Биохимия мышц

102. Белки мышц. Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабле­ния. Утомление. Тренировка. Креатинурия, значение теста в диагностики заболевания мышц.

Ф-ии мышц: структурная, механическая, уч.в кровообращении, дыхании, работе ЖКТ, уч.в обмене в-в. Состав: углеводы, липиды, экстрактивные в-ва(АТФ, АДФ, АМФ, мочевина.), белки.

Сократительные белки: Миозин-сост из глобулярной части(головка) и фибриллярной, явл главнымкомпонентом А-дисков, обладает ферментативной ативностью. Актин-глобулярный белок.

Минорные белки: Тропомиозин 4-7%миофибрилл-блокирование нитей актина. Тропонин- 2%белков миофибрилл-ингибирование ферментативной акт-ти миозина. Тропонин-Тропомиозиновый комплекс повышает чувствит-ть миозина к ионам Са, т.е.активизирует ферментативную активность миозина.

.МЕХАНИЗМ СОКРАЩЕНИЯ МЫШЦЫ: 1- нервный импельс-АХ-мембрана миоцита-выход Са из полостей ретикулума. 2- образ.тропонин-тропомиозинового комплекса под действием Са. 3- освобождене актина и миозина и повыш АТФ-азной активности миозина. 4- миазин реагирует с АТФ, гидролизует мол-лу АТФ, высвобождая энергию, но оставаясь связанным с Р и АТФ. 5-головка миозина свободно вращается под большими углами пока не достигнет нужного положения для связи с актином под углом 90 градусов с осью орбиты – образ.актино-миозиновый мостик, что обеспечивает высвобожление АТФ и Р. 6-миозин меняет свой угол с осью фибриллы на 45 град.,продвигая актин на 10-15 нм в направлении центра саркомера. 7-следующая мол-ла АТФ связывается с компл.актин-миозин. 8- АТФ инициирует отделение головки миозина от актина-расслабление.

Расслабление: 1-содержание Са в саркоплазме падает в следствии его поглащения саркоплазматич.ретиклума. 2-тропонин утрачивает Са. 3-тропонин реагирует с тропомиозином, ингибирует взаимод.миозиновой головки с F-актином. 4-миозиновые головки в присутствии АТФ отделяются от актина.

Утомление

Преимущества тренированного организма характеризуются тремя основными чертами:

• тренированный организм может выполнять мышечную рабо­ту такой продолжительности или интенсивности, которая не под силу нетренированному;

• тренированный организм отличается более экономным функ­ционированием физиологических систем в покое и при умеренных, непредельных физических нагрузках и способностью достигать та­кого высокого уровня функционирования этих систем, который недостижим для нетренированного организма;

• у тренированного организма повышается резистентность к повреждающим воздействиям и неблагоприятным факторам.

Этап срочной адаптации — это ответ организма на однократ­ное воздействие физической нагрузки. Срочные адаптационные процессы осуществляются непосредственно во время работы мышц. Их первоочередная задача заключается в мобилизации энерге­тических ресурсов, транспорте кислорода и субстратов окисления к работающим мышцам, удалении конечных продуктов реакций энергообмена и создании условий для пластического обеспечения работы мышц.

Этап долговременной адаптации характеризуется структурными и функциональными изменениями в организме, заметно увели­чивающими его возможности. Этап долговременной адаптации раз­вивается на основе многократной реализации срочной адаптации. В процессе долговременной адаптации организма под влиянием физических нагрузок активизируется синтез нуклеиновых кислот и специфических белков. Это создает возможность усиленного об­разования разных клеточных структур и нарастания мощности их функционирования.Под влиянием физической нагрузки происходит увеличение сократительной активности мышц, что приводит к изменению концентрации макроэргических фосфатов в клетке. Эти процессы стимулируют синтез АТФ и восстановление нарушенного баланса макроэргов в мышце, что и составляет начальное звено срочной адаптации. Срочные адаптационные процессы, в свою очередь, приводят к усилению синтеза нуклеиновых кислот и специфичес­ких белков при воздействии на определенные структуры мышц, таких соединений, как креатин, циклический АМФ, стероидные и некоторые пептидные гормоны.

Креатинурия При болезнях мышц, особенно сопровождающихся их атро­фией, увеличивается концентрация креатина в крови и выделение его с мочой. Концентрация креатина в крови определяется балан­сом скоростей его синтеза, выведения с мочой (в норме от О до 150 мг в сутки) и превращения в креатинин, который тоже выво­дится с мочой (1—2 г в сутки) . Креатинин образуется в результате неферментативного дефосфорилирования креатинфосфата. При болезнях мышц выделение креатина увеличивается, а креа-тинина уменьшается. Вероятно, это связано со снижением ско­рости фосфорилирования креатина в мышцах.Суточное выделение креатинина в норме — величина постоян­ная для каждого человека, прямо пропорциональная массе мышц. Концентрация креатинина в крови в норме 1—2 мг/дл. При болезнях почек с нарушением фильтрации выделе­ние креатинина уменьшается, а его концентрация в крови увели­чивается: креатинин в крови и моче определяют с целью диаг­ностики.

Для многих форм патологии мышечной ткани характерны нарушение метаболизма креатина и его усиленное выделение с мочой (креатинурия). ринято считать, что креатинурия у больных миопатией является результатом нарушения в скелетной мускулатуре процессов фиксации (удержания) креатина и его фосфорилирования. Если нарушен процесс синтеза креатинфосфата, то не образуется и креатинина; содержание последнего в моче резко снижается. В результате креатинурии и нарушения синтеза креатинина резко повышается креатиновый показатель (креа-тин/креатинин) мочи.

103. Энергетический обмен в мышцах, пути ресинтеза АТФ. Красные и белые мышеч­ные волокна, гладкие мышцы, миокард. Особенности метаболизма и энергетического обеспечения.

Образование энергии (в виде АТФ), необходимой для выполне­ния мышечной работы, осуществляется в результате биохимических процессов, основанных на использовании трех видов источников:

1) алактатных анаэробных; 2) лактатных анаэробных и 3) аэробных.

Возможность каждого из этих источников определяется скоростью освобождения энергии в метаболических процессах и количест­венным содержанием субстратов.

Алактатные анаэробные источники связаны с использованием АТФ и креатинфосфата, лактатные — с распадом гликогена в мыш­цах и с образованием лактата, аэробные — с окислением субстра­тов (углеводов и жиров) в присутствии кислорода Содержание АТФ и креатинфосфата, используемого в первые секунды работы, быстро снижается, после чего основным источником энергии становятся углеводы, прежде всего гликоген мышц. Гликогенолиз активируется повышением концентрации в мышцах АМФ, катионов кальция, адреналина и ацетилхолина.

Активация гликогенолиза идет на уровне повышения активности гликогенфосфорилазы. Однако при длительных упражнениях запас гликогена мышц может оказаться недостаточным; в такой ситуации начинают использоваться внемышечные источники энергии, в пер­вую очередь, гликоген печени. Гликогенолиз в печени стимулиру­ется гормонами — адреналином и клюкагоном; глюкоза, получен­ная при расщеплении гликогена в печени, кровотоком доставляется в работающую мышцу. Первый фермент гликолиза — гексокиназа — локализован на внешней мембране митохондрий; остальные гликолитические ферменты фиксированы на актиновых нитях миофибрилл, где и происходит анаэробный процесс распада глю-козо-6-фосфата до молочной кислоты. Изменение количествен­ного содержания гликогена и молочной кислоты иллюстрируют рисунки. При повышении концентрации молочной кисло­ты происходит включение аэробных процессов энергообеспечения мышечной деятельности.

Способность к длительному выполнению работы за счет тех или иных источников энергообразования определяется не только количественным содержанием конкретных субстратов, но и эф­фективностью их использования.

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЫ Скелетная мышца, работающая с максимальной активностью, потребляет в сотни раз больше энергии, чем покоящаяся, причем переход от состояния покоя к состоянию максимальной работы происходит за доли секунды. В связи с этим для мышцы в отли­чие от других органов оказались необходимыми механизмы изменения скорости синтеза АТФ в очень широких пределах, а также быстрого переключения с одного режима на другой.Механизмы увеличения продукции АТФ. К ним относится увеличение снабжения мышц окисляемыми субстратами: мобилизация гликогена печени и мышц, глюконеогенез из молочной кислоты (цикл Кори и глю-козо-аланиновый цикл), мобилизация депонированных жиров и поступление жирных кислот и кетоновых тел в мышцы. Увеличи­ваются также легочная вентиляция и скорость кровотока, а сле­довательно, и снабжение мышц кислородом. Эти процессы вместе с механизмами аллостерической регуляции, повышающими ак­тивность ключевых ферментов катаболизма, многократно увели­чивают скорость синтеза АТФ.В работающей мышце увеличивается скорость кругооборота цикла АТФ — АДФ. Однако концентрация АТФ изменяется не­значительно: она лишь на 10—20% меньше, чем в покоящейся мышце.Усиление гликолиза связано с действием аденилаткиназы, которая катализирует следующую реакцию: ' 2АДФ-^АТФ-+-АМФ. Концентрация АДФ в работающей мышце несколько увеличена (соответственно снижению концентрации АТФ); поэтому в ре-зультате действия аденилаткиназы повышается и концентрация АМФ, который является аллостерическим активатором фосфо-фруктокиназы — ключевого фермента гликолиза. Механизмы быстрого переключения энергетического обмена мышц. В мышцах имеется высокоэнергетическое вещество креатинфосфат, которое образуется из креатина и АТФ при действии креатинкиназы: При переходе от покоя к работе мышцы сначала используют АТФ, образующийся из креатинфосфата, — это наиболее быстрый путь генерации АТФ. Тем временем включаются другие механизмы: каскадный механизм мобилизации гликогена в мышечных клет­ках, а затем и механизмы усиленного транспорта в мышцы субстратов окисления из печени и жировой ткани. Напомним, что при мышечной работе в первую очередь используются запасы углеводов, а при длительной работе постепенно увеличивается использование жиров. Изменяется также относительная интенсивность анаэробного и аэробного путей образования АТФ: крат­ковременная интенсивная работа мо­жет совершаться почти целиком за счет гликолиза. При про­должении работы вклад аэробного процесса увеличивается, а анаэробного уменьшается.

Красные и белые мышцы. Скелетные мышцы неоднородны: в них различают несколько разновидностей, основные из кото­рых красные мышцы (медленные, аэробные) и белые мышцы (быстрые, анаэробные). Красные мышцы содержат много митохондрий и обладают высокой способностью к аэробному окисле­нию глюкозы, жирных кислот, кетоновых тел. Они хорошо снаб­жаются кровью и содержат много миоглобина, который и при­дает им красный цвет. В белых мышцах мало митохондрий, но зато много гликолитических ферментов, и в них с большой скоростью происходит анаэробный распад гликогена. Соответствен­но различаются и функциональные возможности этих мышц. Красные мышцы более приспособлены к продолжительной работе, в то время как белые мышцы быстрее переходят от со­стояния покоя к максимальной активности, сокращаются энер­гично, но в них скоро наступает утомление: запасы гликогена в мышечных клетках быстро истощаются, а поступление глю­козы из крови и ее использование в клетках белых мышц про­исходят медленно.

ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА СЕРДЕЧНОЙ МЫШЦЫ Сердечная мышца за сутки сокращается больше 100 000 раз, перекачивая около 7200 л крови. Миокард по структуре и свой­ствам сходен с красными скелетными мышцами. Особенностью энергетического обмена сердечной мышцы является его почти полностью аэробный характер. При этом основными субстратами, поставляющими энергию, служат жирные кислоты: около 70% потребляемого сердечной мышцей кислорода расходуется на окисление жирных кислот. Кроме того, используются глюкоза, молочная и пировиноградная кислоты. После приема пищи ис­пользование глюкозы увеличивается, а жирных кислот уменьша­ется: при физической работе возрастает доля молочной кислоты в обеспечении сердца энергией.

Для постоянного подержания запасов АТФ требуется их

Ресинтез АТФ при мышечной деятельности может осуществ­ляться как в ходе реакций, идущих в анаэробных условиях, так и за счет окислительных превращений в клетках, связанных с потреблением кислорода. В скелетных мышцах выявлены три ви­да анаэробных процессов, в ходе которых возможен ресинтез АТФ, и один аэробный.

--Креатинкиназная реакция.- взаимодействие креатинфосфата с АДФ, катализируемое креатинкиназой, в результате которого образуется АТФ. Скорость расщепления Кф в ра­ботающей мышце прямо пропорциональна интенсивности выпол­няемой работы и величине мышечного напряжения.

Креатинкиназная реакция играет основную роль в энер­гообеспечении кратковременных упражнений максимальной мощности — бег на короткие дистанции, прыжки, метание, тя­желоатлетические упражнения.

--Гликолиз. Следующий путь ресинтеза АТФ — гликолиз. Ферменты,

катализирующие реакции гликолиза, локализованы на мембранах саркоплазматического ретикулума и в саркоплазме мышечных клеток. Гликогенфосфорилаза и гексокиназа — .Ферментопатология, ферментотерапия, ферментодиагностика. Медицинская энзимология развивается по трем главным направлениям, хотя возможности применения достижений энзимологии в медицине теоретически безграничны, особенно в области энзимопатологии имеющей целью исследование ферментативной активности в норме и при патологии. Многие наследственные пороки обмена, оказалось, являются результатом дефекта определенного фермента. Так, галактоземия — наследственное заболевание, при *наблюдается ненормально высокая концентрация галактозы в крови, развивается в результате наследственного дефекта синтеза фермента-гексозо-1-фосфат-уридилтранс- феразы, катализирующего превращение галактозы в легко метаболизируемую глюкозу. Причиной др. наследственного заболевания — фенилкетонурии, сопровождающейся расстройством психической деятельности, является потеря клетками печени способности синтезировать фермент, катализирующий превращение фенилаланина в тирозин. Второе направление медицинской энзимологии, получившее название энзимодиагностики, развивается как по пути использования ферментов в качестве избирательных реагентов для открытия и количественного определения нормальных или аномальных химических веществ в сыворотке крови, моче, желудочном соке и др. (например, открытие при помощи ферментов глюкозы, белка или других веществ в моче, в норме в ней не обнаруживаемых), открытия и количественное определение самих фермен- тов в биолог.жидкостях при патологии. Для диагностики органических и функциональных поражений органов и тканей широко применяются отдельные ферментные тесты, основанных на количественном определении активности ферментов (и изоферментов) главным образом в крови (реже в моче), а также в биоптатах. Следует, однако, отметить, что из огромного числа ферментов, открытых в природе в диагностической энзимологии используется лишь ограниченный набор ферментов и для весьма небольшого числа болезней. Так, уровень липазы, амилазы, трипсина и химотрипсина резко увеличен при диабете, злокачественных поражениях поджелудочной железы, болезнях печени. Резко повышается в сыворотке крови уровень аминотрансфераз, реатинкиназы и лактатдегидрогеназы при инфаркте миокарда; умеренно повышено их содержание при поражениях тканей мозга. Опр. активность кислой фосфатазы (уровень повышен при карциноме предстательной железы), щелочной фосфатазы, холинэстеразы. Энзимотерапия - использование ферментов и регуляторов их действия в качестве лекарственных средств. Применяют пепсин, трипсин, химотрипсин при заболевонии ЖКТ. РНКазы, ДНКазы, коллагеназы, эластазы используются для обработке ран, ожогов. Калликреины - ферменты кининовой системы - используются для снижения давления.

гликогенолиза и первой реакции гликолиза — активируются при повы­шении в саркоплазме содержания АДФ и фосфорной кислоты.

Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Накапливаясь в мышцах, она вызывает изменение концентрации ионов водорода во внутриклеточной среде, т. е. происходит сдвиг рН среды в кислую областьчто Гликолиз играет важную роль в энергообеспечении упражнений, продолжительность которых составляет от 30 до 150 с. К ним от­носятся бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м.

--Ресинтез АТФ в аэробных условиях. Аэробным процессом ре­синтеза АТФ служит окисление глюкозы до оксида углерода (IV) и воды.

Эффективность образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависит от снабжения мышцы кислородом. В работающей мышце запасы кислорода невелики: небольшое количество кислорода растворено в саркоплазме, часть кислорода находится в связанном с миоглобином мышц состоянии. Основное количество кислорода, нужного мышце для аэробного ресинтеза АТФ, доставляется через систему легочного дыхания и кровооб­ращения. Для образования 1 моль АТФ в процессе окислительного фосфорилирования требуется 3,45 л кислорода;

--Миокиназная реакция -взаимодействие 2 молекул АДФ, ката­лизируемое миокиназой, результатом которого является образо­вание АТФ Условия для включения миокиназной реакции возникают при выраженном мышечном утоплении. Поэтому миокиназную реак­цию следует рассматривать как «аварийный» механизм. Миоки­назная реакция мало эффективна

Белые(быстрые)волокна-крупные, светлые(мало митохондрий),быстровозбудимые, выше акт-ть АТФ-азы и ферментов гликолиза, преобладет анаэробный тип окисления.

Красные(медленные)-менее крупные, темные, медленно сокращ., менее возбудимы, долго не утомляются, энергетич.субстрат в основном ЖК, преоблад.аэробное окисение.