Биохимия мышц

Химический состав мышечной ткани В мышечной ткани человека содержится 72—80 % воды и 20—28 % су­хого остатка от массы мышцы. Вода входит в состав большинства кле­точных структур и служит растворителем для многих веществ. Большую часть сухого остатка образуют белки и другие органические соединения.

Основные белки мыши Среди белков мышечной ткани выделяют три основные группы: саркоплазматические белки, на долю которых приходится около 35 %, миофибриллярные белки, составляющие около 45 %, и белки стромы, количество ко­торых достигает 20 %.

Саркоплазматические белки растворимы в воде и слабых солевых растворах. Основную массу их составляют белки-ферменты, локализован­ные главным образом в митохондриях и катализирующие процессы окис­лительного фосфорилирования, а также многие ферменты гликолиза, азо­тистого и липидного обменов, находящиеся в саркоплазме. К этой группе относится также белок миоглобин. В последнее время открыта группа саркоплазматических белков парвальбуминов, которые способны связывать ионы кальция, однако их физиологическая роль остается не выясненой.

Миофибриллярные белки включают сократительные белки миозин, актин и актомиозин, а также регупяторные белки тропомиозин, тропонин.

Белки мышечной стромы в скелетной мышце представлены в основ­ном коллагеном и эластином, которые входят в состав сарколеммы и Z-линий миофибрилл.

Небелковые компоненты мышц В состав сухого остатка мышц наряду с белками входят и другие вещес­тва, среди которых выделяют азотсодержащие, безазотис­тые экстративные вещества и минеральные вещества. К азотсодержащим веществам скелетных мышц относятся АТФ и про­дукты ее расщепления — АДФ и АМФ, а также креатинфосфат, креатин, креатинин, карнозин, ансерин, свободные аминокислоты и др. К безазотистым соединениям мышечной ткани относится гликоген, триглицериды в виде капелек жира, а также холестерин. Минеральные вещества составляют 1—1,5% общей массы мышцы. Основными катионами являются Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Са²⁺. В мышечной ткани содержится ряд микроэлементов: кобальт, железо, никель, бор, цинк и др.

Биохимия сокращения

Процесс сокращения и расслабления мышц является энергозависимым. АТФ выполняет в сокращении мышц следующую роль:

• в покоящейся мышце — препятствует соединению актиновых нитей с миозиновыми;

• в процессе сокращения мышцы — поставляет необходимую энергию для движения тонких нитей относительно толстых, что приводит к укоро­чению мышцы или развитию напряжения;

• в процессе расслабления — обеспечивает энергией активный тран­спорт Са²⁺ в ретикулум.

Для поддержания сократительной функции мышцы концентрация АТФ в ней должна находиться на постоянном уровне в пределах от 2 до 5 ммоль • кг"¹. Поэтому при мышечной деятельности АТФ должна восста­навливаться со скоростью, с которой расщепляется в процессе сокраще­ния, что осуществляется отдельными биохимическими механизмами ее ресинтеза.

Ресинтез АТФ может осуществляться в реакциях, протекающих без участия кислорода (анаэробные механизмы) или с участием вдыхаемого кислорода [аэробный механизм).

В обычных условиях ресинтез АТФ в тканях происходит преимущес­твенно аэробно, а при напряженной мышечной деятельности, когда доставка кислорода к мышцам затруднена, в тканях усиливаются и ана­эробные механизмы ресинтеза АТФ. В скелетных мышцах человека выяв­лены три вида анаэробных и один аэробный путь ресинтеза АТФ.

К анаэробным механизмам относятся:

• креатинфосфокиназный (фосфогенный или алактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ за счет перефосфорилирования между креатинфосфатом и АДФ;

• гликолитический (лактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ в процессе ферментативного анаэробного расщепления гликогена мышц или глюкозы крови, заканчивающегося образованием молочной кис­лоты, поэтому и называется лактатным;

• миокиназный механизм, осуществляющий ресинтез АТФ за счет ре­акции перефосфорилирования между двумя молекулами АДФ с участием фермента миокиназы (аденилаткиназы).

Аэробный механизм ресинтеза АТФ включает в основном реакции окислительного фосфорилирования, протекаемые в митохондриях. Энер­гетическими субстратами аэробного окисления служат глюкоза, жирные кислоты, частично аминокислоты, а также промежуточные метаболиты гли­колиза — молочная кислота, окисления жирных кислот — кетоновые тела.

Каждый механизм имеет разные энергетические возможности, кото­рые характеризуются по следующим критериям оценки механизмов энер­гообразования: максимальная мощность, скорость развертывания, мета­болическая емкость и эффективность.

Максимальная мощность — это наибольшая скорость образования АТФ в данном метаболическом процес­се. Она лимитирует предельную интенсивность работы, выполняемой за счет данного механизма.

Скорость развертывания оценивается временем достижения максимальной мощности данного пути ресинтеза АТФ от на­чала работы.

Метаболическая емкость отображает общее количество АТФ, которое может быть получено в данном механизме ресинтеза за счет ве­личины запасов энергетических субстратов; емкость лимитирует объем выполняемой работы.

Метаболическая эффективность — это та часть энергии, которая накапливается в макроэргических связях АТФ; она опре­деляет экономичность выполняемой работы и оценивается общим значе­нием коэффициента полезного действия (КПД), представляющего отноше­ние всей полезно затраченной энергии к ее общему количеству, выделен­ному в данном метаболическом процессе.

Работа различной мощности и продолжительности обеспечивается различными механизмами энергообразования. Это хорошо прослеживает­ся по общему энергетическому вкладу каждого механизма в энергообес­печение бега на разные дистанции. С увеличением продолжи­тельности бега уменьшается доля анаэробных механизмов энергообразо­вания и увеличивается доля аэробного энергообразования. Однако в усло­виях соревнований наблюдается максимальное усиление всех систем, обеспечивающих специальную работоспособность, а предоминирование какой-то отдельной системы зависит от продолжительности упражнения. Поэтому при построении тренировки необходимо развивать производи­тельность каждой энергетической системы.

В спортивной практике физические упражнения, в которых вклад анаэробных алактатного и гликолитического процессов составляет бо­лее 60 % энергетического запроса, обычно относят к упражнениям ана­эробного характера. Длительные физические упражнения, где относи­тельный вклад аэробного процесса в затратах энергии превышает 70 %, относят к упражнениям аэробного характера. Упражнения, при которых аэробные и анаэробные процессы энергообеспечения имеют примерно равное значение, относятся к смешанным анаэробно-аэробным наг­рузкам. К этим упражнениям относится бег на дистанции 1000 и 3000 м. Каждый механизм энергообразования имеет определенные резер­вы, которые раскрываются или развиваются в процессе адаптации к специфической физической тренировке. Аэробная производитель­ность спортсменов, специализирующихся в видах спорта на выносли­вость, зависит от адаптационных изменений мощности и емкости аэробного механизма энергообеспечения мышечной деятельности. Емкость аэробного механизма, которая в значительной степени опреде­ляется запасами гликогена в скелетных мышцах и печени, а также уровнем утилизации О₂ мышцами, существенно повышается уже в тече­ние 1,5—2 месяцев тренировки на выносливость. Мощность аэробного механизма, которая зависит от МПК и активности окисли­тельных ферментов, также увеличивается в процессе адаптации к мышечной деятельности через 2—3 месяца тренировки. Значительно повышается активность окислительных ферментов. Более медленно происходит увеличение емкости капилляров и доставка кислорода в мышцы. Увеличивается количество гемоглобина в крови и миоглобина в мышцах, количество, величина и плотность митохондрий, что повышает способность мышц утилизировать кислород и осу­ществлять аэробный ресинтез АТФ. В таких условиях повышается спо­собность тренированных мышц окислять пировиноградную кислоту, что предотвращает накопление молочной кислоты, а также усиливает окис­ление жиров. Это обеспечивает более эффективное выполнение дли­тельной работы.

В процессе скоростной тренировки существенно изменяются ана­эробные механизмы энергообеспечения. Отмечается увеличение их мощ­ности и емкости. Это связано с повышением активности фер­ментов анаэробных механизмов и запасов энергетических субстратов. Так, при адаптации содержание креатинфосфата в скелетных мышцах может увеличиваться в 1,5—2 раза, а содержание гликогена — почти в 3 раза. Уровень молочной кислоты у спортсменов — спринтеров высокого класса после работы может достигать 25—30 ммоль • л~\ тогда как у нетренированных при такой же физической работе — 6—12 ммоль • л~¹. Связано это с повышением буферной емкости крови, которая при ана­эробной тренировке увеличивается на 20—50 %. Алактатный механизм у высококвалифицированных спринтеров может обеспечивать скоростную работу в течение 15—45 с, а лактатный —до 3—4 мин. Это необходимо учи­тывать при подборе тренирующих нагрузок.