Фізіологія м'язів | Спорт і Здоров'я

Енергетика м'язової діяльності.
Одне м'язове волокно може містити 15 мільярдів товстих ниток. При тому, що м'язові волокна активно скорочуються, в кожній товстої нитки розпадаються приблизно 2500 молекул АТФ (нуклеотид, що грає важливу роль в обміні енергії і речовин в організмі) в секунду. Навіть невеликі скелетні м'язи містять тисячі м'язових волокон.

Основною функцією АТФ є передача енергії з одного місця в інше, а не довгострокове зберігання енергії. У стані спокою скелетні м'язові волокна виробляють більше АТФ, ніж вони потребує. У цих умовах АТФ передає енергію креатину. Креатин є невеликою молекулу, яку м'язові клітини збирають з фрагментів амінокислот. Передача енергії створює ще одне високоенергетичне з'єднання креатин фосфату (КФ).

АТФ + креатин АДФ + креатин фосфат

Під час м'язового скорочення відбувається розрив з'єднань АТФ, в результаті цього утворюється аденозиндифосфат (АДФ). Енергія, запасені в креатинфосфате потім використовується для «перезарядки» АДФ, перетворюючи його назад в АТФ через зворотну реакцію.

АДФ + креатин фосфат + креатин

Фермент креатинфосфокиназа (КФК) полегшує цю реакцію. Коли м'язові клітини пошкоджені, відбувається витік КФК через клітинні мембрани в кровотік. Таким чином, висока концентрація в крові КФК зазвичай вказує на серйозне пошкодження м'язів. Відпочиваючі скелетні м'язові волокна містять приблизно в шість разів більше креатин фосфату як АТФ. Але коли м'язові волокна переживають стійке напруга, ці енергетичні запаси будуть вичерпані лише приблизно за 15 секунд. М'язові волокна повинні потім покладатися на інші механізми для перетворення АДФ в АТФ.

Більшість клітин в організмі генерують АТФ через аеробний метаболізм в мітохондріях і через гліколіз в цитоплазмі. Аеробний метаболізм (що супроводжується споживанням кисню) зазвичай забезпечує 95% АТФ в спочиває клітці. У цьому процесі мітохондрії поглинають кисень, АДФ, іони фосфату і органічні субстрати від навколишнього цитоплазми. Субстрати потім вводять цикл трикарбонових кислот (також відомий як цикл лимонної кислоти або цикл Кребса), ферментативний шлях, який руйнує органічні молекули. Атоми вуглецю випускаються, як двоокис вуглецю, атоми водню курсують дихальними ферментами у внутрішній мітохондріальній мембрані, де їх електрони віддаляються. Після серії проміжних кроків, протони й електрони поєднуються з киснем і утворенням води. У цьому ефективному процесі вивільняється велика кількість енергії і використовується для створення АТФ.

Відпочиваючі скелетні м'язові волокна покладаються майже виключно на аеробний метаболізм жирних кислот, щоб генерувати АТФ. Коли м'яз починає стискатися, мітохондрії починають руйнування молекули піровиноградної кислоти замість жирних кислот. Піровиноградна кислота забезпечується ферментативним шляхом гліколізу. Гліколіз є розпадом глюкози до піровиноградної кислоти в цитоплазмі клітини. Цей процес називається анаеробним, тому що він не вимагає кисню. Гліколіз забезпечує збільшення АТФ і генерує 2 молекули піровиноградної кислоти з кожної молекули глюкози. АТФ утворюється в процесі гліколізу. Оскільки гліколіз може протікати під час відсутності кисню, він може бути особливо важливий, коли наявність кисню обмежує швидкість виробництва мітохондріальної АТФ. У більшості скелетних м'язів гліколіз є основним джерелом АТФ під час пікових періодів активності. розщеплення глюкози в цих умовах відбувається в основному з резервів глікогену в саркоплазме. Глікоген є полісахарид ланцюжків молекул глюкози. Типові волокна скелетних м'язів містять великі запаси глікогену, які можуть становити 1,5% від загальної ваги м'язів.

Енергоспоживання і рівень м'язової активності.

У скелетних м'язах, при знаходженні їх в стані спокою, попит на АТФ є низьким. Більш ніж достатньо доступного кисню мітохондрій для задоволення цього попиту, в результаті вони виробляють надлишок АТФ. Додатковий АТФ використовується для створення запасів глікогену. Відпочиваючі м'язові волокна поглинають жирні кислоти і глюкозу, які доставляються кровотоком. Жирні кислоти розщеплюються в мітохондріях і АТФ генерується для перетворення креатину в креатин фосфат і глюкози в глікоген.

При помірних рівнях фізичної активності збільшується потреба в АТФ. Цей попит задовольняється за рахунок мітохондрій, коли швидкість виробництва мітохондріальної АТФ підвищується, що збільшує швидкість споживання кисню. Наявність кисню не є обмежуючим фактором, тому що кисень може дифундувати (з'єднуватися, змішуватися) в м'язовому волокні досить швидко, щоб задовольнити мітохондріальні потреби. Скелетні м'язи в цей момент залежать головним чином від аеробного метаболізму піровиноградної кислоти, щоб генерувати АТФ. Піровиноградна кислота утворюється в процесі гліколізу, який розщеплює молекули глюкози, отримані з глікогену в м'язових волокнах. Якщо запаси глікогену низькі, м'язове волокно може також расщіпіть і інші субстрати, такі як ліпіди або амінокислоти. Поки попит на АТФ може бути задоволений шляхом мітохондріальної активності, забезпечення АТФ гликолизом залишається незначним в загальному енергетичному процесі м'язового волокна.

У пікові рівні активності потрібно багато АТФ, в результаті чого виробництво АТФ в мітохондріях зростає до максимуму. Це максимальна швидкість визначається наявністю кисню, а кисень не може дифундувати в м'язових волокон досить швидко, щоб дати можливість мітохондрії для утворення необхідного АТФ. У пікових рівнях навантаження мітохондріальна активність може забезпечити лише близько однієї третини від необхідного АТФ. Інша частина припадає на гліколіз.

Коли гліколіз виробляє пировиноградную кислоту швидше, ніж вона може бути використана в мітохондрії, збільшується рівень піровиноградної кислоти в саркоплазме. У цих умовах піровиноградна кислота перетворюється в молочну кислоту.

Анаеробний процес гліколізу дозволяє клітці генерувати додатковий АТФ, коли мітохондрії не в змозі задовольнити поточні потреби в енергії. Проте, виробництво анаеробної енергії має свої недоліки:

Молочна кислота являє собою органічну кислоту, яка в рідинах організму дисоціює на іони водню і негативно зарядженого іона лактату. Таким чином, виробництво молочної кислоти може привести до зниження внутрішньоклітинного рН. Буфери в саркоплазме можуть протистояти рН зрушень, але ці захисту обмежені. Зрештою зміни рН будуть змінювати функціональні характеристики ключових ферментів.
Гліколіз є відносно неефективним способом для генерації АТФ. В анаеробних умовах кожна молекула глюкози генерує 2 молекули піровиноградної кислоти, які перетворюються в молочну кислоту. У свою чергу, клітина отримує 2 молекули АТФ через гліколіз. Якби ті молекули піровиноградної кислоти катаболізіровать б аеробних способом в мітохондріях, клітина отримала б 34 додаткових молекул АТФ.

М'язова втома. Скелетні м'язові волокна втомлюються тоді, коли вони більше не можуть скорочуватися, незважаючи на продовження нервового імпульсу. Причина м'язової втоми змінюється в залежності від рівня активності м'язів. Після коротких пікових рівнів діяльності, наприклад таких, як 100-метровий забіг на час, втома може бути результатом вичерпання запасів АТФ або від падіння рН, який супроводжується накопиченням молочної кислоти. Після тривалих напружень, таких як марафон, втома може включати фізичні ушкодження саркоплазматичного ретикулума, що заважає регуляції внутрішньоклітинних + концентрації іонів Ca2. М'язова втома накопичується і наслідки цього стають більш вираженими, оскільки все більше м'язових волокон починають задіяні цим станом. Результатом є поступове зниження можливостей всіх скелетних м'язів.

Якщо м'язове волокно скорочується при помірних рівнях і запити АТФ можуть бути задоволені через аеробний метаболізм, втома не відбудеться, поки запаси глікогену, ліпідів і амінокислот НЕ будуть вичерпані. Цей тип втоми відбувається з м'язами спортсменів довгих навантажень, таких як марафонці, після декількох годин забігів на довгі дистанції.

Коли м'яз виробляє раптовий, інтенсивний сплеск активності на пікових рівнях, велика частина АТФ забезпечується шляхом гліколізу. Після декількох секунд до хвилини, підвищення рівня молочної кислоти знижує рН тканин і м'язи більше не можуть функціонувати нормально. Спортсмени, які відчувають швидкі потужні навантаження, такі як спринтери в 100-метровому забігу, отримують якраз цей тип м'язової втоми.

Для нормальної функціональності м'язів потрібно: 1) істотні внутрішньоклітинні енергетичні запаси, 2) нормальний кровообіг і 3) нормальна концентрація кисню в крові. Все, що перешкоджає одному або більше з цих факторів, сприятиме передчасної втоми м'язів. Наприклад, зниження кровотоку від тісного одягу, розлад кровообігу або втрата крові уповільнює доставку кисню і поживних речовин, прискорюючи при цьому накопичення молочної кислоти, а також сприяє м'язової втоми.

Відновлювальний період. При скороченні м'язових волокон умови в саркоплазме змінюються. Споживаються енергетичні запаси, виділяється тепло і, якщо скорочення було піковим, генерується молочна. У період відновлення, умови в м'язових волокнах повертаються до нормальних. Може зайняти кілька годин для того, щоб м'язових волокон оговталися від періоду помірної активності. Після тривалої діяльності на більш високих рівнях активності, повне відновлення може зайняти тиждень. У період відновлення, коли кисню є в надлишку, молочна кислота може бути перероблена шляхом конвертації назад в пировиноградную кислоту. Піровиноградна кислота може бути використана або мітохондрій для генерації АТФ, або в якості субстрату для ферментів, які синтезують глюкозу і відновлюють запаси глікогену.

У період навантажень молочна кислота дифундує з м'язових волокон в кровотік. Цей процес триває після того, як напруга закінчилося, тому що внутрішньоклітинні концентрації молочної кислоти все ще відносно високі. Печінка поглинає молочну кислоту і перетворює її в пировиноградную кислоту. Приблизно 30% цих молекул піровиноградної кислоти розщеплюються, забезпечуючи АТФ, необхідний для перетворення інших молекул піровиноградної кислоти в глюкозу. Молекули глюкози потім випускаються в обіг, де вони поглинаються скелетними м'язовими волокнами і використовуються для відновлення їх запасів глікогену. Ця перетасування молочної кислоти в печінці і глюкози до м'язових клітин називається циклом Корі.

У період відновлення кисень легко доступний і потреба тіла в кисні залишається підвищеною, вище нормального рівня спокою. Відновлювальний період підживлюється від АТФ. Чим більше АТФ потрібно, тим більше кисню буде необхідно. Кисневий борг або надмірне послетренировочное споживання кисню, створене під час фізичних вправ, є тим самим кількістю кисню, яка необхідна для нормального відновлення. Скелетні м'язові волокна, які повинні відновити АТФ, креатинфосфату і глікоген, в концентрації своїх колишніх рівнях і клітини печінки, які генерують АТФ, необхідний для перетворення надлишкової молочної кислоти в глюкозу, несуть відповідальність за більшу частину додаткового споживання кисню. У той час, як кисневий борг заповнюється, частота і глибина дихання збільшуються. В результаті, ви будете продовжувати дихати важко досить довго після припинення інтенсивних тренувань.

Теплові втрати м'язової активності генерує значні обсяги тепла. Коли відбувається катаболическая реакція, наприклад, при пробої глікогену або реакцій гліколізу, м'язові волокна захоплюють тільки частина виділеної енергії. Решта вивільняється у вигляді тепла. Відпочиваючі м'язові волокна, які спираються на аеробний метаболізм, захоплюють близько 42% енергії, що виділяється в катаболизме. Інші 58% зігрівають саркоплазму тканинної рідини і циркулює кров. Активні скелетні м'язи випускають близько 85% тепла, необхідного для підтримки нормальної температури тіла.

Коли м'язи стають активними, їх енерго-споживання різко зростає. Оскільки виробництво анаеробної енергії стає основним методом АТФ, м'язові волокна вже менш ефективно поглинають енергію. У пікових рівнях навантаження, тільки близько 30% від виділеної енергії зберігається у вигляді АТФ, а решта 70% зігрівають м'язи і навколишні їх тканини.

Гормони і м'язовий метаболізм. Метаболічна активність в скелетних м'язових волокнах регулюється гормонами ендокринної системи. Гормон росту з гіпофіза і тестостерон (основний статевий гормон у чоловіків) стимулюють синтез скоротливих білків і розширення скелетних м'язів. Гормони щитовидної залози піднімають швидкість споживання енергії при відпочинку. Під час інтенсивної фізичної активності, гормони надниркових залоз, особливо адреналін, стимулюють м'язовий обмін речовин і збільшують тривалість стимуляції і силу скорочення.

на Ваш сайт.