Биохимия мышечной деятельности

У животных и человека два основных типа мышц: поперечнополосатые и гладкие. Гладкие мышцы характерны для внутренних органов и кровеносных сосудов. Поперечнополосатые делятся на скелетные и сердечные. При изучении скелетных мышц под световым микроскопом в них обнаружили поперечную исчерченность — отсюда название.

В скелетной мышце выделяют: 1) сухожильную головку (начало на кости), 2) мышечное брюшко, состоящее из мышечных волокон, 3) сухожильный хвост (окончание на другой кости).

Мышечное волокно — структурная единица мышцы. Известны три типа волокон: белые быстро сокращающиеся (VT), промежуточные (FR) и медленно сокращающиеся (ST). Биохимически они различаются механизмами энергообеспечения. Их иннервируют разные мотонейроны, чем обусловлены неодновременность включения в работу и разная скорость сокращения. Разные мышцы имеют разное сочетание типов волокон.

Каждая мышца состоит из нескольких тысяч волокон, объединённых соединительными прослойками и фасцией. Мышца — многокомпонентный комплекс. Чтобы разобраться в её строении, нужно изучить все уровни организации.

Поперечнополосатые мышцы состоят из тысяч мышечных клеток — волокон (миоцитов) длиной от 0,1 до 10 см и толщиной около 0,1–0,2 мм.

Общая характеристика мышц
Учение о мышцах - это важнейший раздел биохимии, имеющий исключительное значение для спортивной биохимии.
Важнейшей особенностью функционирования мышц является то, что в процессе мышечного сокращения происходит непосредственное превращение химической энергии АТФ в механическую энергию сокращения мышц. Это явление не имеет аналогов в технике и присуще только живым организмам.
У животных и человека два основных типа мышц: поперечнополосатые и гладкие. Гладкие мышцы характерны для внутренних органов, кровеносных сосудов. Поперечнополосатые мышцы делятся на два вида — скелетные и сердечные.

При изучении скелетных мышц с помощью светового микроскопа в них обнаружили поперечную исчерченность; отсюда название поперечнополосатые.
В скелетной мышце выделяют 1) сухожильную головку, которой мышца начинается на кости, 2) мышечное брюшко, состоящее из мышечных волокон, и 3) сухожильный хвост, которым мышца заканчивается на другой кости.
Мышечное волокно — структурная единица мышцы. Известны три типа мышечных волокон: белые быстро сокращающиеся (VT), промежуточные (FR) и медленно сокращающиеся (ST). Биохимически они различаются механизмами энергетического обеспечения мышечного сокращения. Их иннервируют разные мотонейроны, чем обусловлены неодновременность включения в работу и различная скорость сокращения волокон. Разные мышцы имеют разное сочетание типов волокон.
Каждая мышца состоит из нескольких тысяч мышечных волокон, объединяемых соединительными прослойками и такой же оболочкой. Мышца представляет собой многокомпонентный комплекс. Чтобы разобраться в строении мышцы следует изучить все уровни ее организации и структуры, входящие в ее состав.
Поперечнополосатые мышцы состоят из тысяч мышечных клеток — волокон. Волокна объединены соединительнотканными прослойками и такой же оболочкой — фасцией. Мышечные волокна — миоциты - представляют собой сильно вытянутые многоядерные клетки гигантских размеров от 0,1 до 10 см длиной и толщиной около 0,1 — 0,2 мм.


Строение мышечных клеток
Миоцит (мышечная клетка, мышечное волокно) состоит из всех обязательных компонентов клетки: ядро, причем, у клеток поперечнополосатых мышц ядер несколько, рибосомы, митохондрии, лизосомы, цито- плазматическую сеть. Особенностью мышечного волокна является то, что внутри эта клетка содержит большое количество сократительных элементов — миофибрилл.
Содержимое миоцита от внешней среды отделяется клеточной мембраной, которая называется сарколеммой. Снаружи сарколемма окружена нитями белка коллагена. Мышечное волокно растягивается и возвращается в исходное состояние за счет упругих сил, возникающих в коллагеновой оболочке.
Сарколемма имеет впячивания в саркоплазму - Т-трубочки, где она взаимодействует с цитоплазматической (саркоплазматической) сетью. Особо следует выделить в саркоплазматической сети пузырьки-цистерны. Они содержат большое количество ионов кальция. С помощью специального фермента кальций накачивается в цистерны. Этот механизм называется кальциевым насосом и необходим для сокращения мышцы.
Цитоплазма миоцитов, или саркоплазма, содержит большое количество белков. Здесь немало активных ферментов, среди которых важнейшими являются ферменты гликолиза, креатинкиназа. Немалое значение имеет белок миоглобин, сохраняющий кислород в мышцах.
Кроме белков в цитоплазме мышечных клеток содержатся фосфагены — АТФ, (???????АДФ, АМФ,) креатинфосфат, необходимые для нормального снабжения мышцы энергией.
Основной углевод мышечной ткани — гликоген. Его концентрация достигает 3%. Свободная глюкоза в саркоплазме встречается в малых концентрациях. В тренируемых на выносливость мышцах накапливается запасной жир.
Строение миофибрилл
Сократительные элементы миофибриллы занимают большую часть объема миоцитов. В нетренированных мышцах миофибриллы расположены, рассеяно, а тренированных они сгруппированы в пучки, называемые полями Конгейма.
Микроскопическое изучение строения миофибрилл показало, что они имеют диаметр около 1 мкм и состоят из чередующихся светлых и темных участков или дисков. В мышечных клетках миофибриллы располагаются таким образом, что светлые и темные участки рядом расположенных миофибрилл совпадают, что создает видимую под микроскопом поперечную исчерченность всего мышечного волокна.
Использование электронного микроскопа с очень большим увеличением позволило расшифровать строение миофибрилл и установить причины наличия у них светлых и темных участков. Было обнаружено, что миофибриллы являются сложными структурами, построенными в свою очередь, из большого числа мышечных нитей двух типов — толстых и тонких. Толстые в два раза толще тонких, соответственно 15 и 7 нм.


Состоят миофибриллы из чередующихся пучков параллельно расположенных толстых и тонких нитей, которые концами заходят друг на друга.
Участок миофибриллы, состоящий из толстых нитей и находящимися между ними концов тонких нитей, обладает двойным лучепреломлением. Под микроскопом эти участки кажутся темными и получили название анизотропных, или темных дисков (A-диски).
Тонкие участки состоят из тонких нитей и выглядят светлыми, так как не обладают двойным лучепреломлением и легко пропускают свет. Такие участки называются изотропными, или светлыми дисками (I-диски).
В середине пучка тонких нитей (диск I) поперечно располагается тонкая пластинка из белка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве и одновременно упорядочивая расположение A- и I-дисков многих миофибрилл. Эта пластинка хорошо видна под микроскопом и названа Z-пластинкой или Z-линией.
Диски A имеют в середине более светлую полосу — H-зону, внутри которой видна более темная M-зона (M-полоса).
Участок между соседними Z-линиями называется саркомер. Каждая миофибрилла состоит из нескольких сотен саркомеров (до 1000-1200).
Диски I состоят только из тонких филаментов, диски A — из филаментов двух типов. Зона H содержит только толстые филаменты, линия Z закрепляет тонкие филаменты.

Биохимическое строение миофибрилл
Изучение химического состава миофибрилл показало, что тонкие и толстые нити образованы белками.
Тонкие нити состоят из белков актина, тропонина и тропомиозина.
Основной белок - актин. Он обладает двумя важнейшими свойствами:

1. образует фибриллярный актин, способный к быстрой полимеризации;
2. способен соединяться с миозиновыми головками поперечными мостиками.

Актин — водорастворимый глобулярный белок с молекулярной массой 42 кДа; эта форма актина обозначается как G-актин. В мышечном волокне актин находится в полимеризованной форме, которая обозначается как F-актин. Тонкие филаменты мышцы образованы двунитчатыми актиновыми структурами, связанными между собой нековалентными связями.
Другие белки тонких нитей помогают актину осуществлять его функции.
Тропонин (Тн), молекулярная масса которого около 76 кДа. Он представляет собой сферическую молекулу, состоящую из трех субъединиц, получивших название в соответствии с выполняемыми функциями:
1) тропомиозин-связывающая субъединица (Тропонин-T),
2) ингибирующая субъединица (Тропонин-I) и
3) кальций-связывающая субъединица (Тропонин-C). Каждый компонент тонких филаментов соединяется с двумя другими нековалентными связями.
В мышце, где все рассмотренные компоненты собраны вместе в тонком филаменте, тропомиозин блокирует присоединение миозиновой головки к глобулам актина тонких нитей.


Толстые нити состоят из белка миозина. Эти белки образуют двухцепочечную α-спирализованную суперспираль - длинный стержень с парой глобулярных головок на одном из концов.
Общая масса миозина около 500 кДа. Эта палочковидная молекула состоит из двух идентичных основных цепей (по 200 кДа) и четырех легких цепей (по 20 кДа), которые входят в состав головок.
Миозиновые головки обладают АТФазной активностью, то есть способностью расщеплять АТФ. Они обеспечивают связь толстых нитей с тонкими.
Молекулы миозина объединяются, образуя филаменты (трубочки, см.рисунок), состоящие примерно из 500 палочковидных молекул, связанных друг с другом таким образом, что пары головок миозиновых молекул ложатся на расстоянии 14,3 нм друг от друга; они располагаются по спирали. Миозиновые нити стыкуются «хвост к хвосту», так что головки направлены в противоположные стороны, навстречу тонким нитям.
Миозин выполняет три биологически важные функции:

1. При физиологических значениях ионной силы и pH, молекулы миозина спонтанно образуют волокно.
2. Миозин обладает каталитической активностью, т. е. является ферментом.
3. В 1939 г. ВА Энгельгардт и М.Н. Любимова обнаружили, что миозин способен катализировать гидролиз АТФ. Эта реакция является непосредственным источником свободной энергии, необходимой для мышечного сокращения.
4. Миозин связывает полимеризованную форму актина основного белкового компонента тонких миофибрилл. Именно это взаимодействие, как будет показано ниже, играет ключевую роль в мышечном сокращении.

Механизм мышечного сокращения и расслабления
Подвижность является характерным свойством всех форм жизни. Направленное движение имеет место при расхождении хромосом в процессе клеточного деления, активном транспорте молекул, перемещении рибосом в ходе белкового синтеза, сокращении и расслаблении мышц. Мышечное сокращение — наиболее совершенная форма биологической подвижности. В основе любого движения, в том числе и мышечного, лежат общие молекулярные механизмы.
У человека различают несколько видов мышечной ткани. Поперечнополосатая мышечная ткань составляет мышцы скелета (скелетные мышцы, которые мы можем сокращать произвольно). Гладкая мышечная ткань входит в состав мышц внутренних органов: желудочно-кишечного тракта, бронхов, мочевыводящих путей, кровеносных сосудов. Эти мышцы сокращаются непроизвольно, независимо от нашего сознания.
Мы рассмотрим строение и процессы сокращения и расслабления скелетных мышц, поскольку именно они представляют наибольший интерес для биохимии спорта.
Общая схема:

1. Источником энергии для мышечного сокращения являются молекулы АТФ.
2. Гидролиз АТФ катализируется при мышечном сокращении миозином, обладающим ферментативной активностью.
3. Пусковым механизмом мышечного сокращения является повышение концентрации ионов кальция в саркоплазме миоцитов, вызываемое нервным двигательным импульсом.
4. Во время мышечного сокращения между тонкими и толстыми нитями миофибрилл возникают поперечные мостики или спайки.
5. Во время мышечного сокращения происходит скольжение тонких нитей вдоль толстых, что приводит к укорочению миофибрилл и всего мышечного волокна в целом.

Гипотез объясняющих механизм мышечного сокращения много, наиболее популярной является так называемая гипотеза (теория) «скользящих нитей» или «гребная гипотеза».
1. В покоящейся мышце тонкие и толстые нити находятся в разъединенном состоянии.
2. Под воздействием нервного импульса ионы кальция выходят из цистерн саркоплазматической сети и присоединяются к белку тонких нитей — тропонину.
3. Тропонин меняет свою конфигурацию и меняет конфигурацию актина. В результате образуется поперечный мостик между актином тонких нитей и миозином толстых нитей.
3. При образовании поперечных мостиков повышается АТФазная активность миозина - миозин расщепляет АТФ.
4. За счет выделившейся при расщеплении АТФ энергии миозиновая головка подобно шарниру или веслу лодки поворачивается, что приводит к скольжению мышечных нитей навстречу друг другу.
5. Мостики между нитями разрываются. АТФазная активность миозина резко снижается, прекращается гидролиз АТФ.
6. При дальнейшем поступлении нервного импульса поперечные мостики вновь образуются, и процесс, описанный выше, повторяется вновь. В каждом цикле сокращения расходуется 1 молекула АТФ.


В основе мышечного сокращения лежат два процесса:
1) спиральное скручивание сократительных белков;
2) циклически повторяющееся образование и диссоциация комплекса между цепью миозина и актином.
Рассмотрим механизм сокращения подробнее:

1. Мышечное сокращение инициируется приходом потенциала действия на концевую пластинку двигательного нерва, где выделяется нейрогормон ацетилхолин, функцией которого является передача импульсов.
2. Ацетилхолин взаимодействует с ацетилхолиновыми рецепторами на сарколемме, что приводит к распространению потенциала действия вдоль нее.
3. Это вызывает увеличение проницаемости сарколеммы для катионов Na+, которые устремляются внутрь мышечного волокна (=миоцита), нейтрализуя отрицательный заряд на внутренней поверхности сарколеммы.
4. С сарколеммой связаны поперечные трубочки саркоплазматической сети, по ним распространяется волна возбуждения.
5. От трубочек волна возбуждения передается мембранам пузырьков и цистерн, которые оплетают миофибриллы на участках, где происходит взаимодействие актиновых и миозиновых нитей.
6. При передаче сигнала на цистерны саркоплазматической сети, последние начинают освобождать находящийся в них Са2+.


7. Высвобожденные ионы кальция связываются с тропонином-С, что вызывает конформационные сдвиги (изменения пространственной структуры) тропонина, передающиеся на тропомиозин и далее на актин.
8. Теперь актин может взаимодействовать с миозином, результатом такого взаимодействия является образование спайки.


Характер взаимодействия между миозином и актином обуславливает движение тонких нитей вдоль толстых. Энергию для этого процесса поставляет гидролиз АТФ.
9. В отсутствие АТФ и в присутствии ионов кальция головки молекул миозина прочно связаны с актиновыми нитями.
10. При связывании АТФ головки отделяются от актиновых нитей.
11. АТФаза головок миозина гидролизует АТФ до АДФ и неорганического фосфата, которые пока связаны с миозином.
12. Энергия АТФ тратится на конформационные изменения миозина. На миозиновом стержне имеется подвижный шарнир, в области которого происходит поворот головки. Головка миозина переходит в напряженное состояние и стремится вернуться в исходное положение.
13. В новом положении головки миозина связываются с новыми участками фибриллы актина - образуется актомиозиновый комплекс.
14. Актин ускоряет освобождение АДФ и фосфата из активного центра миозина.
15. Напряженные головки миозина возвращаются в исходное положение, происходит “удар весла”, силовой “гребок”. Многочисленные спайки между миозином и актином обеспечивают движение толстых и тонких филаментов друг относительно друга.
Именно такие повороты сотен головок, происходящие одновременно в многочисленных участках, являются причиной втягивания актиновых филаментов (тонких нитей) в Н-зону. Здесь они контактируют (при максимальном укорочении) или даже перекрываются друг с другом.
Соответственно миозиновые нити перемещаются по направлению к Z-диску. В результате саркомер укорачивается.
16. После продвижения на один «шаг» миозин остается прикрепленным к актину до тех пор, пока новая АТФ не свяжется с миозином. Недостаток АТФ может привести к состоянию ригидности.
17. Когда к миозиновой головке присоединяется новая молекула АТФ, весь процесс повторяется.
Затрата АТФ необходима и для расслабления мышц.
1. Расслабление мышцы происходит после прекращения поступления нервного импульса.
2. Проницаемость мембраны цистерн саркоплазматической сети уменьшается.
3. Ионы кальция под действием кальциевого насоса, используя энергию АТФ, уходят в цистерны, но не выходят из них. Концентрация ионов кальция в саркоплазме быстро снижается до исходного уровня.
4. Белки вновь приобретают конформацию, характерную для состояния покоя.
5. Тропонин-C теряет связанный с ним кальций, следствием этого являются конформационные сдвиги в комплексе тропонин-тропомиозин.
6. Тропонин-I снова закрывает активные центры актина, делая их неспособными взаимодействовать с миозином.
7. Концентрация Са2+ в области сократительных белков становится ниже пороговой, и мышечные волокна теряют способность образовывать актомиозиновый комплекс.
8. В этих условиях эластические силы стромы, деформированной в момент сокращения, берут верх, и мышца расслабляется.
9. При этом тонкие нити выходят из пространства между толстыми нитями диска А; зона Н и диск I приобретают первоначальную длину, линии Z отдаляются друг от друга на прежнее расстояние.
10. Мышца становится тоньше и длиннее.

Скорость гидролиза АТФ при мышечной работе огромна: до 10 мкмоль на 1 г мышцы за мин. Общие запасы АТФ невелики, поэтому для обеспечения нормальной работы мышц АТФ должна восстанавливаться с той же скоростью, с какой она расходуется.
Таким образом, и процесс мышечного сокращения и процесс мышечного расслабления — это активные процессы, идущие с затратами энергии в виде молекул АТФ.

В гладких мышцах нет миофибрилл.
Тонкие нити присоединяются к сарколемме, толстые находятся внутри волокон. Ионы кальция также играют роль в сокращении, но поступают в мышцу не из цистерн, а из внеклеточного вещества, поскольку в гладких мышцах отсутствуют цистерны с ионами кальция. Этот процесс медленный, и поэтому медленно работают гладкие мышцы.

Биохимическая адаптация организма при физической нагрузке
Биохимическая адаптация организма при мышечной деятельности направлена на адекватное образование и восполнение энергии, а также на регулирование метаболизма. Сокращение скелетных мышц под влиянием нервного импульса обеспечивается энергией химических реакций, в результате которых химическая энергия превращается в механическую.
Основными субстратами для работы мышц служат высоко- энергетические вещества: 1) фосфагены (АТФ и креатинфосфат), 2) углеводы (гликоген и глюкоза) и 3) жиры.
Возбуждение и сокращение мышцы связаны с распадом АТФ и ее взаимодействием с белком мышечной клетки миозином, в результате чего образуется полностью обратимый комплекс актомиозин. Молекулярный механизм сокращения и расслабления регулируется изменением содержания кальция в актомиозиновом комплексе.
Восстановление (ресинтез) АТФ в анаэробных условиях имеет две фазы: креатинкиназную и гликолитическую.
1. В первом случае реакция восстановления АТФ осуществляется при трансфосфорилировании АДФ с креатинфосфата в присутствии катализатора фермента креатинкиназы.
2. Вторая фаза (гликолитическая) - это анаэробное расщепление гликогена 1) с образованием пирувата и молочной кислоты и 2) с выделением энергии для ресинтеза АТФ.
Различные механизмы ресинтеза АТФ включаются при мышечной деятельности в определенной последовательности. Использование различных субстратов и механизмов энергопродукции зависит от продолжительности и интенсивности мышечной деятельности.
Так, АТФ и креатинфосфата как основных источников сокращения в скелетной мышце хватает примерно на 10—12 сек работы. В связи с этим в ходе мышечной деятельности фосфатные соединения генерируются двумя путями - анаэробным и аэробным (окислительным).
В аэробных условиях при умеренной физической нагрузке мышечный энергообмен поддерживается в устойчивом состоянии дыханием и кровообращением. Образования и накопления молочной кислоты не происходит вследствие декарбоксилирования пирувата.
При достаточном снабжении кислородом мышца работает за счет энергии, образующейся в ходе аэробного окисления продуктов распада углеводов, липидов и других субстратов.
Этот процесс биологического окисления (цикл Кребса) рассматривается как наиболее целесообразный и эффективный путь энергопродукции при мышечной работе. Так, если анаэробный гликолиз заканчивается образованием молочной кислоты и освобождением энергии в количестве 52 ккал/моль, то окисление углеводов в присутствии кислорода происходит с образованием 686 ккал/моль.
Однако покрывать свои энергетические затраты за счет аэробного метаболизма скелетные мышцы могут лишь при умеренной физической нагрузке. С возрастанием интенсивности мышечной деятельности возможность достаточного снабжения кислородом работающих мышц все более ограничивается вследствие лимитирующей работоспособности кардиореспираторной системы и нарастания кислородного долга.
При нагрузках максимальной и субмаксимальной мощности,
а также при длительных (2-3 ч и более) нагрузках большой и даже умеренной мощности в организме

1. нарастает дефицит кислорода,
2. увеличивается содержание лактата и других метаболитов обмена веществ,
3. во внутренней среде организма происходит сдвиг в сторону метаболического ацидоза.
4. Возрастает содержание триглицеридов, фосфолипидов, свободных жирных кислот, кетоновых тел.
5. Усиливаются процессы белкового катаболизма и снижается синтез белка, что отражается на содержании в крови продуктов распада белков: креатина, креатинина, мочевины и др.

В специфических анаэробных условиях спортивной деятельности основной целью биохимической адаптации становится поддержание постоянства внутренней среды организма - гомеостаза и сохранение высокой работоспособности.
По мере снижения интенсивности нагрузки и продолжения мышечной работы в состоянии устойчивого равновесия уменьшается расходование гликогена мышц и в качестве субстрата энергии используются жиры. Усиление окисления жиров способствует экономному расходованию энергии из углеводных источников .
По мнению П. Хочачка и Дж. Сомера, длительная интенсивная работа мышц в аэробных условиях лучше всего обеспечивается при одновременном распаде глюкозы и жиров и зависит от каталитического потенциала окислительных систем, тогда как максимальная интенсивность анаэробной работы обусловливается каталитической способностью ферментов гликолиза.
Рассматривая физические тренировки как оздоровительный фактор, следует обратить внимание на преимущество выполнения работы в аэробном режиме для сердечно-сосудистой системы. Это тем более важно, что в отличие от скелетных мышц миокард очень чувствителен к недостатку кислорода и аэробный механизм ресинтеза АТФ является для миокарда ведущим.

Одним из проявлений дифференцированной биохимической адаптации к физической нагрузке являются различия метаболизма специализированных по ультраструктуре и функции белых «быстрых» и красных «медленных» скелетных мышечных волокон.
Белые мышечные волокна,

• вследствие высокой скорости гликолиза,
• высокой АТФазной активности миозина
• и высокой буферной емкости
• при низкой активности тканевого дыхания
• более эффективны в максимальной по интенсивности и кратковременной мышечной работе с анаэробным механизмом энергообеспечения.

Красные мышечные волокна,

• отличающиеся высокой интенсивностью тканевого дыхания (окисления)
• при низкой скорости гликолиза,
• при низкой АТФазной активности миозина,
• при низкой буферной емкости,
• напротив, более приспособлены к длительной мышечной работе с аэробным метаболизмом энергообеспечения.

Важным звеном адекватной биохимической адаптации являются ферментные системы, инициирующие, поддерживающие и ускоряющие окислительно-восстановительные процессы при физических нагрузках.
От активности ферментов-катализаторов зависит эффективность 1)основных субстратов энергопродукции, 2) реакций окислительного фосфорилирования, 3) анаэробного гликолиза и 4) гидролиза фосфагенов.

• Так, установлена ведущая роль цитоплазматической и митохондриальной креатинфосфокиназы в переносе макроэргических фосфатов.
• Липолитические ферменты и гормоны инициируют мобилизацию ненасыщенных жирных кислот из жировых депо, их перенос сывороточным альбумином для активного ферментативного окисления в работающих мышцах.
• В процессе анаэробной тренировки возрастает активность лактатдегидрогеназы, что способствует высокой интенсивности гликолиза.