3.1.2. Энергоисточники скелетных мышечных волокон
Гистологи выделяют красные и белые, медленные и быстрые мышцы, определяющими параметрами служат типы мышечных волокон, скорость их сокращения, тип окислительного обмена.
Быстро сокращающиеся мышечные волокна, производящие короткие, энергичные, сильные действия, имеют миозин, обладающий высокой АТФ–азной активностью, для медленных волокон характерна низкая эффективность фермента, что проявляется более длительными по времени сокращениями.
Энергия для этих процессов подается за счет окислительного или гликолитического путей продукции АТФ. В ходе аэробного окисления основной энергоисточник – глюкозо-6-фосфат, распадаясь до воды и углекислого газа, дает 38 молекул АТФ (красные волокна). Анаэробный гликолиз заканчивается образованием лактата и двух молекул макроэрга (белые волокна).
В момент мышечного сокращения используется и другой вариант получения АТФ: его ресинтез из креатинфосфата с помощью КФК:
Креатин-Ф + АДФ
креатинфосфокиназа
(КФК)
Креатин + АТФ
В момент мышечного расслабления происходит обратный процесс – регенерация креатинфосфата, способного долго копить энергию.
Логично, что красные волокна для своего функционирования должны хорошо снабжаться кровью (необходимость достаточной доставки кислорода в короткий промежуток времени), содержать много миоглобина (депо внутриклеточного О2), многочисленные митохондрии с высоким уровнем ферментов ЦТК, ЭТЦ, окислительного декарбоксилирования ПВК.
В отличие от них белые мышечные волокна имеют больший диаметр, в их цитозоле присутствует значительное количество гранул гликогена, митохондрии малочисленны. Для них характерна высокая активность энзимов гликолиза и низкая – окислительных ферментов. Лактат – продукт анаэробного распада глюкозо-6-фосфата, выводится в межклеточное пространство и током крови доставляется в печень, где вступает в ГНГ.
У человека отсутствуют мышцы, состоящие только из одного типа волокон; каждая включает оба варианта с разной степенью преобладания одного из них. Данное явление генетически детерминировано, что позволяет при необходимости после типирования мышечных волокон отбирать спортсменов: у стайеров должны преобладать медленные, у спринтеров, штангистов – быстрые.
3.2. Метаболизм миокарда и гладких мышц в норме и при патологии
В отличие от других типов мышечных клеток, которые в определенный период времени могут себе позволить расслабиться и не работать, кардиомиоциты должны трудиться без отдыха; следовательно, необходимы специфическое строение и особый метаболизм.
Миокард по уровню ряда химических соединений занимает промежуточное положение между скелетными и гладкими мышцами. В нем и, особенно, в гладкой мускулатуре значительно меньше миофибриллярных белков, а концентрация протеинов стромы выше, чем в скелетных волокнах. Миозин, тропомиозин и тропонин разных вариантов мышечной ткани заметно различаются по структуре и своим физико-химическим свойствам. Мало того, саркоплазма гладких мышц и миокарда в процентном отношении содержит больше миоальбумина. Исходя из функций, естественным выглядит наиболее высокий процент АТФ, обнаруживаемый в кардимиоцитах. Однако богатством гликогена они не отличаются, так как энергию получают в основном из ВЖК, поэтому вклад последних в их состав довольно велик. Как в сердечной, так и в гладкой мускулатуре обнаруживаются следы ансерина и карнозина.
Сердце - это насос, нагнетающий кровь в сосудистую систему за счет периодического сокращения миоцитов, входящих в состав миокарда предсердий и желудочков, благодаря чему повышается давление крови, и она изгоняется из камер. Вследствие наличия общих слоев мышцы в вышеуказанных отделах и одновременного прихода возбуждения к их клеткам по проводящим волокнам Пуркинье сокращение обоих предсердий, а затем и обоих желудочков происходит одновременно.
В отличие от скелетных мышц кардиомиоциты (КМЦ) используют в качестве основного энергетического субстрата (более 60%) свободные жирные кислоты (СЖК) и только при необходимости для получения дополнительной энергии способны расщеплять лактат, кетоновые тела, аминокислоты. В цитозоль КМЦ СЖК поступают из межклеточного пространства по градиенту концентрации, под влиянием ацилтиокиназы преобразуются в ацил-КоА, который поступает в матрикс митохондрий с помощью карнитинового челнока, и подвергается в дальнейшем β–окислению до ацетил–КоА, сгорающего в ЦТК. Что касается глюкозы, ее поступление в КМЦ зависит от специфических белков GLUT–4, GLUT–1, работа которых (перенос моносахарида из внеклеточного пространства через цитолемму) определяется инсулином. Под действием последнего GLUT–4 перемещается из цитозоля в мембрану клетки, что позволяет глюкозе транспортироваться в КМЦ, а GLUT–1 связывает плазменный углевод на внешней стороне цитолеммы.
Метаболизм глюкозы происходит поэтапно: первый – гликолитический заканчивается ПВК, которая, поступая в митохондрии (второй этап), подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил–КоА – субстрата ЦТК, восстановительные эквиваленты последнего (НАДН, ФАДН2) запускают биологическое окисление с окислительным фосфорилированием (итог – синтез 38 молекул АТФ – химическая энергия которых преобразуется в механическую для мышечного сокращения).
Таким образом, здоровое сердце на 60% обеспечивается макроэргами за счет распада ВЖК, на 30% – глюкозы и лактата и лишь на 10% – кетоновых тел, аминокислот. Гипергликемия стимулирует секрецию инсулина, который подавляя поступление СЖК в кровь, уменьшает их использование миокардом и в то же время увеличивает внедрение и распад глюкозы в кардиомиоцитах.
Дефицит кислорода (при ишемии миокарда) вызывает активацию анаэробного гликолиза, провоцирует накопление в цитозоле лактата, закисляет внутриклеточную среду, повреждает ионный баланс, приводя к нарушению сократительной функции.
Нарушения в функционировании мышечной ткани могут носить наследственный и приобретенный характер. Наиболее распространена среди последних ишемия миокарда (см. выше). Если это явление продолжается длительное время, блокируется кислородоемкий процесс β–окисления ВЖК, а затем и анаэробный гликолиз – все это приводит к исчерпыванию ресурсов энергообеспечения. Часто причиной метаболических миопатий могут быть злоупотребление алкоголем, эндокринные болезни.
Миодистрофии – это группа наследственных заболеваний, характеризующихся клинически прогрессирующей мышечной слабостью, обусловленной дегенерацией мышц. Наиболее распространенный тип этой патологии – миодистрофия Дюшенна (Х–сцепленный тип наследования). Обычно недуг проявляется в первой декаде жизни, и большинство пациентов умирает в течение 10 лет с момента его дебюта. Причина лежит в мутации гена дистрофина – внутриклеточного мышечного белка, который в этих случаях не регистрируется. Еще одно заболевание, основой которого служит генетический дефект данного протеина – миодистрофия Беккера – протекает более легко, развивается у детей старшего возраста и даже в 20-30 лет больные сохраняют трудоспособность.
В последние годы стали регистрировать так называемые врожденные структурные миопатии (около 40 форм), этиологические факторы которых – повреждения в синтезе других миобелков (β-тропомиозина, α–актина, десмина, кристаллина, миозина и др.). Их основной клинический признак – мышечная слабость с раннего детства. Терапия носит лишь симптоматический или паллиативный характер.
Контрольные вопросы и задания:
Опишите состав поперечно-полосатой мускулатуры.
В чем состоит функция миоглобина в мышцах? Опишите полиморфизм данного белка.
Опишите особенности химического состава сердечной мышцы и гладкой мускулатуры.
Какой белок придает тропониновому комплексу чувствительность к катионам кальция? Каков механизм активации тропонинового комплекса при мышечном сокращении?
При длительной физической работе в крови повышается концентрация лактата. Объясните, как это вещество может использоваться в данной ситуации в миокарде, напишите схему соответствующего метаболического пути.
Каковы особенности энергетического обмена в кардиомиоцитах?
Какие изменения происходят в мышцах при патологии?
Чем объяснить, что при необычных физических нагрузках в мышцах накапливается молочная кислота?
В чем разница в метаболизме мышечной ткани у спринтеров и стайеров?
Чем опасно употребление в пищу бройлеров?