Биохимия в практике спорта

Небелковые азотистые экстрактивныеIII. Биохимическивеществапоказатели

В скелетных мышцах содержится ряд важных азотистых экстрактивных веществ: адениновые нуклеотиды (АТФ, АДФ и АМФ), нуклеотиды неаденинового ряда, креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин, свободные аминокислоты и др. На долю креатина и креатинфосфата приходится до 60% небелкового азота мышц. Креатинфосфат и креатин относятся к тем азотистым экстрактивным веществам мышц, которые участвуют в химических процессах, связанных с мышечным сокращением

Мышечная ткань и безазотистые вещества

Одним из основных представителей безазотистых органических веществ мышечной ткани является гликоген. Его концентрация в норме колеблется от 0,5 до 2% и выше. На долю других представителей углеводов приходятся десятые и сотые доли процента. В мышцах находят лишь следы свободной глюкозы и очень мало гексозофосфатов. В процессе метаболизма глюкозы, а также аминокислот в мышечной ткани образуются молочная, пировиноградная кислоты и другие карбоновые кислоты.

В том или ином количестве в мышечной ткани обнаруживаются также триглицериды и холестерин.

Состав неорганических солей в мышцах разнообразен. Из катионов больше всего калия и натрия. Калий сосредоточен главным образом внутри мышечных волокон, а натрий – преимущественно в межклеточном веществе. Значительно меньше в мышцах магния, кальция и железа. В мышечной ткани содержится ряд микроэлементов: кобальт, алюминий, никель, бор, цинк и др.

Некоторые особенности химического состава сердечной мышцы и гладкой мышечной ткани

Сердечная мышца по содержанию ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетной мускула-

91

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

турой и гладкими мышцами. В сердечной мышце и особенно в гладких мышцах значительно меньше миофибриллярных белков, чем в скелетной мышце. Концентрация белков стромы в гладких мышцах и миокарде выше, чем в скелетной мускулатуре. Известно, что миозин, тропомиозин и тропонин сердечной мышцы и гладкой мускулатуры заметно отличаются по своим физико-химическим свойствам от соответствующих белков скелетной мускулатуры. Отмечены определенные особенности и во фракциях саркоплазматических белков. Саркоплазма гладкой мускулатуры и миокарда в процентном отношении содержит больше миоальбумина, чем саркоплазма скелетной мускулатуры. Содержание АТФ в сердечной мышце на 1 г ткани (2,60 мкмоль) ниже, чем в скелетной, и выше, чем в гладкой мускулатуре. По содержанию гликогена сердечная мышца также занимает промежуточное положение между скелетной и гладкой мускулатурой. По данным Северина С.Е. (1965), как в сердечной, так и в гладкой мускулатуре обнаруживаются лишь следы ансерина и карнозина (не более 0,1 г на 1 кг сырой массы).

Имеется определенная зависимость между характером работы мышц и содержанием фосфоглицеридов. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфоглицеридами, при окислении которых, по-видимому, вырабатывается значительная часть энергии, необходимой для его сокращения.

Источники энергии мышечной деятельности

Принято считать, что процессом, непосредственно связанным с работающим механизмом поперечно-полосатого мышечного волокна, является распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата. В процессе мышечной деятельности происходит непрерывный ресинтез АТФ. Ресинтез АТФ обеспечивается трансфосфорилированием АДФ с креатинфосфатом. Данная реакция катализируется ферментом креатинкиназой.

Креатинкиназный путь ресинтеза АТФ является чрезвычайно быстрым и максимально эффективным (за счет каждой молекулы креатинфосфата образуется молекула АТФ). Именно поэтому долгое время не удавалось установить уменьшение концентра-

92

III. Биохимические показатели

ции АТФ и соответственно повышение концентрации АДФ даже при достаточно продолжительном тетанусе. Применив специфический ингибитор креатинкиназы, а также с помощью агентов, препятствующих окислительному фосфорилированию АДФ в АТФ, Кейн Т. и соавт. (1962) смогли продемонстрировать прямой распад АТФ с одновременным приростом неорганического фосфата и АДФ при одиночном сокращении изолированной мышцы. Некоторое количество АТФ может ресинтезироваться в ходе аденилаткиназной (миокиназной) реакции.

Запасы креатинфосфата в мышце невелики, а доступность энергии креатинфосфата имеет ценность для работающей мышцы только в том случае, если расход его постоянно возмещается синтезом АТФ в процессе метаболизма.

Запасы креатинфосфата в мышцах определяются по выделению креатинина с мочой за сутки в расчете на 1 кг массы тела. Норма коэффициета у мужчин ‒ 18–32, у женщин ‒ 10–25 мг/ сут-кг.

Для любой ткани, в том числе мышечной, известны два фундаментальных биохимических процесса, в ходе которых регенерируются богатые энергией фосфорные соединения. Один из них – гликолиз, другой – окислительное фосфорилирование.

Наиболее важный и эффективный путь – окислительное фосфорилирование. При достаточном снабжении кислородом мышца, несмотря на анаэробный механизм сокращения, в конечном итоге работает за счет энергии, образующейся при окислении (в цикле Кребса) как продуктов распада углеводов, так и ряда других субстратов тканевого дыхания, в частности жирных кислот, а также ацетата и ацетоацетата.

При работе умеренной интенсивности мышца может покрывать свои энергетические затраты за счет аэробного метаболизма. Однако при больших нагрузках, когда возможность снабжения кислородом отстает от потребности в нем, мышца вынуждена использовать гликолитический путь снабжения энергией. При интенсивной мышечной работе скорость расщепления гликогена или глюкозы с образованием молочной кислоты увеличивается в сотни раз. Соответственно содержание молочной кислоты в мышечной ткани может повышаться до

93

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

1,0–1,2 г/кг и более С током крови значительное количество молочной кислоты поступает в печень, где ресинтезируется в глюкозу и гликоген за счет энергии окислительных процессов (глюконеогенез).

При накоплении молочной кислоты в значительных количествах изменяются упруговязкие свойства мышц, что отражается на уменьшении скорости сокращений (за счет снижения возможности их расслабления).

Перечисленные механизмы ресинтеза АТФ в начале мышечной деятельности включаются в строго определенной последовательности. Наиболее экстренным является креатинкиназный механизм, и лишь примерно через 20 с максимально интенсивной работы начинается усиление гликолиза, которое достигает максимума через 40–80 с. При более длительной, а следовательно и менее интенсивной работе, все большее значение приобретает аэробный путь ресинтеза АТФ.

Содержание АТФ и креатинфосфата в сердечной мышце ниже, чем в скелетной мускулатуре, а расход АТФ велик. В связи с этим ресинтез АТФ в миокарде должен происходить намного интенсивнее, чем в скелетной мускулатуре. Для сердечной мышцы человека основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений является путь окислительного фосфорилирования, связанный с поглощением кислорода. Регенерация АТФ в процессе анаэробного расщепления углеводов (гликолиз) в сердце человека практического значения не имеет. Именно поэтому сердечная мышца очень чувствительна к недостатку кислорода. Характерной особенностью обмена веществ в сердечной мышце, по сравнению со скелетной, является то, что аэробное окисление веществ неуглеводной природы при работе сердечной мышцы имеет бóльшее значение, чем при сокращении скелетной мышцы. Только 30–35% кислорода, поглощаемого сердцем в норме, расходуется на окисление углеводов и продуктов их превращения. Главным субстратом дыхания в сердечной мышце являются жирные кислоты. Окисление неуглеводных веществ обеспечивает около 65–70% потребности миокарда в энергии. Из свободных жирных кислот в сердечной мышце особенно легко подвергается окислению олеиновая кислота.

94

Механизм мышечного сокращенияIII. Биохимические показатели

Биохимический механизм попеременного сокращения и расслабления мышц состоит из 5 стадий, а весь цикл в настоящее время представляется следующим образом:

1. Миозиновая «головка» может гидролизовать АТФ до АДФ и Н3РО4, но не обеспечивает освобождения продуктов гидролиза. Поэтому данный процесс носит скорее стехиометрический, чем каталитический, характер.

2. Содержащая АДФ и Н3РО4 миозиновая «головка» может свободно вращаться под большим углом и (при достижении нужного положения) связываться с F-актином, образуя с осью фибриллы угол около 90°.

3. Это взаимодействие обеспечивает высвобождение АДФ и Н3РО4 из актин-миозинового комплекса. Актомиозиновая связь имеет наименьшую энергию при величине угла 45°, поэтому изменяется угол миозина с осью фибриллы с 90° на 45° (примерно) и происходит продвижение актина (на 10–15 нм) в направлении центра саркомера.

4. Новая молекула АТФ связывается с комплексом миозин– F-актин.

5. Комплекс миозин–АТФ обладает низким сродством к актину, и поэтому происходит отделение миозиновой (АТФ) «головки» от F-актина. Последняя стадия и есть собственно расслабление, которое отчетливо зависит от связывания АТФ с актин-миозиновым комплексом. Затем цикл возобновляется.

Регуляция сокращения и расслабления мышц

Сокращение любых мышц происходит по общему механизму, описанному ранее. Мышечные волокна разных органов могут обладать различными молекулярными механизмами регуляции сокращения и расслабления, однако всегда ключевая регуляторная роль принадлежит ионам Са2+. Установлено, что миофибриллы обладают способностью взаимодействовать с АТФ и сокращаться в его присутствии лишь при наличии в среде определенных концентраций ионов кальция. Наибольшая сократительная

95

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

активность наблюдается при оптимальной концентрации ионов Са2+. При понижении концентрации Са2+ мышечные волокна теряют способность к укорочению и развитию напряжения в присутствии АТФ.

По современным представлениям, в покоящейся мышце (в миофибриллах и межфибриллярном пространстве) концент- рация ионов Са2+ поддерживается ниже пороговой величины в результате связывания их структурами (трубочками и пузырьками) саркоплазматической сети и так называемой Т-системой при участии особого Са2+-связывающего белка, получившего название кальсеквестрина, входящего в состав этих структур. Связывание ионов Са2+ разветвленной сетью трубочек и цистерн саркоплазматической сети не является простой адсорбцией. Это активный физиологический процесс, который осуществляется за счет энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ Са2+- зависимой АТФазой саркоплазматической сети. При этом наблюдается весьма своеобразная картина: скорость выкачивания ионов Са2+ из межфибриллярного пространства стимулируется этими же ионами. В целом такой механизм получил название «кальциевая помпа» по аналогии с хорошо известным в физиологии натриевым насосом.

Возможность пребывания живой мышцы в расслабленном состоянии при наличии в ней достаточно высокой концентрации АТФ объясняется снижением в результате действия кальциевой помпы концентрации ионов Са2+ в среде, окружающей миофибриллы, ниже того предела, при котором еще возможны проявление АТФазной активности и сократимость акто-миозиновых структур волокна. Быстрое сокращение мышечного волокна при его раздражении от нерва (или электрическим током) является результатом внезапного изменения проницаемости мембран и как следствие – выхода из цистерн и трубочек саркоплазматической сети и Т-системы некоторого количества ионов Са2+ в саркоплазму. Как отмечалось, «чувствительность» актомиозиновой системы к ионам Са2+ (т.е. потеря актомиозином способности расщеплять АТФ и сокращаться в присутствии АТФ при снижении концентрации ионов Са2+ до 10–7М) обусловлена присутствием в контрактильной системе (на нитях F-актина) белка

96

III. Биохимические показатели

тропонина, связанного с тропомиозином. В тропонин-тропо- миозиновом комплексе ионы Са2+ связываются именно с тропонином. В молекуле тропонина при этом происходят изменения, которые, по-видимому, приводят к сдвигу всего тропонин-тро- помиозинового стержня и деблокировке активных центров актина, способных взаимодействовать с миозином с образованием сократительного комплекса и активной Mg2+-АТФазы. В продвижении актиновых нитей вдоль миозиновых важную роль играют временно замыкающиеся между нитями поперечные мостики, которые являются «головками» миозиновых молекул. Итак, чем большее число мостиков прикреплено в данный момент к актиновым нитям, тем больше сила мышечного сокращения.

Наконец, если возбуждение прекращается, содержание ионов Са2+ в саркоплазме снижается (кальциевая помпа), то циклы прикрепление–освобождение прекращаются, т.е. «головки» миозиновых нитей перестают прикрепляться к актиновым нитям. В присутствии АТФ мышца расслабляется, и ее длина достигает исходной. Если прекращается поступление АТФ (аноксия, отравление дыхательными ядами или смерть), то мышца переходит в состояние окоченения. Почти все поперечные мостики толстых (миозиновых) нитей присоединены при этом к тонким актиновым нитям, следствием чего и является полная неподвижность мышцы.

Существует методика определения тощей мышечной массы по количеству креатинина, выделяемого с мочой. Величина расчетная, определяемая по формуле:

0,0291 × креатинин мочи (мг × сут-1) + 7,38

Гликозаминогликаны и протеогликаны

Гликозаминогликаны − линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды. Раньше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие, смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозаминогликаны

97

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.

Протеогликаны – высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5–10%) и гликозаминогликанов (90–95%). Они образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани и могут составлять до 30% сухой массы ткани.

Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. Полисахаридные компоненты у разных протеогликанов разные. Протеогликаны отличаются от большой группы белков, которые называют гликопротеинами. Эти белки тоже содержат олигосахаридные цепи разной длины, ковалентно присоединенные к полипептидной основе. Углеводный компонент гликопротеинов гораздо меньше по массе, чем у протеогликанов, и составляет не более 40% от общей массы. Гликопротеины выполняют в организме человека разные функции и присутствуют во всех классах белков – ферментах, гормонах, транспортных, структурных белках и др. Представители гликопротеинов − коллаген и эластин, иммуноглобулины, ангиотензиноген, трансферрин, церулоплазмин, внутренний фактор Касла, тиреотропный гормон.

Биохимические изменения соединительной ткани при старении

Общим возрастным изменением, которое свойственно всем видам соединительной ткани, является уменьшение содержания воды и отношения: основное вещество/волокна. Показатель этого соотношения уменьшается как за счет нарастания содержания коллагена, так и в результате снижения концентрации гликозаминогликанов. В первую очередь значительно снижается содержание гиалуроновой кислоты. Однако не только уменьшается общее количество кислых гликозаминогликанов, но изменяется и количественное соотношение отдельных гликанов. Одновременно происходит изменение физико-химических свойств коллагена (увеличение числа и прочности внутри- и межмолекулярных поперечных связей, снижение эластичности и способности к набуханию, развитие резистентности к коллагеназе

98

и т.д.). Повышается структурная стабильностьIII. Биохимическиколлагеновыхпоказатели волокон (прогрессирование процесса «созревания» фибриллярных структур соединительной ткани). Следует помнить, что старение коллагена in vivo неравнозначно износу. Оно является своеобразным итогом протекающих в организме метаболических процессов, влияющих на молекулярную структуру коллагена.

Среди многих поражений соединительной ткани особое место занимают коллагенозы. Для них характерно повреждение всех структурных составных частей соединительной ткани: волокон, клеток и межклеточного основного вещества. Коллаген, синтезированный в отсутствие или при дефиците аскорбиновой кислоты, оказывается недогидроксилированным (т.е. имеет пониженную температуру плавления). Такой коллаген не может образовать нормальные по структуре волокна, что и приводит к поражению кожи и ломкости сосудов.

Повреждение мышечной ткани

Двигательная активность вызывает значительные биохимические и морфологические изменения в ткани скелетных мышц не всегда адаптивного характера. Порог повреждения тренированных мышц при высокоинтенсивных нагрузках выше по сравнению с нетренированными. Травма мышц у спортсмена это, как правило, вторичное метаболическое биохимическое повреждение, достигающее максимума на 1–3-й день после повреждающего сокращения.

Далее при длительных физических нагрузках в качестве основных факторов повреждения выступают нарушения кровообращения, гипоксические условия нагрузки, оксиданты, повышение лизосомальной активности клетки.

Повреждение мышечной ткани идет по пути повышения внутриклеточной концентрации Са2+ (и активации Са2+-зависи- мых протеиназ), что приводит к запуску расщепления белков скелетных мышц, воспалению и нарушению процессов регенерации. Развивается ацидоз в связи с продукцией большого количества лактата.

99

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Далее усиливаются окислительные процессы (особенно ПОЛ, инициатором которого является высокий уровень АФК) и повышается проницаемость мембран миоцитов. Как результат протекающей асептической воспалительной реакции – разрыв сарколеммы.

Повреждение миофибрилл происходит и из-за увеличения ацидоза (избыточное образование лактата), усиления катаболизма белковых структур (кетоз, избыточный уровень аммиака). Вначале следует мышечная усталость, но если продолжать физическую нагрузку в условиях блокады аэробного использования пирувата, повторного запуска глюконеогенеза и накопления аммиака, структура миофибрилл нарушается.

Миоглобин обеспечивает транспорт и хранение кислорода в поперечно-полосатой мускулатуре. Концентрация его в сыворотке пропорциональна мышечной массе, поэтому у спортсме- нов-мужчин уровень миоглобина выше. Определение миоглобина может использоваться для оценки уровня подготовки атлета. Выход в сыворотку миоглобина задерживается у тренированных спортсменов и ускоряется у потерявших спортивную форму. Значительное увеличение концентрации миоглобина наблюдается при деструкции клеток скелетной мускулатуры и дезадаптации мышц. При повреждении мышц происходит высвобождение миоглобина в сыворотку крови и появление его

в моче.

При повреждении мышечной ткани, исходя из сути биохимических процессов, реакции печени и почек, достоверными показателями будут:

– длительно высокий уровень КФК и ЛДГ;

– длительно высокий уровень миоглобина, BNP;

– высокий уровень ферритина;

– обнаружение тропонинов и актина в крови;

– высокие уровни малонового диальдегида, диеновых конъюгатов, молекул средней массы (эндогенная интоксикация);

– снижение активности глутатионпероксидазы, миелопероксидазы, супероксиддисмутазы (антиоксидантная защита);

– высокий уровень активных форм кислорода (ОМГ-тест) – повреждающий фактор;

100