Откуда же берется энергия работающих мышц

В жизни одиночного мышечного сокращения практически не существует. Всякое, даже самое кратковременное движение – большая серия одиночных сокращений, очень часто сливающихся в более или менее длительное непрерывающееся сокращение мышц. Всякое движение – чередование сокращений и расслаблений мышц. Если мы, например, спокойно идем – мышцы ног сокращаются и расслабляются с небольшой частотой; если бежим – частота резко возрастает; если несем тяжелый предмет – мышцы длительное время остаются напряженными.

Энергию одиночному мышечному сокращению дает АТФ. Но при одиночном сокращении затрата ее невелика и так быстро восстанавливается, что даже точными современными методами трудно эту затрату определить. Другое дело, если мышечная работа длилась некоторое время, хотя бы 10-20 сек. В этом случае мы обнаружим отчетливую убыль АТФ, и тем большую, чем интенсивнее была мышечная деятельность. Установлено, например, что 30-ти минутная работа на лабораторном велоэргометре с умеренным темпом педалирования приводит к снижению уровня АТФ в мышцах бедра на 25%, а 2-х минутное педалирование в максимальном темпе – на 35%. Если же мышцу человека интенсивно и непрерывно раздражать электрическим током, то через некоторое время запас АТФ в ней полностью иссякнет и мышца утратит способность сокращаться. Способность к новым сокращениям и расслаблениям у нее появится только через какой-то промежуток времени.

На какое же время хватит имеющегося в мышце запаса АТФ, если он не будет постоянно возобновляться?

Опытным путем показано, что животные могут работать без возобновления запасов АТФ - 2-3 сек, человек - 10-20 сек. Следовательно, на одном наличном запасе АТФ много не наработает. Необходимо постоянное и весьма интенсивное его восполнение – ресинтез АТФ.

В организме для этого есть ряд путей.

Первый и самый быстрый из них – креатинкиназная реакция, названная так по ферменту "креатинкиназа", при помощи которого она осуществляется. Мы знаем, что в мышцах содержится креатинфосфат КФ, который может передавать свою фосфатную группу со всем запасом энергии ее связи в креатином (К) на АДФ: К - Ф + АДФ = К + АТФ.

И АТФ и креатин расположены в мышечном волокне недалеко друг от друга и вблизи от сократительных элементов мышечного волокна. Как только уровень АТФ начинает снижаться, сразу же запускается в ход эта реакция, что обеспечивает ресинтез АТФ. Поэтому естественно, что при мышечной деятельности содержание КФ снижается в большей степени, чем уровень АТФ. По данным, полученным в опытах со спортсменами с помощью микробиопсии, работа, сопровождающаяся понижением уровня АТФ на 23%, приводит к снижению уровня КФ на 74%, а работа, снижающая уровень АТФ на 35%, характеризуется уменьшением содержания КФ на 90%.

Однако запасы КФ в мышце, как и запасы АТФ, невелики, их хватает ненадолго.

Следующий путь ресинтеза АТФ – гликолиз, т.е. происходящее без участия кислорода (анаэробно) окисление глюкозы до молочной кислоты. Исходным субстратом гликолиза является глюкоза, приносимая к мышцам кровью, или содержащийся в мышце гликоген (животный крахмал), построенный из длинных цепей соединенных друг с другой остатков – глюкозидов. Начинается гликолиз с фосфорилирования, т.е. соединения глюкозы с фосфорной кислотой.

На какое же время работы хватит возможностей гликолиза? Запасы глюкозы в организме достаточно велики. Глюкоза находится в мышцах – до 2% и в печени – до 6% от их массы. Но все же углеводные запасы организма небезграничны.

Главный путь ресинтеза АТФ – дыхательное фосфорилирование. В Этом случае окислению могут подвергаться самые различные соединения: углеводы, продукты их неполного окисления – молочная и пировиноградная кислоты, образующиеся из жиров, жирные кислоты и глицерин, продукты расщепления белков – аминокислоты, предварительно лишившиеся своей содержащей азот аминогруппы.

Процесс аэробного окисления намного сложнее и многоэтапнее гликолиза. Зато возможности аэробного генерирования АТФ почти безграничны, так как субстраты окисления практически неисчерпаемы. Вспомним хотя бы количество жира в жировых тканях, который может быть мобилизован, а продукты его расщепления подвергнуты окислению.

Сопоставим плюсы и минусы рассмотренных механизмов ресинтеза АТФ. Креатинкиназный путь максимально эффективен. Он не дает никаких побочных продуктов и на требует никаких дополнительных затрат, а запущен может быть моментально. Основной минус в том, что его хватает ненадолго.

Гликолиз хорош тем, что тоже не требует повышенного снабжения организма кислородом. Кроме того, он обладает гораздо большим резервом, чем креатинкиназный путь ресинтеза АТФ. Но он, во-первых, малоэффективен. Во-вторых, запасы гликогена в организме хотя и велики, но далеко не безграничны и легко могут быть исчерпаны. В-третьих, гликолиз способствует наводнению организма молочной кислотой, концентрация которой в мышцах и в крови, куда она переходит из мышц, может возрастать в 10 раз и более. В-четвертых, "за-пуск" гликолиза требует некоторого времени. Он не настолько моментален, как креатинкиназная реакция, и полное развертывание его возможностей требует 10-20 сек.

Наконец, дыхательное фосфорилирование – высокоэффективно и дает большое количество молекул АТФ. Конечные продукты его – вода и углекислота – безвредны, избыток углекислоты легко удаляется через легкие с выдыхаемым воздухом. Если гликолизу могут подвергаться только углеводы, то здесь круг возможных субстратов окисления велик, разнообразен и почти неисчерпаем. Однако этот путь ресинтеза АТФ требует повышенного снабжения организма кислородом, что в практической жизни не всегда может быть в должной мере осуществлено.

При всякой мышечной деятельности повышается поглощение кислорода, и чем она интенсивнее, тем кислорода требуется больше. Например, при ходьбе со скоростью 4 км/ч по ровной дороге потребность в кислороде (по сравнению с состоянием покоя) возрастает в 4 раза, при ходьбе со скоростью 8 км/ч – в 10 раз, а при спортивном беге на короткие и средние дистанции – в 30-50 раз.

Таким образом, существует определенная последовательность включения и преобладания различных путей ресинтеза АТФ по мере продолжения мышечной деятельности: первые 2-3 сек расщепление только АТФ; затем начинается ее ресинтез от 3 до 20 сек – преимущественно за счет КФ; через 30-40 сек максимальной интенсивности достигает гликолиз; в дальнейшей постепенно все больше превалирует аэробное окисление. Наконец в аварийных ситуациях включается последний, самый невыгодный для организма путь ресинтеза АТФ - миокиназный.

В физиологии труда и спорта принято различать и подразделять мышечную деятельность по зонам интенсивности и мощности: работа максимальной, субмаксимальной, большой и умеренной мощности. Существует и другое подразделение: работа в анаэробной, смешанной и аэробной зонах энергообеспечения. По зонам интенсивности работа делится тоже на четыре класса и определяется по ответной реакции организма на нагрузку. Нулевая зона – ЧСС до 130 уд/мин; первая зона – ЧСС до 150 уд/мин; вторая зона – ЧСС до 180 уд/мин; третья зона – ЧСС свыше 180 уд/мин. Работа в максимальной зоне – анаэробный режим; работа в субмаксимальной зоне – смешанный режим; работа в большой и умеренной зоне мощности – аэробный режим энергообеспечения.

Каким же образом происходит регуляция биоэнергетики мышечной системы?

Организм человека представляет собой сложнейшую саморегулирующуюся систему с бесконечным количеством прямых и обратных связей.

Главнейшим и центральным регулятором является нервная система, объединяющая организм в единое целое, обуславливающая его целостную реакцию на все изменения во внешней и внутренней среде и упорядочивающая все физиологические отправления организма. Другим важный регулятором служит система эндокринных желез, выделяющая в кровь биологически активные вещества – гормоны, стимулирующие физиологические функции и химические процессы обмена веществ в тканях и органах. Наконец, сами химические процессы обмена веществ протекают так, что способны к саморегуляции.

Естественно, что все эти принципы регуляции распространяются и на мышечную систему, на те химические процессы, что происходят в работающих мышцах. Следовательно, биоэнергетическая регуляция в мышцах совершается тремя путями. Это химическая авторегуляция реакций в мышцах, эндокринная регуляция с помощью гормонов и нервная регуляция.

А что же происходит в мышце во время отдыха, когда работа ее заканчивается? Сразу же необходимо оговориться: отдых и покой – далеко не одно и тоже. Покой – состояние пассивное, а отдых активен. Во время отдыха восстанавливаются нормальные (дорабочие) биохимические соотношения в мышцах (и организме в целом), нарушенные мышечной деятельностью, и восполняется то, что было затрачено на эту деятельность.

В момент отдыха регенерируется КФ, гликоген, фосфолипиды, мышечные белки и, конечно, АТФ, в результате чего в мышце устанавливаются дорабочие соотношения ее химических ингредиентов.

Интересно, то, что надо ресинтезировать КФ, гликоген и АТФ, понятно и без специальных объявлений. Но причем же фосфолипиды и белки? До сих пор о них и речи не было. А не говорили мы о них потому, что они не относятся к числу источников энергии мышечной деятельности. Оказывается, что все химические соединения в организме существуют определенный срок, измеряемый "полураспадом жизни", т.е. тем временем, за которое данное вещество наполовину обновит свой состав. Разрушение белков и фосфолипидов не требует больших затрат энергии, а для обратного синтеза это необходимо, и здесь, как во всех биологических процессах, источником энергии служит АТФ. Поэтому в организме всегда существует конкуренция за использование АТФ между функциональной деятельностью в нашем случае – мышечными сокращениями и пластическим обменом (т.е. биологическими синтезами). В состоянии покоя все уравновешено: АТФ хватает и на то и на другое. Но при мышечной деятельности равновесие смещается в сторону преобладания использования АТФ для мышечных сокращений, а пластические процессы оказываются обделенными.

В результате при интенсивной или очень длительной мышечной деятельности, когда в мышцах возникает дефицит АТФ, процессы разрушения начинают превалировать над процессами обратного синтеза.

Таким образом, восстановление нормальной деятельности мышц началось практически одновременно, а вот заканчивается этот процесс, как во всякой биологической системе, выведенной из состояния равновесия не линейно, а колебательно. Поэтому и восстановление в период отдыха – процесс колебательный. В основе этого колебательного восстановления лежит явление суперкомпенсации. Таким образом, во время отдыха после работы не только восстанавливается дорабочее состояние мышц (и организма в целом), но и на какой-то период создаются условия для повышенной работоспособности.

Характер работы определяет строение и энергетику мышц. Движения человека многосложны и разнообразны. Он может идти, бежать, прыгать, передвигать, поднимать и нести большие тяжести, бросать те или иные предметы, придавая им значительную кинетическую энергию, например спортсмен-дискобол, копьеметатель или толкатель ядра, или солдат, бросивший гранату. А вместе с тем какие тонкие, чрезвычайно точные и быстрые движения руками и пальцами совершает человек, играя на музыкальных инструментах, производя хирургические операции, рисуя миниатюру или изготовляя ювелирное изделие.

Значит, мышца человека способна выполнять различную работу, а это не может не найти отражения в ее строении, и в химических процессах, происходящих в мышцах при разного рода деятельности. Ведь недаром один из классиков естествознания - В. Py писал, что "функция строит орган".

Еще П.Ф.Лесгафт делил мышцы на сильные и ловкие. Сильные при работе могут проявлять большую силу при незначительном напряжении и долго не утомляться.

Ловкие мышцы отличаются быстротой сокращения. Сильно напрягаясь, они быстро утомляются. Поверхность опоры этих мышц на костях невелика и лежит ближе к точке опоры рычага. Они обладают параллельно расположенными длинными волокнами. Кроме того, у них несколько головок (две-три), которые могут сокращаться изолированно. Все это позволяет такому типу мышц производить мелкие, точные и разнообразные движения.

Выявлена определенная закономерность: чем большую и более длительную нагрузку несет мышца, тем более (выше) в ней возможности дыхательного ресинтеза АТФ.

В мышце имеются волокна, которые, как говорится, "от одних ушли, а к другим не пришли”, стоящие по своим свойствам между первым и вторым типом. Их называют переходными волокнами. В зависимости от того, какую работу систематически будет выполнять мышца, они могут превращаться в волокна первого или второго типа.

Известно, какие мышцы в мышечные группы имеют ведущее, решающее значение при выполнении профессиональной двигательной программы. Известны и требования, предъявляемые к этим мышцам: должны ли они работать резко и быстро или обладать выносливостью и малой утомляемостью при длительной работе. Соотношение волокон сильных и ловких в мышце можно до известной степени "переделать" с помощью физического упражнения специальной направленности.