Биохимия мышц и мышечных сокращений. Энергетика мышечной работы

Российский государственный университет физической культуры,

спорта, молодежи и туризма (ГЦОЛИФК)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по предмету «Биохимия человека»

на тему: Биохимия мышц и мышечных сокращений. Энергетика мышечной работы.

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:                             студентка   2 курса

  Института спорта  и физического воспитания,

3   группы

Холстинина Галина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва 2013

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………………..3 Типы мышц и мышечных волокон………………………………………………3

Химический состав и строение мышечной ткани………………………………6

Молекулярные механизмы мышечного сокращения и расслабления…………7

Роль АТФ при мышечной работе………………………..……………………….9

Биохимические изменения мышц при физической нагрузке……..…………..10

Литература……………………………………………………………………….11

Введение

 

В организве человека различают три вида мышечной ткани: скелетные мышцы, гладкую мускулатуру и сердечную мышцу. Каждая из этих трех видов мышечной ткани характеризуется определенными особенностями строения и метаболизма, хотя скелетные и сердечная мышцы очень близки по своим параметрам. Для специалистов в области физической культуры и спорта наибольший интерес представляет информация, относящаяся к особенностям состава, строения и функционирования скелетных мышц.

На долю мышечной ткани у взрослого человека приходится около 40% от массы тела. У детей доля мышечной массы меньше. Так, у новорожденных она составляет 20-22% . В период роста имеет место выраженное увеличение процента мышечной массы с возрастом. После достижения периода зрелости доля мышечной массы на некоторое время стабилизируется, а затем начинает уменьшаться, достигая у пожилых людей 30 и менее процентов от массы тела.

У лиц, активно занимающихся физическими упражнениями и спортом, на долю скелетных мышц приходится до 50-55% от массы тела. Если тренировка направлена на увеличение мышечной массы, то ее доля может достигать 60-70% от общей массы тела.

Функция скелетных мышц связана с выполнением механической работы: перемещением частей тела и всего организма в пространстве, выполнением разнообразных видов механической работы, обеспечение акта внешнего дыхания и т.п. Как двигатель скелетные мышцы характеризуются очень высокой эффективностью. При выполнении мышечной работы полезно затрачивается значительно большая доля освобождающейся энергии, чем в двигателях, созданных руками человека. Да и ту часть энергии, которая освобождается в виде тепла, далеко не всегда следует относить к потерям. Это связано с тем, что скелетные мышцы благодаря постоянно идущим в них обменным процессам являются, наряду с пищеварительной системой, главнейшим генератором тепла в организме человека. И только при выполнении достаточно интенсивной работы освобождается черезчур много этой формы энергии и возникает необходимость включать механизмы терморегуляции.

 

 

Типы мышц и мышечных волокон

 

В организме человека существует три типа мышц: скелетные, сердечные (миокард) и гладкие. Различаются они морфологическими, биохимическими и функциональными особенностями, а также путями развития. При микроскопическом исследовании в скелетных и сердечной мышцах обнаруживается исчерченность, поэтому их называют поперечно-полосатыми мышцами. В гладких мышцах такая исчерченность отсутствует.

Функционально сердечная мышца отличается от скелетных мышц и занимает промежуточное положение между гладкими и скелетными мышцами. Сердечная мышца сокращается ритмично с последовательно изменяющимися циклами сокращения (систола) и расслабления (диастола) независимо от воли человека, т. е. непроизвольно. Ее сокращение   регулируется гормонами, например катехоламинами.

Сокращение гладких мышц инициируется нервными импульсами, некоторыми гормонами и не зависит от воли человека, так как их тонус не контролируется нашим сознанием. Гладкие мышцы включают мышцы внутренних органов, системы пищеварения, стенок кровеносных сосудов, а также кожи и матки, обеспечивая их сокращение и расслабление.

Скелетные мышцы прикреплены в основном к костям, что и обусловило их название. Сокращение скелетных мышц инициируется нервными импульсами и подчиняется сознательному контролю, т. е. осуществляется произвольно.

Для понимания биохимии мышечной деятельности наибольший интерес представляет функционирование скелетных мышц. Отдельная мышца руки или иной части тела окружена оболочкой соединительной ткани и имеет сложное морфологическое строение. Каждая мышца состоит из пучка мышечных волокон, которые содержат многочисленные  сократительные нити — миофибриллы.

Мышечное волокно

Мышечное волокно является структурной единицей скелетных мышц,

представляя собой большую многоядерную клетку, а точнее —  бесклеточное образование — симпласт, так как в процессе развития мышечная клетка образуется путем слияния множества эмбриональных отдельных клеток — миобластов. Клетка окружена плазматической мембраной — сарколеммой, которая покрыта сетью коллагеновых волокон, придающих ей прочность и эластичность. Длина отдельных мышечных клеток может достигать 10 см (портняжная мышца) и даже 50 см, толщина — до 0,1 мм. К мышечному волокну подходят окончания двигательных нервов, а также множество кровеносных сосудов.

Двигательный нерв, или мотонейрон имеет разветвленные аксоны и

может иннервировать несколько мышечных волокон, которые вместе представляют функциональную единицу мышцы, называемую нейромоторной, или двигательной единицей. Такая единица работает как единое целое, т. е. сокращаются все входящие в нее мышечные волокна. Отдельная мышца состоит из многих двигательных единиц, которые могут не одновременно подключаться к мышечному сокращению. Сила и скорость сокращения мышцы зависит от количества участвующих в сокращении двигательных единиц, а также от частоты нервных импульсов.

Мышечные клетки не способны к делению, поэтому разрушенные мы-

шечные волокна не могут восстановиться простым удвоением. В случае повреждения, что наблюдается при напряженной мышечной деятельности, самовозобновление мышечного волокна происходит из маленькой клетки — сателлита, которая находится в неактивном состоянии в тесном контакте со зрелыми мышечными волокнами. При нарушении структуры мышечного волокна она активируется и начинает пролиферировать, что приводит к образованию нового мышечного волокна.

В мышце количество мышечных волокон может достигать нескольких

тысяч. У разных людей в одних и тех же мышцах может быть различное количество волокон, что влияет на их силовые способности, процессы адаптации к мышечной работе. Чем больше в мышцах волокон, тем большая возможность проявления максимальной силы мышц.

Типы мышечных волокон и их вовлечение

в мышечную деятельность

В скелетных мышцах различают несколько типов мышечных волокон, отличающихся сократительными и метаболическими свойствами. К основным типам волокон относятся медленносокращающиеся (МС), или красные и быстросокращающиеся (БС), или белые.

Медленносокращающиеся и быстросокращающиеся волокна имеют разную скорость возбуждения, сокращения и утомления. Так, скорость  сокращения МС-волокон составляет более 110 мс, а БС-волокон — 50 мс.

Отдельные типы волокон отличаются также механизмами энергообразования. Как следует из табл. 20, медленносокращающиеся  волокна, которые имеют малую скорость сокращения, располагают большим количеством митохондрий, ферментов биологического окисления углеводов и жиров, белка миоглобина, который запасает кислород, а также большой сетью капилляров, обеспечивающих достаточное поступление кислорода мышцы, и большими запасами гликогена. Все это свидетельствует о что в МС-волокнах преобладают аэробные механизмы энергообразования, которые обеспечивают выполнение длительной работы на выносливость. Мотонейрон, иннервирующий МС-волокна, имеет небольшое клетки и управляет относительно небольшим количеством мышечных волокон (10—180).

Быстросокращающиеся мышечные волокна характеризуются большим количеством миофибрилл, высокой АТФ-азной активностью миозина и ферментов гликолиза, наличием значительных запасов гликогена. Они имеют слаборазвитую капиллярную сеть и небольшое количество кислородсвязывающего белка — миоглобина. В СБЯЗИ с этим ресинтез АТФ в типах волокон осуществляется за счет анаэробных механизмов энергообразования — креатинфосфатной реакции и гликолиза. Наличие указанных выше биохимических особенностей обеспечивает высокую скорость сокращения и быстрое утомление этого типа мышечных волокон. волокна приспособлены к скоростной интенсивной работе относительно небольшой продолжительности. Их мотонейроны имеют большое тело клеток и сильно разветвленные аксоны, поэтому иннервируют от 300 до 800 мышечных волокон. Среди БС-волокон различают два подтипа: БСа, или тип Иа и БСб, тип Иб. Они отличаются в основном механизмами энергообразования. волокна имеют высокую анаэробную гликолитическую и аэробную способность ресинтеза АТФ. Их еще называют "быстрые окислительно- гликолитические волокна". Используются они ripVi интенсивной работе на выносливость, например при беге на 1000 м или плавании на 400 м. БСц-волокна имеют только высокие анаэробные способности ресинтеза АТФ, поэтому подключаются главным образом к кратковременной мышечной деятельности взрывного характера, например при беге на 100 м или плавании на 50 м. Последовательность включения (рекруитирование) мышечных волокон в работу регулируется нервной системой и зависит от интенсивности нагрузок. При физической работе небольшой интенсивности — около 20—25 % уровня максимальной силы мышечных сокращений — в работу вовлекаются в основном МС-волокна. При более интенсивной работе — 25—40 % уровня максимальной силы сокращений — включаются БС-волокна типа "а". Если интенсивность работы превышает 40 % максимальной, вовлекаются БС-волокна типа "б". Однако даже при максимальной интенсивности в работу вовлекаются не все имеющиеся волокна: у нетренированных людей — не более 55—65 %

имеющихся мышечных волокон, у высокотренированных спортсменов силовых видов спорта в работу могут вовлекаться 80—90 % двигательных единиц

Подключение мышечных волокон к работе зависит от силы стимуляции

мотонейроном. Минимальная величина стимуляции, при которой волокно сокращается максимально, называется порогом возбуждения (раздражения). Минимальный порог возбуждения имеют МС-волокна (10—15 Гц); у БС-волокон порог возбуждения в 2 раза выше, чем у МС-волокон. Все типы мышц вовлекаются в работу при высокой частоте раздражения — около 45—55 Гц. Это важно учитывать при построении методики силовой подготовки спортсменов.

Количество МС- и БС-волокон в мышцах человека в среднем составляет 55 и 45 % соответственно (см. табл. 14). Среди БС-волокон большее количество составляют БСа (-30—35 %), меньшее — БСб (-10—15 %).

У сильнейших бегунов на длинные дистанции в икроножных мышцах ног содержится более 80 % МС-волокон, а у спринтеров — всего 23 %. Существует тесная корреляция между содержанием БС-волокон и скоростными способностями мышц. Количество отдельных типов мышечных волокон генетически закреплено, поэтому плохо поддается изменению при тренировке. Однако при специфической тренировке их объем значительно увеличивается. Экспериментальные данные последних лет свидетельствуют о возможности изменения количества типов волокон при длительных

тренировках: превращение волокон БСа в БСб или в МС.

 

 

 

 

Химический состав и строение мышечной ткани

 

Мышечная ткань характеризуется достаточно высоким содержанием воды – около 75%, что выше, чем в среднем в организме. Большая часть воды находится  связанном с белками, углеводами, минеральными ионами и другими соединениями. Свободная вода содержится в жидкой фракции мышечной ткани – саркоплазме.

Главный компонент сухого остатка мышечной ткани – белки. В белковом компоненте можно выделить три фракции. Это сократительные, или миофибрилярные белки, на долю которых приходится примерно 45% всех белков; саркоплазматические белки и белки стромы, входящие в состав оболочки мышечного волокна, внутриклеточных перегородок, канальцев и т.п.

Главная функция сократительных белков – обеспечение мышечного сокращения. Кроме того, наряду с белками стромы они участвуют в образовании структуры мышечного волокна. Значительная часть саркоплазматических белков – ферменты.

Мышечная ткань имеет запас источников энергии. К ним относятся АТФ, креатинфосфат, гликоген, жиры. Эти запасы могут существенно увеличиваться под влиянием систематической тренировки.

В состав мышечной ткани входит ряд жироподобных соединений: фосфолипиды, гдиколипиды, холестерол и его эфиры с жирными кислотами. Они входят в состав клеточных мембран, обеспечивают фиксацию некоторых ферментов, являются поставщиками холина, входящего в состав ацетилхолина – медиатора нервного возбуждения, жирных кислот – участников энергетического обмена.

Мышца состоит из мышечных волокон, завершающихся сухожильными тяжами, с помощью которых мышца крепится к костной ткани. Размеры мышечных волокон могут варьировать в широком диапазоне. Длина может колебаться от нескольких миллиметров до десяти сантиметров. Толщина мышечного волокна может достигать 0,1-0,2мм. Количество волокон в мышце может достигать нескольких тысяч. Их число не может меняться на протяжении жизни , т.к. они не обладают способностью к делению. В то же время при повреждении мышечных волокон, например при физической нагрузке,  может происходить их регенерация из небольших клеток – сателлитов. При повреждении мышечного волокна сателлит активируется и начинает развиваться, что завершается формированием нового мышечного волокна.

Внутреннее пространство мышечного волокна заполнено внутриклеточной жидкостью — саркоплазмой. Около 80 % объема волокна занимают длинные сократительные нити — миофибриллы.

Миофибриллы — это сократительные элементы мышечного волокна количество которых может достигать нескольких тысяч. Под микроскопов миофибриллы имеют поперечную исчерченность в виде повторяющихся темных и светлых участков или дисков (рис. 115). Темные участки, или Л-диски в центре имеют более светлую Н-зону, посредине которой проходит темная /И-линия. Светлые участки, или /-диски в центре пересекаются узкой Z-линией (Z-мембраной).

Участок миофибриллы между двумя Z-мембранами называется саркомером. Это наименьшая сократительная единица мышцы. Саркомеры следуют друг за другом вдоль миофибриллы, повторяясь через каждые 1500—2300 нм. В миофибрилле может находиться несколько сотен саркомеров. От их длины и количества в миофибрилле зависят скорость и сила сокращения мышцы. Исчерченность мышц, видимая под световым   микроскопом, — результчат высокой их организации, когда большинство мышечных клеток выстраивается таким образом, что их саркомеры располагаются параллельно друг другу. Исследования поперечных срезов миофибрилл под электронным микроскопом показали, что каждая миофибрилла состоит из многочисленных параллельных толстых и тонких мышечных нитей, или филаментов, которые придают мышцам продольную исчерченность.

Толстые нити находятся в Л-дисках и состоят из белка миозина. Тонкие нити находятся в /-дисках и содержат белки актин, тропомиозин и тропонин. Располагаются тонкие нити вокруг толстого (миозинового) филамента по углам шестигранника таким образом, что каждая тонкая нить занимает симметричное положение между тремя толстыми нитями, а каждая толстая нить симметрично окружена шестью тонкими нитями. Толстые и тонкие нити миофибрилл взаимодействуют между собой посредством оперечных мостиков, расположенных вдоль толстой миозиновой нити.