Документ 818487

1
Лекция №4
ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ МЫШЦ
Мышцы у всех высших животных являются важнейшими исполнительными (рабочими) органами — эффекторами. У позвоночных различают
поперечнополосатые и гладкие мышцы.
Поперечнополосатые мышцы формируют двигательные аппараты скелета, глазодвигательный, жевательный и некоторые другие важные двигательные аппараты. К поперечнополосатым относится и мышца сердца. Поперечнополосатые мышцы человека и позвоночных животных (за исключением
сердечной) полностью контролируются ЦНС, они лишены автоматизма, т. е.
не способны работать без «приказа» из ЦНС. Их называют произвольной мускулатурой, имея в виду их подчинение воле у человека.
Гладкие мышцы позвоночных обслуживают внутренние органы. Они
слабо контролируются ЦНС, обладают автоматизмом и собственной интрамуральной, или метасимпатической, нервной сетью, в значительной степени
обеспечивающей их самоуправление. Гладкую мускулатуру (а также мышцу
сердца) иногда называют непроизвольной, имея в виду ее неподчинение волевому контролю у человека.
Мы на лекции более подробно будут рассматривать свойства поперечнополосатых мышц скелета позвоночных, как наиболее изученного объекта.
К сожалению на сегодняшний день менее подробно изучены свойства сердечной и гладких мышц позвоночных.
Каждое волокно скелетной мышцы — это тонкое (диаметром от 10 до
100 мкм) вытянутое на значительную длину (до 2-3 см) многоядерное образование — симпласт, — возникающее в раннем онтогенезе из слияния клеток-миобластов. Количество мышечных клеток генетически детерминировано и устанавливается к моменту рождения. Незначительное повышение возможно первые 4-е месяца после рождения. Первоначально учитывая визуальные отличия в цвете, мышечные клетки делили на красные и белые. Позже после определения скорости сокращения их стали разделять на быстрые и
медленные. Количество мышечных клеток в определенной мышце индивидуально, а также определяется половой принадлежностью.
Основной особенностью мышечного волокна является наличие в протоплазме (саркоплазме) массы тонких (диаметром порядка 1 мкм) нитей —
миофибрилл, расположенных вдоль длинной оси волокна. Миофибриллы состоят из чередующихся светлых и темных участков — дисков, причем в массе соседних миофибрилл у поперечнополосатых волокон одноименные диски
расположены на одном уровне (поперечном сечении). Последнее придает регулярную поперечную исчерченность (полосатость) всему мышечному волокну.
Комплекс из одного темного и двух прилежащих к нему половин светлых дисков, ограниченный тонкими Z-линиями, называют саркомером. Мио1
2
фибриллы, точнее — их саркомеры, — это сократительный аппарат, мотор
мышечного волокна.
Мембрана мышечного волокна — плазмалемма — сходна с нервной
мембраной. Ее особенность состоит лишь в том, что она дает регулярные Тобразные впячивания (трубки диаметром 50 нм) приблизительно на границах
саркомеров (у лягушек — на уровне Z-линии, у млекопитающих — на уровне
границы А- и /-дисков). Впячивания плазмалеммы увеличивают ее площадь, а
значит, общую электрическую емкость (См).
Внутри мышечного волокна между пучками миофибрилл параллельно
плазмалемме располагаются системы трубочек так называемого саркоплазматического ретикулума. Каждая такая система трубочек – это разветвленная, но замкнутая система, тесно прилегающая к миофибриллам и примыкающая своими слепыми концами (концевыми цистернами) к Т-образным впячиваниям плазмалеммы (Т-системе).
Т-система и саркоплазматический ретикулума — это аппараты, обеспечивающие передачу сигналов (возбуждения) с плазмалеммы на сократительный аппарат миофибрилл.
Иннервация поперечнополосатых мышечных волокон позвоночных
осуществляется мотонейронами спинного мозга или мозгового ствола. Один
мотонейрон коллатералями своего аксона иннервирует несколько мышечных
волокон. Комплекс, включающий один мотонейрон и иннервируемые мышечные волокна, называют двигательной, или нейромоторной единицей (ДЕ
или НМЕ).
Среднее число мышечных волокон, иннервируемых одним мотонейроном, характеризует среднюю величину ДЕ мышцы. Обратная ей величина
называется плотностью иннервации.
Плотность иннервации велика (ДЕ мала) в мышцах, приспособленных
для «тонких» движений (мышцы пальцев, наружные мышцы глаз, языка). В
мышцах осуществляющих грубые движения (мышцы туловища) плотность
мала.
Функциональная дифференцировка двигательных единиц. ДЕ могут
отличаться друг от друга своим строением, обменом веществ, функциональными особенностями. Прежде всего отличаются размерами.
По функциональным характеристикам ДЕ разделяют на быстрые и медленные. Отмечается тесная корреляция между свойствами мотонейронов и
иннервируемыми ими мышечными волокнами. Чем меньше тело мотонейрона, тем большим входным сопротивлением он обладает, тем выше его возбудимость и вовлекаемость в рефлекторные акты, и наоборот (принцип размерности Хеннемана). Медленные мотонейроны, как правило, низкопороговые,
высоковозбудимые, т. к. это малые мотонейроны. Уже при реализации очень
слабых статических сокращений мышц у медленных мотонейронов обнаружиается устойчивый уровень импульсации. По мере увеличения силы мышечного сокращения частота разрядов этих клеток меняется незначительно.
Их называют малоутомляемыми, или неутомляемыми, мотонейронами, по2
3
скольку они способны поддерживать длительный разряд без заметного снижения частоты на протяжении длительных отрезков времени.
Соответственно, медленные мышечные волокна способны к выполнению длительной работы преимущественно аэробного характера. Они окружены богатой капиллярной сетью, позволяющей им получать обильное
снабжение кислородом из крови. Повышенное содержание миоглобина, обусловливающего красный цвет этих волокон, облегчает транспорт кислорода
внутри мышечных клеток к митохондриям. Их также много. Все эти факторы
обусловливают использование медленными мышечными волокнами более
эффективного аэробного окислительного пути энергопродукции и определяют их высокую выносливость.
Быстрые высокопороговые мотонейроны включаются в активность
для обеспечения динамических и относительно больших по силе статических
сокращений мышц, а также в начале любого сократительного процесса, чтобы увеличить скорость нарастания напряжения мышцы («градиент силы»).
Чем больше сила и скорость движений, тем значительнее участие быстрых
ДЕ. Они относятся к утомляемым, т. к. не способны к длительному поддержанию относительно высокочастотного разряда.
Входящие в состав быстрых ДЕ мышечные волокна более толстые, содержат больше миофибрилл, обладают большей силой, чем медленные волокна. В них снижено содержание митохондрий, миоглобина и жиров, ниже
активность окислительных ферментов, около них меньше сеть капилляров.
Волокна этого типа (их еще называют белыми) обладают запасами гликогена,
активность гликолитических ферментов в них высокая. Не обладая большой
выносливостью, эти волокна более приспособлены для сильных, но относительно кратковременных сокращений, для выполнения работ большой мощности.
Механизм мышечного возбуждения аналогичен нервному, развитие
ПД связано с входящим натриевым током, а реполяризация с калиевым. однако сила ток здесь существенно больше, что соответствует большей емкости
мембраны, разряжаемой и заряжаемой в процессе развития и компенсации
ПД.
Передача сигнала с плазмалеммы на сократительный аппарат
миофибрилл. Сократительный аппарат скелетно-мышечного волокна приводится в активное состояние ионами Са2+.
Искусственное введение Са2+ в волокно тоже вызывает его сокращение.
В покое концентрация ионов Са2+ в миоплазме весьма низка (10-8 моль/л),
она значительно ниже порога для запуска сокращения (10-6 моль/л). В неповрежденное мышечное волокно этого типа даже при возбуждении внешний
Са2+ входит в очень небольших количествах. Поэтому запуск сокращения
здесь осуществляется за счет выброса Са2+ из его внутриклеточного депо —
саркоплазматического ретикулума. Концентрация Са2+ в нем достигает 10-4
моль/л. То, что при возбуждении мышечных волокон в их миоплазме резко
возрастает концентрация Са2+, демонстрируют опыты с экворином (белком
светящихся медуз, реагирующим на Са2+ свечением). Если экворин введен в
3
4
миоплазму волокна, то при каждом возбуждении (сокращении) регистрируется вспышка свечения. Выброс Са2+ из саркоплазматического ретикулума в
миоплазму, а за ним и длительное сокращение (контрактура) могут быть провоцированы некоторыми фармакологическими агентами, например кофеином.
Проницаемость мембраны саркоплазматического ретикулума для Са2+ в
покое мала, а утечка Са2+ компенсируется постоянной работой кальциевого
насоса саркоплазматического ретикулума и, по-видимому, задерживается
электрической поляризацией его мембраны. Выход Са2+ по концентрационному градиенту осуществляется при активации мембраны ретикулума,
открытии в ней Са-каналов. Активация мембраны ретикулума происходит
при распространении ПД внешней мышечной мембраны (ПДМ) на поперечные трубочки.
Потенциал действия поперечной трубочки (Т-системы), как полагают,
действует петлей своего тока на мембрану саркоплазматического ретикулума
через электрический синапс, формируемый Т-системой и концевой цистерной ретикулума. Локальное электрическое раздражение Т-системы приводит
к сокращению, локализованному в прилежащих саркомерах.
Таким образом, запуск сократительного акта производится следующей
цепочкой процессов: ПДМ → ПДт.системы →активация мембраны саркоплазматического ретикулума —> выход Са2+ в миоплазму → сокращение.
В мышцах, лишенных ПДМ, активация саркоплазматического ретикулума осуществляется петлей тока ПСП. После сокращения ионы Са2+ быстро
всасываются в ретикулум и наступают расслабление, покой и вместе с тем
готовность механизмов к новой реакции.
Структура саркомера и механизм сокращения мышечного волокна. Саркомер (повторяющийся сегмент миофибриллы) состоит из двух половин светлого, оптически изотропного диска (/) и одного темного, анизотропного (А) диска. Электронно-микроскопический и биохимический анализы
показывают, что у позвоночных темный диск сформирован параллельным
пучком толстых (диаметром порядка 10 нм) миозиновых нитей, имеющих
длину около 1,6 мкм. Молекулярная масса белка миозина составляет 500 килодальтон (кДа). На нитях миозина расположены выступы — головки миозиновых молекул длиной 20 нм. В светлых дисках имеются тонкие нити (диаметром 5 нм, длиной 1 мкм), построенные из белка актина (молекулярная
масса 42 кДа), а также тропомиозина и тропонина. В районе Z-лшшш, разграничивающей соседние саркомеры, пучок тонких нитей скреплен Zмембраной.
Соотношение тонких и толстых нитей в саркомере составляет 2:1.
Миозиновые и актиновые нити саркомера расположены так, что тонкие нити
могут свободно входить между толстыми, т. е. «задвигаться» в А-диск, что и
происходит при сокращении мышцы. В силу этого длина светлой части саркомера — I-диска — может быть разной: при пассивном растяжении мышцы
4
5
она увеличивается до максимума, при сокращении может уменьшаться до
нуля.
Механизм сокращения состоит в перемещении (протягивании) тонких
нитей вдоль толстых к центру саркомера за счет «гребных» движений головок миозина, периодически прикрепляющихся к тонким нитям, т. е. за счет
поперечных актомиозиновых мостиков.
При исследовании движения мостиков методом дифракции рентгеновских лучей показано, что амплитуда этих движений составляет 20 нм, а частота — 5-50 колебаний/с. Каждый мостик то прикрепляется и тянет нить, то
открепляется и «ждет» условий для нового прикрепления. Но огромное множество мостиков работает «вразнобой», и поэтому их общая тяга оказывается
равномерной во времени. Разнообразные исследования привели к следующему представлению о механизме циклической работы миозинового мостика.
В покое мостик заряжен энергией (миозин фосфорилирован), но он не
может соединиться с нитью актина, ибо между ними вклинена система из нити тропомиозина и глобулы тропонина.
При активации мышечного волокна и появлении в миоплазме ионов
2+
Са (в присутствии АТФ) тропонин изменяет свою конформацию и отодвигает нить тропомиозина, открывая для миозиновой головки возможность соединения с актином. Соединение головки фосфорилированного миозина с актином приводит к резкому изменению конформации мостика (его «сгибанию») и перемещению нити актина на один шаг (20 нм) с последующим разрывом мостика. Энергию на этот акт дает распад макроергической фосфатной связи, включенной в фосфорилактомиозин.
После этого в силу падения локальной концентрации Са2+ и отсоединения его от тропонина тропомиозин снова блокирует актин, а миозин снова
фосфорилируется за счет АТФ. Последний не только заряжает системы для
дальнейшей работы, но и способствует временному разобщению нитей, т. е.
пластифицирует мышцу, делает ее способной растягиваться под влиянием
внешних сил. Полагают, что на одно рабочее движение одного мостика
тратится одна молекула АТФ, причем роль АТФазы играет актомиозин (в
присутствии ионов Mg2+ и Са2+). Всего при одиночном сокращении тратится
0,3 мкмоль АТФ на 1 г мышцы.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что АТФ играет в мышечной работе
двоякую роль: фосфорилируя миозин, он обеспечивает энергией сокращение,
но, находясь в свободном состоянии, он обеспечивает и расслабление мышцы
(ее пластификацию). При исчезновении АТФ из миоплазмы развивается непрерывное сокращение — контрактура.
Все эти феномены могут быть продемонстрированы и на изолированных актомиозиновых комплексахнитях. Такие нити без АТФ твердеют (ригор), при добавлении АТФ — расслабляются, а при добавлении еще и Са2+
производят обратимое сокращение, аналогичное нормальному.
5
6
Механика мышцы. Различают два режима сократительной деятельности мышц: изотонический (когда мышца укорачивается при неизменном
внутреннем напряжении, что, например, бывает при небольшой величине
поднимаемого груза) и изометрический (при этом режиме мышца не укорачивается, а лишь развивает внутреннее напряжение, что бывает при ее закреплении с обоих концов и при нагрузке неподъемным грузом). Кроме того,
различают два основных вида мышечных сокращений: одиночные и тетанические.
Одиночные сокращения (или напряжения) возникают при действии на
мышцу одиночного нервного импульса или краткого толчка тока.
При этом в миоплазме мышцы происходит кратковременный подъем
концентрации Са2+вн, сопровождаемый кратковременной работой — тягой
мостиков, сменяющейся снова покоем. В изометрическом режиме одиночное
напряжение начинается через 2 мс после пика ПДМ, причем напряжению
предшествует краткое и незначительное так называемое латентное расслабление, создаваемое выходом Са2+ из саркоплазматического ретикулума, что
приводит к потере ретикулумом тургора* (напряженности и эластичности
ткани). В портняжной мышце лягушки одиночное напряжение достигает
максимума за 0,15-0,20 с и далее спадает экспоненциально за 0,7-0,8 с. В изотоническом режиме одиночное сокращение портняжной мышцы лягушки
имеет фазу подъема 0,05 с и фазу спада 0,05 с. Мышца укорачивается на 510% длины покоя.
Тетанические сокращения возникают при ритмической стимуляции
моторного нерва или мышцы. При редкой стимуляции (около 15 стим/с) происходит зубчатый (неполный) тетанус, при более частой (выше 25 стим/с)
— сплошной, или гладкий. При этом происходит слияние и наложение (суперпозиция) одиночных сокращений (напряжений).
Общая величина укорочения (и напряжения) в экспериментальных
условиях растет, и тем больше, чем чаще нервная активация. Это продолжается до известных пределов, так как при чрезмерной частоте нервных импульсов развивается частичный блок в синапсе, так называемый пессимум
(по Н. Е. Введенскому). Укорочение мышцы в состоянии оптимального тетануса составляет 20%.
Активность нервного ствола при его искусственной супрамаксимальной стимуляции — конечно, лишь модель работы пула мотонейронов. Обычный режим естественного сокращения мышечных волокон близок к зубчатому тетанусу. Однако такой режим функционирования единиц, составляющих
ДЕ, не сказывается на сокращении целой мышцы; оно напоминает гладкий
тетанус. Причина этого — асинхронность работы мотонейронов и обусловленная этим асинхронность сократительной реакции отдельных мышечных
волокон.
Общая физиология гладких мышц позвоночных животных
Гладкие мышцы позвоночных, формирующие мышечные слои стенок
желудка, кишки, мочеточников, бронхов, кровеносных сосудов и других
6
7
внутренних органов, построены из веретенообразных одноядерных мышечных клеток. Толщина этих клеток колеблется от 2 до 10 мкм, длина — от 50
до 400 мкм. Отдельные клетки в гладких мышцах связаны между собой низкоомными электрическими контактами — нексусами. В гладкомышечных
клетках имеются такие же миофибриллы, как и в поперечнополосатых. Однако эти структуры расположены в гладкомышечной клетке нерегулярно, почему сама эта клетка (волокно) и не имеет поперечной исчерченности. Гладкие мышцы иннервируются симпатическими и парасимпатическими нервами, а также метасимпатической нервной сетью. Однако не все гладкомышечные клетки иннервированы; многие из них контролируются нервной системой не прямо, а косвенно через другие гладкомышечные клетки. Осуществляется это благодаря тому, что клетки плотно прилегают друг к другу. В связи с этим первоначально предполагалось, что гладкие мышцы представляют
собой морфологический синцитий. Однако электронно-микроскопические
исследования показали, что не существует мембранной и цитоплазматической непрерывности между отдельными клетками, величина межклеточной
щели может доходить 50 – 150 нм. Но тем не менее они действуют как физиологический сенцитий.
Среди гладкомышечных клеток есть пейсмекерные*, генерирующие
спонтанные ПД кальциевой природы с овершутами. Непосредственной причиной этих ПД является спонтанная медленная деполяризация мембраны
(препотенциал). Периодически возникающие ПД пейсмекерных клеток, распространяясь по прочей массе мышечных клеток (со скоростью 5-10 см/с),
создают миогенный тонус гладких мышц.
В гладких мышцах некоторых внутренних органов ПД двух основных
типов: пикоподобные и с выраженным плато. Длительность пикоподобных
ПД составляет 5-80 мс, а ПД с плато, которые характерны для гладких мышц
матки, мочеиспускательного канала и некоторых сосудов, варьирует от 30 до
500 мс. Ионный механизм возникновения ПД в гладких мышцах отличается
от такового в поперечнополосатых мышцах. Вымывание из раствора ионов
Са2+ или блокада кальциевых каналов (например, верапамилом) приводит к
необратимому угнетению ПД, что свидетельствует о главной роли ионов Са2+
в генерации ПД гладких мышц.
Каждый ПД сам по себе вызывает одиночное сокращение гладкомышечной клетки, длящееся несколько секунд, сокращение мышц желудка лягушки длится более минутыф. Особенно медленно протекает расслабление
после сокращения. Тетанус в этой системе возникает при очень низких частотах ПД. Периодическое изменение частоты ПД пейсмекерных клеток (под
влиянием нервной системы или других факторов) создает колебания миогенного тонуса и более сложные формы двигательной активности гладких
мышц. Важно отметить, что гладкомышечные клетки, будучи растяжимыми
и пластичными, могут при определенной степени растяжения поляризоваться
и отвечать на это растяжение сокращением. Данный феномен лежит в основе
периферической саморегуляции тонуса гладких мышц сосудов, мочевого пузыря и других органов.
7
8
Описанная форма миогенной активности и периферической саморегуляции не в равной мере свойственна всем гладким мышцам. В гладких мышцах ресничного (цилиарного) тела, радужной оболочки глаза, артерий и семенных протоков, имеющих более мощную (плотную) иннервацию и слабое
развитие межклеточных (электрических) контактов, тонус и его колебания
имеют в основном нейрогенную природу.
Электромеханическое сопряжение в гладких мышцах осуществляется с
помощью ионов Са2+, поступающих и снаружи, и из внутриклеточных депо.
Но Са-насос саркоплазматического ретикулума здесь слаб, что отчасти объясняет медленное расслабление гладкой мышцы. Сокращение гладкой мышцы начинается при [Са2+]вн > 10~8 моль/л.
Однако инициация сокращения ионами Са2+ здесь имеет несколько
иной
механизм,
чем
в
поперечнополосатых
волокнах.
Ионы
2+
Са воздействуют на белок калъмодулин, который активирует киназы легких
цепей миозина. Это приводит к переносу фосфатной группы с АТФ на миозин и вызывает сокращение (срабатывание мостиков). О существовании
здесь тропонин-тропомиозиновой системы сведений не имеется. При удалении Са2+ из миоплазмы (концентрация Са2+ниже 10~8 моль/л) фосфатаза дефосфорилирует миозин, и он теряет способность связываться с актином.
Сила сокращения гладких мышц позвоночных сравнима с силой сокращения (напряжения) поперечнополосатых мышц и равна 30-40 Н/см2, но скорость сокращения, как уже отмечалось, на 1-2 порядка ниже. Трата энергии
гладкими мышцами (при той же силе напряжения) в 100-500 раз меньше, чем
у поперечнополосатых мышц. Последнее, видимо, связано с особой организацией сократительного акта.
Мионевральная передача в гладких мышцах характеризуется рядом существенных особенностей. В большинстве случаев она двоякая — возбуждающая и тормозящая. Синаптические окончания формируют варикозные расширения около пучков мышечных клеток на различном, иногда значительном (до 1-2 мкм) расстоянии от них. По типу медиатора различаются два
распространенных вида синаптической передачи — холинергическая (мускариновые рецепторы главным образом в пищеварительном тракте) и адренергическая (в мышцах мелких кровеносных сосудов — артерий и артериол).
Имеются и другие виды передачи, где природа медиатора не идентифицирована, их называют «нехолинергической» и «неадренергической» нервномышечной передачей.
Сложность синаптической конструкции обусловливает трудности в
трактовке потенциала, возникающего на иннервируемых клетках. В ответ на
стимуляцию некоторых симпатических и парасимпатических нервов в мышечных клетках отводится возбуждающий синаптический потенциал (ВСП),
представленный мускариновой холинергической (преимущественно пищеварительный канал), а-адренергической (преимущественно кровеносные сосуды) передачей и передачей с неидентифицированным медиатором. В гладких
мышцах пищеварительного тракта также отмечена передача возбуждения с
8
9
метасимпатических (интра-муральных) нейронов, устойчивая к адрено- и холиноблокаторам. Медиатор этой передачи неизвестен.
Трудности идентификации медиаторов усугубляются еще и тем, что
одно и то же соединение (например, норадреналин) может вызывать полярно
противоположные эффекты в разных мышцах.
Ряд физиологически активных соединений (простагландины, гистамин, аденозин, серотонин, пептидные гормоны) оказывают сильное стимулирующее влияние на гладкие мышцы. Наряду с модулирующим действием на
высвобождение медиатора, не исключено их прямое возбуждающее влияние
на гладко-мышечные клетки.
Тормозящая иннервация в гладких мышцах представлена адренергической (пищеварительный канал), М-холинергической симпатической передачей (некоторые кровеносные сосуды) и передачей с неидентифицированным
передатчиком, которую часто называют «неадренергической». Электрическая стимуляция нервных волокон в ряде случаев вызывает появление тормозящих синаптических потенциалов (ТСП) в виде кратковременной гиперполяризации мембраны мышечных клеток. Вследствие малой плотности иннервации одиночные ТСП выражены слабо, и для вызова заметной гиперполяризации мембраны нужно использовать ритмическое раздражение нервных волокон с частотой не менее 5-10 имп/с.
Возможно, медиатором неадренергического торможения гладких мышц
пищеварительного тракта является АТФ или его производные. Эта мионевральная передача эффективно и обратимо блокируется апамином — полипептидом из пчелиного яда. Однако это неконкурентное блокирование и происходит не на уровне рецепторов, а в калиевых каналах, возникновение ТСП.
ЭНЕРГЕТИКА МЫШЕЧНЕОГО СОКРАЩЕНИЯ
Источником всех видов энергии является энергия Солнца. Химические
реакции, происходящие в растениях (фотосинтез), превращают энергию
Солнца в химическую энергию. Употребляя в пищу овощи и фрукты, а также
мясо животных, которые питаются растениями, мы получаем энергию. Энергия содержится в пищевых продуктах в виде углеводов, жиров и белков. Эти
основные компоненты пищевых продуктов расщепляются в клетках нашего
организма, освобождая энергию.
Поскольку энергия постепенно превращается в тепло, ее количество, высвобождаемое в результате биологических реакций, определяется по количеству образованного тепла. В биологических системах энергия измеряется в килокалориях (ккал). Согласно определению, 1 ккал равна количеству
тепловой энергии, необходимой для повышения температуры 1 кг воды с 1
до 15 °С. Например, при сжигании спички выделяется примерно 0,5 ккал, тогда как при полном сгорании 1 г углеводов выделяется 4,0 ккал.
Некоторое количество свободной энергии в клетках используется для
пластических процессов нашего организма. Такие процессы, как мы уже знаем, направлены на развитие мышечной массы под влияние тренировочных
9
10
нагрузок и восстановление мышц после физических нагрузок или травм.
Энергия также необходима для активного транспорта множества веществ,
таких, как глюкоза и Са2+ через клеточные мембраны. Активный транспорт
необходим для функционирования клеток и поддержания гомеостаза. Определенное количество энергии используют миофибриллы для обеспечения
скольжения филаментов актина и миозина, в результате которого производятся мышечное сокращение и сила, что мы уже рассматривали.
Продукты питания состоят, в основном, из углерода, водорода, кислорода, а при наличии белков — из азота. Молекулярные связи в пищевых продуктах относительно слабые, и в случае расщепления освобождается небольшое количество энергии. Следовательно, продукты питания не используются непосредственно для потребностей клетки. Энергия молекулярных
связей продуктов питания химически освобождается в клетках организма и
хранится в виде высокоэнергетического соединения — аденозинтрифосфата
(АТФ). Молекула АТФ является универсальным источником энергии для
всех видов деятельности нашего организма.
Процесс накопления энергии в результате образования АТФ из других
химических источников называется фосфорилированием. Вследствие различных химических реакций фосфатная группа присоединяется к относительно низкоэнергетическому соединению — аденозиндифосфату, преобразуя его в аденозинтрифосфат. Когда эти реакции осуществляются без наличия кислорода, процесс называется анаэробным метаболизмом. Если же в реакции участвует кислород, процесс называется аэробньм метаболизмом, а
аэробное превращение АДФ в АТФ —окислительным фосфoрилированием
Клетки образуют АТФ с помощью трех систем: системы АТФ — КФ,
гликолитической и окислительной систем.
СИСТЕМА АТФ – КФ
Простейшей энергетической системой является система АТФ — КФ
или фосфагенная. Кроме АТФ, клетки содержат еще одну богатую энергией
фосфатную молекулу —креатинфосфат (КФ). Энергия, высвобождающаяся
при расщеплении КФ, в отличие от энергии, высвобождающейся при расщеплении АТФ, не используется непосредственно для выполнения работы на
клеточном уровне. Она используется для ресинтеза АТФ, чтобы обеспечить
его относительно постоянное образование.
Высвобождению энергии при расщеплении КФ содействует фермент
креатинкиназа, который действует на КФ с целью отделения Рн от креатина.
Освобожденная энергия может быть использована для присоединения Рн к
молекуле АДФ и образования АТФ (рис.). При использовании этой системы
(энергия высвобождается из АТФ в результате отщепления фосфатной группы) клетки могут предотвратить истощение запасов АТФ, расщепляя КФ, и
тем самым обеспечивая энергию для образования большего количества АТФу
10
11
Это быстрый процесс, который может осуществляться без помощи каких-либо специальных структур клетки. Для его осуществления кислород не
нужен, поэтому систему АТФ — КФ называют анаэробной.
В первые секунды интенсивной мышечной деятельности количество
АТФ поддерживается на относительно постоянном уровне, тогда как уровень
КФ неуклонно снижается, поскольку он используется для пополнения запасов АТФ (рис. 5.5). В состоянии изнеможения уровни АТФ и КФ довольно
низки и не могут обеспечить энергию для последующих сокращений и расслаблений мышц.
Таким образом, поддержание уровня АТФ за счет энергии, высвобождающейся при расщеплении КФ, ограничено. Запасы АТФ и КФ достаточны
для удовлетворения энергетических потребностей мышц лишь в течение 3 —
15 с спринтерского бега или выполнения другой работы скоростно-силового
характера.
Энергия
ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Другой источник получения АТФ предусматривает высвобождение
энергии в результате расщепления (лизиса) глюкозы. Это — гликолитическая система, включающая процесс гликолиза, т.е. расщепление глюкозы с
помощью специальных ферментов.
Глюкоза составляет около 99 % всех сахаров, циркулирующих в крови.
Она поступает в кровь в результате усвоения углеводов и расщепления гликогена печени. Гликоген синтезируется из глюкозы вследствие процесса,
называемого гликогенезом. Гликоген содержится в печени или мышцах до
тех пор, пока не потребуется. Когда возникает потребность в гликогене, он
расщепляется в результате процесса гликогенолиза на глюкозо-1-фосфат.
Прежде чем глюкоза или гликоген могут быть использованы для образования энергии, они должны трансформироваться в соединение, которое
называется глюкозо-6-фосфат. Для превращения молекулы глюкозы необходима одна молекула АТФ. При расщеплении гликогена глюкозо-6-фосфат
образуется из глюкозо-1-фосфата без затраты энергии. Гликолиз начинается,
как только образуется глюкозо-6-фосфат.
Заканчивается гликолиз образованием пировиноградной кислоты. Для
этого процесса не нужен кислород, однако использование кислорода опреде11
12
ляет "судьбу" пировиноградной кислоты, образованной вследствие гликолиза. Когда мы говорим о гликолитической системе, мы имеем в виду, что процесс гликолиза протекает без участия кислорода. В этом случае пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту.
Процесс гликолиза
Гликолиз, являясь более сложным процессом, чем система АТФ — КФ,
обеспечивает расщепление гликогена на молочную кислоту благодаря 12
ферментным реакциям. Все эти ферменты находятся в цитоплазме клеток. В
результате гликолиза образуется 3 моля АТФ на каждый моль расщепленного гликогена. Если вместо гликогена используется глюкоза, образуется всего 2 моля АТФ, поскольку один моль расходуется на превращение
глюкозы в глюкозо-6-фосфат.
Эта энергетическая система не обеспечивает образование большого
количества АТФ. Несмотря на это, сочетанные действия гликолитической
системы и системы АТФ — КФ обеспечивают производство силы мышцами
даже при ограниченном поступлении кислорода. Эти две системы доминируют в первые минуты выполнения упражнений высокой интенсивности.
12
13
Другим значительным недостатком анаэробного гликолиза является то,
что он вызывает накопление молочной кислоты в мышцах и жидкостях организма. В спринтерских дисциплинах продолжительностью 1—2 мин потребности гликолитической системы высоки, и уровни содержания молочной
кислоты могут увеличиться с 1 (показатель в состоянии покоя) до более чем
25 ммоль-кг1. Такое подкисление мышечных волокон тормозит дальнейшее
расщепление гликогена, поскольку нарушает функцию гликолитических
ферментов. Кроме того, кислота снижает способность волокон связывать
кальций и это может препятствовать сокращению мышц.
Интенсивность энергозатрат мышечного волокна может быть в 200 раз
выше, чем в состоянии покоя. Гликолитическая система и система АТФ – КФ
не в состоянии обеспечить необходимое количество энергии на относительно долгий период мышечной деятельности. В этом случае должна подключиться другая энергетическая система – окислительная.
Окислительная система
Наиболее сложная из трех энергетических систем. Процесс, в результате которого организм для производства энергии диссимилирует соединения,
богатые энергией, с помощью кислорода называется клеточным дыханием.
Это аэробный процесс, поскольку в нем участвует кислород. АТФ образуется
в специальных клеточных органеллах — митохондриях. В мышцах они примыкают к миофибриллам, а также разбросаны по саркоплазме.
В отличие от анаэробного образования АТФ окислительная система
производит значительное количество энергии, поэтому аэробный метаболизм
— основной метод образования энергии во время мышечной деятельности,
требующей проявления выносливости. Это предъявляет повышенные требования к системе транспорта кислорода к активным мышцам.
Окисление углеводом
Окислительное образование АТФ включает три процесса:
1) гликолиз;
2) цикл Кребса;
3) цепочку переноса электронов.
Гликолиз при обмене углеводов играет важную роль как в анаэробном,
так и аэробном образовании АТФ. Причем он протекает одинаково, независимо от того, участвует ли в процессе кислород. Участие кислорода определяет лишь судьбу конечного продукта – пировиноградной кислоты. В отсутствии кислорода является следствием образования молочной кислоты и 3 молекул АТФ на 1 моль гликогена.
При участии кислорода пировиноградная кислота превращается в соединение, которое называется ацетил-кофермент А (ацетил-КоА).
Цикл Кребса. После образования ацетил-КоА попадает в цикл Кребса
– сложную последовательность химических реакций, которые позволяют завершить окисление ацетил-КоА. Цикла Кребса связан с серией реакций, ко13
14
торые называются цепочкой переноса электронов. Водород, выделяющийся
во время гликолиза и в цикле Кребса, соединяется с двумя коферментами —
никотинамид-аденин-динуклеотидом, которые переносят атомы водорода в
цепочку переноса электронов, где они расщепляются на протоны и электроны. В конце цепочки Н+ соединяется с кислородом, образуя воду и тем самым предотвращая подкисление.
Электроны, отделившиеся от водорода, принимают участие в серии реакций и в конечном итоге обеспечивают энергию для фосфорилирования
АДФ, а следовательно, образования АТФ. Поскольку этот процесс проходит
с участием кислорода, он называется окислительным фосфорилированием.
Окислительная система образования энергии обеспечивает получение
39 молекул АТФ из одной молекулы глюкозы. Если процесс начинается с
глюкозы, образуется 38 молекул АТФ (вспомним, что одна молекула АТФ
используется до начала гликолиза для образования глюкозо-6-фосфата).
Окисление жиров
Как уже отмечалось, жиры также вносят свой вклад в энергетические
потребности мышц. Запасы гликогена в мышцах и печени могут обеспечить
всего 1 200 — 2 000 ккал энергии, в то время как жиры, содержащиеся внутри мышечных волокон и в жировых клетках, — около 70 000 — 75 000 ккал.
14
15
Хотя жирами называются многие химические соединения, такие как
триглицериды, фосфолипиды и холестерин, но только триглицериды используются в качестве основного источника энергии. Триглицериды находятся в
жировых клетках и волокнах скелетных мышц. Чтобы использовать триглицериды для образования энергии, необходимо расщепить их на основные составляющие: одну молекулу глицерина и три молекулы свободных жирных
кислот. Этот процесс называется липолизом и осуществляется ферментами
— липазами. Свободные жирные кислоты — основной источник энергии при
продолжительной работе.
Высвободившись из триглицерида (жира), свободные жирные кислоты
могут попасть в кровь, которая транспортирует их по всему организму, и в
результате диффузии проникнуть в мышечные волокна. Интенсивность поступления свободных жирных кислот в мышечные волокна зависит от градиента концентрации. Повышение концентрации свободных жирных кислот в
крови выталкивает их в мышечные волокна.
β-Окисление. Несмотря на значительные структурные различия между
разными свободными жирными кислотами, их метаболизм почти одинаков.
До того, как они попадут в мышечные волокна, свободные жирные кислоты
активируются энергией АТФ с помощью ферментов, при этом затрачивается
2 моль АТФ. Таким образом их подготавливают к катаболизму (расщеплению) в митохондриях. Этот ферментный катаболизм жиров митохондриями
называется бета-окислением в данном случае высвобождается 35 моль АТФ.
В этом процессе углеродная цепочка свободной жирной кислоты делится на двухуглеродные остатки уксусной кислоты. Например, если первоначально свободная жирная кислота имела 16-углеродную цепочку, то при
β-окислении образуется 8 молекул уксусной кислоты. Вся уксусная кислота
затем превращается в ацетил-Ко А, который служит исходным материалом
цикла Кребса, где образуется еще 88 моль АТФ. Итого при окислении жаров
высвобождается энергия достаточная для фосфорилирования 121 моль АТФ.
15
16
16