Биохимия мышечной работы

БИОХИМИЯ  МЫШЕЧНОЙ  ТКАНИ 

      Мышечная  ткань составляет 40% от веса тела человека. Биохимические процессы, протекающие  в мышцах, оказывают большое влияние  на весь организм человека.

      ФУНКЦИЯ МЫШЦ - МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ, в котором  химическая энергия превращается в  механическую при постоянном  давлении  и постоянной температуре. Ни один искусственный механизм к этому не способен.

ПОПЕРЕЧНО-ПОЛОСАТАЯ  МУСКУЛАТУРА

    Функциональная единица - САРКОМЕР.

ТОЛСТАЯ НИТЬ

      Состоит из молекул белка миозина. МИОЗИН - крупный олигомерный белок, молекулярная масса 500 кДа, состоит из 6 субъединиц, попарно одинаковых.

      Тяжелая цепь: на С-конце - альфа-спираль, на N-конце - глобула. При соединении двух тяжелых  цепей С-концевыми участками образуется суперспираль. Две легкие цепи входят в состав глобулы (головки).  Стержневой участок суперспирали имеет 2 отдела,  где спирали оголены - эти места открыты для действия протеолитических ферментов и имеют повышенную подвижность.

Свойства  миозина.

      1. В физиологических условиях (оптимальные pH,  температура,  концентрации солей) молекулы миозина спонтанно взаимодействуют между собой своими  стержневыми участками ("конец в конец",  "бок в бок") с помощью слабых типов связей.  Взаимодействуют только стержни, головки остаются свободными.

      2. Молекула миозина обладает ферментативной  активностью (АТФ-азная активность:  АТФ+Н₂О----->АДФ+Ф).  Активные центры  расположены на головках миозина.

      1-я  стадия. Сорбция субстрата. В ходе  этой стадии АТФ фиксируется  на адсорбционном участке активного центра головки миозина.

      2-я  стадия. Гидролиз АТФ. Происходит  на каталитическом участке активного  центра головки.  Продукты гидролиза  (АДФ и Ф) остаются фиксированными,  а выделившаяся энергия аккумулируется  в головке.

Примечание: чистый миозин in vitro обладает АТФ-азной активностью, но она очень низка.

      3-я  стадия. Миозин способен взаимодействовать  с актином тонких нитей. Присоединение  актина к миозину увеличивает  АТФазную активность миозина,  в результате скорость гидролиза  АТФ возрастает в 200 раз. Ускоряется именно 3-я стадия катализа. Освобождение продуктов реакции (АДФ и Ф) из активного центра головки миозина.

Примечание: чистый миозин обладает ферментативной активностью, но она очень низкая.

      3. Миозин своими головками способен  взаимодействовать с актином (актин- сократительный белок),  входящим в состав тонких нитей.

    Присоединение актина к миозину  мгновенно увеличивает АТФ-азную  активность миозина (больше,  чем  в 200 раз). Актин является аллостерическим  активатором миозина. 

ТОНКИЕ  НИТИ

      В состав тонких нитей входят три белка:

      - сократительный белок актин

      - регуляторный белок  тропомиозин

      - регуляторный белок  тропонин

    АКТИН - небольшой глобулярный  белок, его молекулярная масса  - 42 кDа.  G-актин представляет собой  глобулу. В физиологических условиях его молекулы способны к спонтанной агрегации, образуя F-актин.

    В состав тонкой нити входят  две F-актиновые нити, образуется  суперспираль (2 перекрученные нити). В области Z-линий актин прикрепляется  к a-актинину. 

МЕХАНИЗМ  МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ.

      1. Сродство комплекса "миозин-АТФ"  к актину очень низкое.

      2. Сродство комплекса "миозин-АДФ"  к актину очень высокое. 

      3. Актин ускоряет отщепление АДФ  и Ф от миозина и при этом  происходит конформационная перестройка  - поворот головки миозина.

1-я стадия  2-я стадия  3-я стадия  4-я стадия

      1-я  стадия. Фиксация АТФ на головке  миозина.

      2-я  стадия. Гидролиз АТФ. Продукты  гидролиза (АДФ и Ф) остаются  фиксированными,  а выделившаяся  энергия аккумулируется в головке.  Мышца готова к сокращению.

      3-я  стадия. Образование комплекса “актин-миозин”.  Он очень прочен. Может быть  разрушен только при сорбции  новой молекулы АТФ.

      4-я  стадия Конформационные изменения  молекулы миозина, в результате  которых происходит поворот головки миозина. Освобождение продуктов реакции (АДФ и Ф) из активного центра головки миозина.

      Головки миозина ”работают” циклично, как  плавники у рыбы или как весла  у лодки, поэтому этот процесс  называется “вёсельным механизмом”  мышечного сокращения.

Исследователь Дьерди впервые выделил чистые актин и миозин. In vitro были созданы необходимые физиологические условия, при которых наблюдалось спонтанное образование толстых и тонких нитей, затем был добавлен АТФ - в пробирке происходило мышечное сокращение. 

РЕГУЛЯЦИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

 ТРОПОМИОЗИН.

    Фибриллярный белок, молекулярная  масса - 70 кДа. Имеет вид a-спирали.  В тонкой нити на 1 молекулу  тропомиозина приходится 7 молекул  G-актина.  Располагается тропомиозин  в желобке между двумя спиралями  G-актина.  Соединяется тропомиозин "конец в конец", цепочка непрерывная. Молекула тропомиозина закрывает активные центры связывания актина на поверхности глобул актина. 

ТРОПОНИН.

      Глобулярный белок, молекулярная масса 80 кДа, имеет 3 субъединицы: тропонин "Т", тропонин "С" и тропонин "I". Располагается на тропомиозине с равными промежутками, длина которых равна длине молекулы тропомиозина.

      Тропонин  Т (ТнТ) - отвечает за связывание тропонина  с тропомиозином,  через тропонин "Т" конформационные изменения  тропонина передаются на тропомиозин.

      Тропонин  С (ТнС) - Ca²⁺-связывающая субъединица, содержит 4 участка для связывания кальция, по строению похожа на белок кальмодулин.

      Тропонин I  (ТнI) - ингибиторная субъединица - это ненастоящий ингибитор - он тоько  лишь создает пространственное препятствие, мешающее взаимодействию актина и миозина в момент, когда тропонин "С" не связан с Са²⁺.

РЕГУЛЯЦИЯ СОКРАЩЕНИЯ  И РАССЛАБЛЕНИЯ МЫШЦ В ЖИВОЙ КЛЕТКЕ

СОКРАЩЕНИЕ

      1. Мышечное сокращение начинается  с нервного импульса. Под воздействием  ацетилхолина развивается возбуждение клеточной мембраны и резко повышается ее проницаемость для Са²⁺.

      2. Са²⁺ поступает в цитоплазму мышечной клетки (саркоплазма) из депо - цистерн цитоплазматического ретикулума. Концентрация Са²⁺ в саркоплазме мгновенно увеличивается в 100 раз (с 10^-7М до 10^-5М).

      3. Кальций связывается с тропонином "С".  Это приводит к конформационным  изменениям молекулы тропонина,  в результате устраняется пространственное  препятствие в виде тропонина  "I", в результате конформационных  изменений тропонина "Т" молекула тропомиозина оттягивается в сторону и открывает на поверхности актина миозин-связывающие центры. Дальше мышечное сокращение идет по схеме (смотрите предыдущий рисунок на странице 3 ).

РАССЛАБЛЕНИЕ

      Чтобы произошло расслабление мышцы, необходимы следующие условия:

      1. Освобождение тропонина "С"  от Са²⁺ - для этого работает мембрано-связанный фермент Са²⁺-зависимая АТФаза. Этот фермент использует энергию гидролиза АТФ для переноса Са²⁺ обратно в цистерны против градиента их концентраций. Накоплению ионов кальция в цистернах помогает белок КАЛЬСЕКВЕСТРИН. Кальсеквестрин - связывает Са²⁺ в цистернах. Когда мышца готова к сокращению, концентрация Са²⁺ в цистернах велика.

      Не  только процесс сокращения,  но и  процесс расслабления нуждается  в АТФ,  потому что если нет АТФ, то не работает Са²⁺-зависимая АТФаза. В этих условиях кальций связан с тропонином "С" - вся система находится в активном состоянии, нет распада актомиозинового комплекса - мышца постоянно находится в состоянии сокращения.  Такая ситуация наблюдается после смерти человека в состоянии "трупного окоченения".

    Запасы АТФ  в  клетке  значительны,  но их хватает  для обеспечения мышечной работы  только в течение 0.1 секунды.  Но в мышечной клетке идет  очень быстрый ресинтез АТФ.

    Особенность мышечной ткани - очень быстрые изменения концентрации АТФ (в 100 и более раз).

МЕХАНИЗМЫ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЫ

    ИСТОЧНИКИ  ЭНЕРГИИ:

      1. Специальные реакции  субстратного  фосфорилирования.

      2. Гликолиз, гликогенолиз.

      3. Окислительное фосфорилирование. 

1. Специальные реакции  субстратного фосфорилирования

      Участие специальных реакций субстратного фосфорилирования в обеспечении  энергией мышечной клетки различна - это  зависит от интенсивности,  продолжительности, мощности и длительности мышечной работы.

            1) Креатинфосфокиназная реакция. 

      Это самый  быстрый  способ ресинтеза  АТФ.  Запасов креатинфосфата хватает  для обеспечения мышечной работы в течение 20 секунд.

Максимально эффективен. Не требует присутствия  кислорода, не дает побочных нежелательных продуктов, включается мгновенно. Его недостаток - малый резерв субстрата (хватает только на 20 секунд работы).  Обратная реакция может протекать в митохондриях с использованием АТФ, образовавшейся в процессе окислительного фосфорилирования.

      Мембрана  митохондрий хорошо проницаема как  для креатина, так и для креатин-фосфата, а креатинфосфокиназа есть и в  саркоплазме, и в межмембранном  пространстве митохондрий.

      2) Миокиназная реакция. Протекает только в мышечной ткани!

2 АДФ -----------------> АТФ + АМФ

      Реакция катализируется миокиназой (аденилаткиназой).

      Главное значение этой реакции заключается  в образовании АМФ - мощного аллостерического активатора  ключевых  ферментов  гликолиза,  гликогенолиза, ГБФ-пути.

2. Гликолиз, гликогенолиз.

      Не  требуют присутствия кислорода (анаэробные процессы). Обладают большим резервом субстратов. Используется гликоген мышц (2% от веса мышцы) и глюкоза крови, полученная из гликогена печени.

      Недостатки:

      1) Небольшая эффективность: 3 АТФ на  один глюкозный остаток гликогена.

      2) Накопление недоокисленных продуктов  (лактат).

      3) Гликолиз начинается не сразу  - только через 10-15 секунд после  начала мышечной работы.

3. Окислительное фосфорилирование.

      Преимущества:

      1. Это наиболее энергетически выгодный  процесс - синтезируется 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы.

      2. Имеет самый большой резерв  субстратов: может использоваться  глюкоза, гликоген, глицерин, кетоновые  тела.

      3. Продукты распада (CO₂ и H₂O) практически безвредны.

      Важную  роль в обеспечении мышечной клетки кислородом играет миоглобин, у которого сродство к кислороду больше, чем  у гемоглобина: при парциальном  давлении кислорода, равном 30 мм.рт.ст., миоглобин насыщается кислородом на 100%, а гемоглобин - всего на 30%. Поэтому миоглобин эффективно отнимает у гемоглобин доставляемый им  кислород.

ИЗМЕНЕНИЯ МЕТАБОЛИЗМА ПРИ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЕ.

      1. Уменьшение концентрации АТФ  смещает равновесие креатинфосфокиназной  реакции вправо:  используется креатинфосфат. Далее включается гликолиз, так системе окислительного фосфорилирования необходима 1 минута для запуска. Это пусковая фаза мышечной работы.

      2. Дальше изменения метаболизма  зависят от интенсивности мышечной  работы:

      а) если мышечная работа длительная и небольшой интенсивности, то в дальнейшем клетка получает энергию путем окислительного фосфорилирования - это работа в "аэробной зоне“ ;

      б) если мышечная работа субмаксимальной  интенсивности,  то - дополнительно  к окислительному фосфорилированию включается гликолиз - это наиболее тяжелая мышечная работа - возникает “кислородная задолженность”, это - работа "в смешанной зоне”;

    в) если мышечная работа максимальной  интенсивности, но непродолжительная,  то механизм окислительного фосфорилирования не успевает включаться. Работа идет исключительно за счет гликолиза. После окончания максимальной нагрузки лактат поступает из крови в печень,  где идут реакции глюконеогенеза, или лактат превращается в пируват, который дальше окисляется в митохондриях (ГДФ-путь). Для окисления пирувата нужен кислород, поэтому после мышечной работы максимальной и субмаксимальной интенсивности потребление кслорода мышечными клетками повышено - возвращается  кислородная задолженность (долг).

      Таким образом, энергетическое обеспечение разных видов мышечной работы различно. Поэтому существует специализация мышц, причем обеспечение энергией у разных мышечных клеток принципиально различается: есть "красные" мышцы и "белые" мышцы.

      Красные мышцы - “медленные” оксидативные мышцы. Они  имеют хорошее кровоснабжение, много митохондрий, высокая активность ферментов окислительного фосфорилирования. Предназначены для работы в аэробном режиме. Например, такие мышцы служат для поддержания тела в определенном положении (позы, осанка).

      Белые мышцы - “быстрые”, гликолитические. В них много гликогена,  у них слабое кровоснабжение, высока активность ферментов гликолиза, креатинфосфокиназы, миокиназы. Они обеспечивают работу максимальной мощности, но кратковременную.

      У человека нет специализированных мышц,  но есть специализированные волокна: в мышцах-разгибателях больше "белых" волокон, в мышцах спины больше "красных" волокон.

    Существует наследственная предрасположенность  к мышечной работе - у одних  людей больше "быстрых" мышечных  волокон -  им  рекомендуется заниматься теми видами спорта, где мышечная работа максимальной интенсивности, но кратковременная (тяжелая атлетика, бег на короткие дистанции и т.п.).  Люди, в мышцах которых больше "красных" ("медленных") мышечных волокон, наибольших успехов добиваются в тех видах спорта,  где необходима длительная мышечная работа средней интенсивности, например, марафонский бег (дистанция 40км). Для определения пригодности человека к определенному типу мышечных нагрузок используется пункционная биопсия мышц.

      В результате скоростных тренировок (bodybuilding) утолщаются миофибриллы, кровоснабжение возрастает, но непропорционально увеличению массы мышечных волокон,  количество актина и миозина возрастает,  увеличивается активность ферментов  гликолиза и  креатинфосфокиназы.

      Более полезны для организма тренировки "на выносливость". При этом мышечная масса не увеличивается, но увеличивается  количество миоглобина, митохондрий  и активность ферментов ГБФ-пути.