Лекція - підвищена м’язова діяльність і адаптація організму до неї

Як організм пристосовується до підвищеної м'язової діяльності?

Характер руху, зустрічається в світі тварин, надзвичайно різноманітний: і по біомеханічної структурі, і за величиною м'язових зусиль, і по частоті циклів скорочення і розслаблення, і по руховому режиму.

Нерідко еволюційно близькі тварини мають абсолютно різним характером руху. Порівняйте, наприклад, рух ящірки і черепахи; планує політ орла і птахів загону курячих з їх частими помахами крил. Багато риби, мігруючі для нересту, здійснюють шлях до 8 тисяч кілометрів зі швидкістю до 4 км / год, а перелітні птахи долають відстані до 5 тисяч кілометрів. При русі багато тварин проявляють не тільки витривалість, але і велику швидкість. Так, лисиця, переслідуючи жертву, тривалий час біжить зі швидкістю 35 км / год. А що говорити про гепард, який є «рекордсменом в спринтерському бігу». Він легко наздоганяє найшвидшу антилопу, що недоступно собакам. Недарма за старих часів в середній Англії та Індії гепардів використовували як мисливських собак.

Велика розмаїтість рухів властиво і людині. Порівняйте роботу м'язів музиканта і важкоатлета - штангіста, біг спринтера і марафонського бігуна, важкі фізичні роботи в надзвичайній ситуації - пересування важких предметів або ін.

Природно, що і людині і тварині необхідно пристосуватися до підвищеної м'язової діяльності, щоб вона не шкодила організму і результат її був ефективний. Як це досягається?

Тому одні м'язи можуть при роботі проявляти велику силу при незначному напрузі і довго не втомлюватися, інші відрізняються швидкістю скорочення, сильно напружуються і швидко втомлюються. Наприклад, у людини до швидких скорочень і до тривалої роботи здатні ряд м'язів гомілки, стегна, плеча, а м'язи тулуба скорочуються повільніше, протистоять втомі і здатні до тривалої роботи помірної інтенсивності. Ці приклади підтверджують, що пристосованість організму до різних видів руху має складну і специфічну основу.

Основу пристосованості організму до різних видів руху складають його анатомо-морфологічні особливості, а також пристосованість фізіологічних механізмів до регулювання і координації функцій.

Як ми вже знаємо, основу всіх видів адаптації організмів до умов середовища становлять біохімічні процеси в тканинах і клітинах. Саме вони забезпечують всі життєво важливі функції на молекулярному рівні.

Який біохімічний механізм адаптації організму до підвищеної м'язової діяльності?

Попри всю різноманітність і відмінності в будові м'язів тварин і людини, тонка структура м'язової тканини і її хімічний склад практично не відрізняються.

Згадаймо, що хімізм м'язового скорочення в усьому живому світі - від амеби до людини - єдиний і пригадаємо, як він здійснюється.

М'язове скорочення є наслідком взаємодії скорочувального білкового комплексу актомиозина з АТФ. При цьому хімічна енергія, укладена в фосфатних зв'язках АТФ, переходить в механічну енергію, за рахунок якої і відбувається робота.

Врахуємо, що в спочиває м'язі актоміозін відсутня, в м'язових фібрила є окремо тонкі нитки білка актину і товсті нитки білка міозину.

Звернемо увагу (це важливо для розуміння біохімічної адаптації м'язів до підвищеної діяльності) на те, що на відміну від актину, білок міозину містить -HS групи, поряд з аміногрупами і ін. Активними групами амінокислот.

АТФ також є в спочиває м'язі. Інакше кажучи, в яка покоїться м'язі присутні всі «потенційні учасники» процесу скорочення м'язи. Виникає питання: чому м'яз на скорочується постійно?

Виявляється, м'яз не скорочується до тих пір, поки не прийде руховий нервовий імпульс. Це означає, що до приходу рухового нервового імпульсу не утворюється актоміозін і відсутня взаємодія з АТФ. У чому сутність цієї взаємодії? Відповідь на це питання була отримана в 1939 р в класичному досвіді В.А. Енгельгардта.

У розчин, що містить необхідні іони, опустили миозинового нитку і до неї прикріпили невеликий вантаж. (Рис. А)

Потім в розчин додали АТФ (Рис Б), міозіновая нитка скоротилася і підняла вантаж, тобто була здійснена робота. При цьому зменшилася кількість АТФ в розчині, а з'явилася АДФ і фосфат-іони, тобто відбулася взаємодія АТФ з міозином.

АТФ і Міозин утворили АДФ і фосфат, а енергія, укладена в фосфатного зв'язку АТФ, була використана на здійснення роботи.

Оскільки всі реакції в організмі протікають за участю ферментів, то стало ясно, що міозин - це не тільки скоротливий білок м'язи, він в той же час має властивості ферменту. Було встановлено, що здатність розщеплювати АТФ - АТФазна активність - пов'язана з наявністю в МІОЗИНУ -HS груп, які і є активними центрами ферменту.

Міозин є не тільки скорочувальним білком, але також ферментом, що розщеплює АТФ.

Розщеплення АТФ при взаємодії з -HS групами міозину є безпосередньою причиною обумовлює м'язове скорочення.

З'ясувалася і роль рухового нервового імпульсу. З його приходом в м'яз відбувається перерозподіл іонів у м'язовому волокні. Завдяки цьому, роз'єднані раніше АТФ і -HS групи міозину вступають у взаємодію. Один руховий імпульс викликає одиночне м'язове скорочення. Для продовження роботи потрібно подальше їх надходження.

Спортсмени добре знають, що таке «розминка», яку проводять перед початком заняття. Після періоду рухової активності м'яз реагує на рухові імпульси швидше, ніж після періоду спокою. Це пояснюється тим, що на початку роботи починається окислення глюкози і утворюється молочна кислота, що сприяє пересуванню іонів - м'яз стає більш чутливою до нервових імпульсів і істотно сильніше реагує на наступні сигнали.

Розслаблення м'яза - також активний процес, що вимагає витрати АТФ. Однак тепер АТФ витрачається для «доробочого» перерозподілу іонів. Якщо АТФ недостатньо, що буває в перевтомі м'язі, то м'яз не може розслабитися.

Отже, біохімічний механізм адаптації організму до м'язової діяльності обумовлений властивостями скоротливих білків м'язів (актину і міозину) і механізмами енергетичного забезпечення працюючих м'язів.

Як відбувається енергетичне забезпечення працюючих м'язів?

Однак, в організмі все ж є механізм деякого «запасання» багатих енергією фосфатних зв'язків. Відбувається це таким чином: В м'язах є речовина креатин. Воно здатне приєднувати багатий енергією залишок фосфорної кислоти від АТФ, при цьому воно перетворюється в ефір креатинфосфат, а під час роботи м'язів віддає фосфат на «екстрене» освіту АТФ. Таким чином, забезпечуються енергією перші моменти початку роботи. Ця реакція протікає дуже швидко і це є - перший за часом шлях відновлення (тобто ресинтезу) АТФ в працюючому м'язі. Оскільки запаси креатинфосфату в м'язах обмежені, такий шлях ресинтезу АТФ може здійснюватися дуже недовгий час. Він характерний для короткочасних інтенсивних фізичних навантажень (ривок зі старту, підйом штанги і т.п.).

Далі ресинтез АТФ відбувається за рахунок вуглеводних ресурсів організму. Вони зазвичай досить великі (у вигляді глікогену печінки і м'язів) і, до того ж, на стадії гліколізу протікають під час відсутності кисню. Цей шлях є переважаючим при спортивних вправах максимальної інтенсивності, коли має місце різке невідповідність між збільшеною потребою організму в кисні і обмеженими можливостями його надходження. Наприклад, біг на 100 метрів здійснюється на 95% за рахунок гліколізу, при бігу на 400 метрів - на 65%. Однак цей безкисневому (тобто анаеробний) шлях є енергетично мало ефективним, оскільки в цьому процесі не відбувається повного окислення глюкози. До того ж накопичуються недоокислені продукти - молочна та піровиноградна кислоти. Вони загальмовують процес гліколізу і організм змушений перейти на третій шлях - аеробне окислення, при якому АТФ утворюється за участю кисню (цикл Кребса). Це - дуже ефективний шлях, який має суттєві переваги перед гликолизом. По-перше, в якості речовин, що піддаються окисленню, використовуються залишки і вуглеводів, і ліпідів, і амінокислот. По-друге, він вигідний енергетично. Для ресинтезу одного і того ж кількості АТФ при гліколізі потрібно 1г глюкози, а при аеробному окисленні - 0,08г глюкози або близько 0,03 жирних кислот, оскільки це процес повного окислення речовин. По-третє, кінцеві продукти аеробного окислення - вуглекислий газ і вода - не викликають різких змін внутрішнього середовища організму і легко з нього видаляються.

Обов'язковою умовою аеробного окислення є хороше постачання організму киснем, а, отже, має місце при фізичних вправах середньої та помірної інтенсивності.

Нарешті, при м'язової діяльності, пов'язаної зі значних ступенях втоми, коли інші способи ресинтезу АТФ стають скрутними, АТФ утворюється шляхом взаємодії двох частинок АДФ за допомогою ферменту міоксінази. 2АДФ + міоксіназа → АТФ + АМФ.

Цей шлях не вигідний, тому що з двох молекул АДФ утворюється лише одна молекула АТФ (50% - образно кажучи - «витрати виробництва»). Цей шлях є як би «аварійним».

Біохімічні зміни в організмі під впливом підвищеної м'язової діяльності носять пристосувальний характер до певного виду діяльності.

Ще роботи з біології