Механизмы сокращения скелетных мышц

Красные, белые и промежуточные мышечные волокна

Скелетная мышечная ткань при увеличении выглядит как комбинация темных и светлых линий, т.к. образована широкими и узкими протеиновыми волокнами, которые бывают двух видов – красные и белые. Существуют также промежуточные волокна. Цвет волокон определяется в основном миоглобином. Красные волокна именуют медленными, а белые – быстрыми.

В момент рождения мышцы полностью составлены из красных волокон, но в процессе созревания часть красных волокон становятся белыми. Медленные (красные) волокна функционирует по большей части в аэробном режиме, а быстрые (белые) – в анаэробном.

Медленные и быстрые волокна выполняют разные функции. Медленные волокна обычно задействованы в осуществлении легкой, умеренной работы, тогда как быстрые начинают работать только при крайне интенсивных нагрузках, когда значительно увеличивается приток стимулирующих импульсов. Промежуточные волокна обладают свойствами как медленных, так и быстрых волокон, поэтому их иногда называют быстрыми красными волокнами. Подобное разделение ролей волокон основывается на свойстве энзимов адаптироваться к необходимой интенсивности работы и на обменных процессах, протекающих в мышечной ткани.

Физические способности человека зависят от процентного отношения красных и белых волокон. Обычно люди с преобладанием медленных волокон добиваются успехов в видах спорта, в которых необходима выносливость (бег на дальние дистанции, плавание, велоспорт и т.д.). Люди, у которых преобладают быстрые волокна, эффективны в силовых видах спорта. Это обусловлено и тем, что быстрые волокна легче растут в объеме в результате силовых упражнений.

Однако не всё определяется наследственностью. Тренировки также оказывают значительное влияние на мышцы. Многие тренера полагают, что тренировка играет более важную роль в оформлении мышечной ткани.

Как мышцы получают энергию

Клетки скелетных мышц находятся в особой оболочке – мембране, и состоят из миофибрилл. Миофибриллы находятся в цитозоле, посредством которого к ним доставляется энергия.

В цитозоле содержится АТФ, гликоген, креатинфосфорная кислота и гликолитические энзимы. В активно работающей мышце содержится большое количество митохондрий. Они играют роль энергетических производителей клеток, в которых находятся различные энзимы – стимуляторы биохимических реакций получения энергии путем производства аденозинтрифосфата.

При напряжении мышцы осуществляется взаимодействие толстых и тонких волокон. Толстые волокна миофибрилл образованы миозином. Актин – главная составляющая тонких волокон. Именно актомизиновый комплекс играет главную роль во взаимодействии широких и узких волокон.

Физиологическим контролером напряжения мышц являются ионы кальция. В пассивном состоянии ионы кальция скапливаются в особом депо, из которого выбрасываются под действием нервного сигнала. Впоследствии актин реагирует с миозином, что и обеспечивает напряжение мышцы.

Транспортировка ионов кальция осуществляется благодаря энергии АТФ. Количества аденозинтрифосфата, находящегося в мышце, достаточно для поддержания функционирования сократительного механизма лишь в течение нескольких миллисекунд. Поэтому при более продолжительных мышечных напряжениях запускаются иные механизмы.

В мышце энергия скапливается в виде креатинфосфорной кислоты. Креатинфосфорная кислота обладает более мощным потенциалом транспорта энергетических фосфатных групп, чем аденозинтрифосфат. Фосфагены в виде креатинфосфорной кислоты восстанавливают аденозинтрифосфат, обеспечивая таким образом доставку энергии, требуемой для мышечного напряжения. Однако в сокращающейся мышце количество креатинфосфорной кислоты быстро тратится, а это истощает и запасы аденозинтрифосфата.

Следующим процессом снабжения мышцы энергией при более длительной физической активности является гликолиз. При истощении запасов креатинфосфорной кислоты в мышце снижается энергетический заряд мышечного напряжения. Это и запускает гликолиз – реакции превращения трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования в сокращающейся мышечной ткани.

Гликолиз – это процесс скопления энергии в форме аденозинтрифосфата путём разложения сахаридов под действием энзимов. У этого процесса имеется побочный продукт. При анаэробном распаде сахаридов образуется молочная кислота. Ученые определили, что в результате расщепления молекулы сахарида в анаэробных условиях, или в условиях кислородного дефицита, образуются две молекулы молочной кислоты и две молекулы аденозинтрифосфата. Однако если в гликолизе принимает участие мышечный гликоген, образуются две молекулы молочной кислоты и три молекулы аденозинтрифосфата. Второй вариант более выгоден с точки зрения использования энергии.

Гликоген – это хранящийся в мышцах и печени основной резервный высокомолекулярный углевод. В отношении этого резерва энергии, необходимого для работы мышц, существует двусторонний механизм. Основная реакция данного механизма воплощается в том, что при снижении запаса гликогена в мышцах и печени глюкоза, находящаяся в плазме крови, задействуется в его производстве. И наоборот: в создании источника энергии, требуемого для процессов гликолиза, задействован гликоген.

Цикл трансформации трикарбоновых кислот, называемый также цитратным циклом, является универсальным конечным этапом разложения углеродных молекул в организме и выполняет важнейшую роль в метаболизме. Цитратный цикл напрямую задействован в дыхании и окислительном фосфорилировании, происходящем в клеточных митохондриях. Энергия, высвобождаемая в процессе окислительного фосфорилирования, также частично задействована в образовании аденозинтрифосфата.

Механизмов обеспечения энергии, требуемой для работы мышц, много. Роль каждого механизма в синтезе аденозинтрифосфата зависит от времени сокращения мышц и от вида мышц. Например, окислительное фосфорилирование гораздо интенсивнее протекает в медленных волокнах, красный цвет коих обеспечивается высоким уровнем миоглобина и гемопротеинов дыхательной электронтранспортной цепи, чем в быстрых волокнах.

Эффективность работы мышечной ткани зависит от интенсивности ее использования и от здорового образа жизни человека.