий, а также запас миоглобина. Миоглобин – это белок, который способен связывать кислород, а при снижении кровоснабжения и дефиците кислорода – отдавать его.

Медленные волокна для энергообразования используют окислительные процессы. Они легко включаются в работу, очень выносливы, но не обладают достаточной силой. Эти волокна используются в основном для поддержания позы, их количество составляет примерно 50% от общего числа мышечных волокон.

Быстрые утомляемые волокна (быстрые гликолитические) используют анаэробные процессы энергообразования. Они менее возбудимы, включаются при больших нагрузках и обеспечивают быстрые мощные сокращения мышц. Но с другой стороны их волокна быстро утомляются. Количество этих волокон – примерно 30%.

Быстрые неутомляемые – обладают достаточно высокой скоростью и силой сокращений и используют для восстановления энергии аэробные процессы. Их количество – примерно 20%.

Волокна гликолитического типа называют ещё белыми, поскольку в них содержится много гликогена, мало митохондрий и миоглобина. Окислительные волокна называются красными, так как в них много миоглобина и митохондрий.

Соотношение волокон разного типа в различных мышцах неодинаково и зависит от функции мышцы. Например, в трёхглавой мышце плеча преобладают быстрые волокна, поскольку для неё характерны скоростно-силовые свойства. В камбаловидной мышце, наоборот, больше медленных волокон, вследствие чего она обладает высокой выносливостью.

Однако состав мышечных волокон в одних и тех же мышцах неодинаковый у разных людей и зависти от врождённых индивидуальных особенностей. В процессе тренировки количество мышечных волокон разных типов не меняется, происходит только увеличение толщины тех волокон, которые испытывают наибольшую нагрузку. Например, при скоростно-силовой тренировке увеличивается диаметр быстрых волокон, при тренировке на выносливость – медленных.