БИОХИМИЯ СПОРТА Введение

БИОХИМИЯ СПОРТА

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия спорта как учебная дисциплина играет важную роль в подготовке специалистов в области физической культуры. Это положение можно обосновать следующим:

  • • Тренер и преподаватель физического воспитания должны знать особенности обмена веществ во время физической работы и отдыха, использовать эти закономерности для рационального построения тренировочного процесса, для установления оптимальных сроков восстановительных процессов.
  • • Используя простейшие биохимические исследования, тренер и преподаватель физвоспитания должны уметь оценить соответствие физических нагрузок функциональному состоянию организма спортсмена, выявлять признаки утомления и пере-тренированности.
  • • Знание закономерностей биохимических процессов, протекающих при мышечной работе и при восстановлении, является основой для разработки новых методов и средств повышения спортивной работоспособности, развития скоростно-силовых качеств спортсмена, повышения выносливости, ускорению восстановительных и адаптационных процессов.
  • • Дисциплина «Биохимия спорта» является базовой, создающей необходимые предпосылки для последующего освоения теории и методики физической культуры, а также для теории и методики избранного вида спорта.

Глава 1

Строение и химический состав мышц. Механизм мышечного сокращения и расслабления

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЫШЦ

Масса мышц у взрослого человека составляет около 40% от массы тела. У спортсменов, наращивающих мускулатуру, мышечная масса может достичь 60% и более от массы тела.

В отличие от других клеток организма мышечные волокна (миоциты) представляют собой сильно вытянутые многоядерные клетки гигантских размеров длиной от 0,1 до 2-3 см, а в некоторых мышцах даже более 10 см. Толщина мышечных клеток около 0,1-0,2 мм.

В отличие от других клеток организма в цитоплазме миоцитов содержится белок миоглобин, обеспечивающего перенос кислорода внутри этих клеток, что обусловлено гигантскими размерами миоцитов.

Мышцы взрослого человека в состоянии покоя потребляют около 10% поступающего в организм кислорода. При интенсивной работе потребление кислорода мышцами может возрасти до 90% от всего потребляемого кислорода.

У животных и человека имеются два основных типа мышц: поперечно-полосатые и гладкие. Поперечно-полосатые мышцы прикрепляются к костям, т.е. к скелету и поэтому еще называются скелетными. Поперечнополосатые мышечные волокна составляют также основу сердечной мышцы - миокарда, хотя имеются определенные различия в строении миокарда и скелетных мышц.

Гладкие мышцы образуют мускулатуру стенок кровеносных сосудов, кишечника, пронизывают ткани внутренних органов и кожу.

Каждая поперечно-полосатая мышца состоит из нескольких тысяч волокон, объединенных соединительно-тканными прослойками и такой же оболочкой - фасцией.

Как и любая клетка, миоцит содержит такие обязательные органоиды, как ядра, митохондрии, рибосомы, цитоплазматическую сеть и клеточную оболочку. Ядра состоят в основном из нуклеопротеидов. В ядре содержится генетическая информация для синтеза белков.

Рибосомы - внутриклеточные образования, являющиеся по химическому составу нуклеопротеидами. На рибосомах происходит синтез белков.

Митохондрии - микроскопические пузырьки размером до 2-3 мкм, окруженные двойной мембраной. В митохондриях протекает окисление углеводов, жиров и аминокислот до углекислого газа и воды с использованием молекулярного кислорода (кислорода воздуха). За счет энергии, выделяющейся при окислении, в митохондриях осуществляется синтез АТФ.

В тренированных мышцах митохондрии многочисленны и располагаются вдоль миофибрилл.

Каждое мышечное волокно окружено клеточной оболочкой -сарколеммой. Сарколемма представляет собою липопротеидную мембрану толщиной около 10 нм. Снаружи сарколемма окружена сетью из переплетенных нитей белка коллагена. К сарколемме подходят окончания двигательных нервов. Место контакта нервного окончания с сарколеммой называется нервно -мышечный синапс, или концевая нервная пластинка.

Цитоплазматическая сеть (саркоплазматическая сеть, саркоплазматический ретикулум) состоит из трубочек, канальцев и пузырьков, образованных мембранами и соединенных друг с другом. Саркоплазматическая сеть с помощью особых трубочек, называемых Т-системой, связана с оболочкой мышечной клетки - сарколеммой. Особо следует выделить в саркоплазматической сети пузырьки, называемые цистернами и содержащие в большой концентрации ионы кальция. В цистернах содержание ионов Са2+ примерно в тысячу раз выше, чем в цитозоле. Такой высокий градиент концентрации ионов кальция возникает вследствие функционирования фермента - кальциевой аденозинтрифосфатазы (кальциевая АТФаза), встроенного в стенку цистерны. Этот фермент катализирует гидролиз АТФ и за счет выделяющейся при этом энергии обеспечивает перенос ионов кальция вовнутрь цистерн. Такой механизм транспорта ионов кальция образно называется кальциевым насосом, или кальциевой помпой.

1.2, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ САРКОПЛАЗМЫ

Цитоплазма (цитозоль, саркоплазма) занимает внутреннее пространство миоцитов и представляет собой коллоидный раствор, содержащий белки, гликоген, жировые капли и другие включения.

На долю белков саркоплазмы приходится 25-30% от всех белков мышц. Среди саркоплазматических белков имеются активные ферменты.

К ним, в первую очередь, следует отнести ферменты гликолиза, расщепляющие гликоген или глюкозу до пировиноградной или молочной кислоты.

Еще один важный фермент саркоплазмы - креатинкиназа, участвующий в энергообеспечении мышечной работы.

Особого внимания заслуживает белок саркоплазмы миоглобин, который по строению идентичен одной из субъединиц белка крови - гемоглобина. Состоит миоглобин из одного полипептида и одного гема. Молекулярная масса миоглобина - 17 кДа. Функция миоглобина заключается в связывании молекулярного кислорода. Благодаря этому белку в мышечной ткани создается определенный запас кислорода. В последние годы установлена еще одна функция миоглобина - это перенос О2 от сарколеммы к мышечным митохондриям.

Кроме белков в саркоплазме имеются небелковые азотсодержащие вещества. Их называют в отличие от белков экстрактивными веществами, так как они легко экстрагируются водой. Среди них - адениловые нуклеотиды АТФ, АДФ, АМФ и другие нуклеотиды, причем преобладает АТФ. Концентрация АТФ в покое примерно 4-5 ммоль/кг. К экстрактивным веществам также относятся креатинфосфат, его предшественник - креатин и продукт необратимого распада креатипфосфата - креатинин. В покое концентрация креатинфосфата обычно 15-25 ммоль/кг. Из аминокислот в большом количестве имеются глутаминовая кислота и глутамин.

Основной углевод мышечной ткани - гликоген. Концентрация гликогена колеблется в пределах 0,2-3%. Свободная глюкоза в саркоплазме содержится в очень малой концентрации - имеются лишь ее следы. В процессе мышечной работы в саркоплазме происходит накопление продуктов углеводного обмена - лактата и пирувата.

Протоплазматический жир связан с белками и имеется в концентрации 1%. Запасной жир накапливается в мышцах, тренируемых на выносливость.

Главной особенностью миоцитов, отличающих их от других клеток, является наличие сократительных элементов - миофибрилл.

1.3. СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

МИОФИБРИЛЛ

Сократительные элементы - миофибриллы - занимают большую часть объема мышечных клеток, их диаметр около 1 мкм. В нетренированных мышцах миофибриллы расположены рассеянно, а в тренированных они сгруппированы в пучки, называемые полями Конгейма.

Схема строения мышечного волокна

Рис. 8. Схема строения мышечного волокна

Микроскопическое изучение строения миофибрилл показало, что они состоят из чередующихся светлых и темных участков, или дисков. В мышечных клетках миофибриллы располагаются таким образом, что светлые и темные участки рядом расположенных миофибрилл совпадают, что создает видимую в микроскопе поперечную исчерпанность всего мышечного волокна.

Использование электронного микроскопа с очень большим увеличением позволило расшифровать строение миофибрилл и установить причины наличия у них светлых и темных участков. Было обнаружено, что миофибриллы являются сложными структурами, построенными, в свою очередь, из большого числа мышечных нитей (протофибрилл или филаментов) двух типов -толстых и тонких. Толстые нити имеют диаметр 15 нм, тонкие - 7 нм.

Состоят же миофибриллы из чередующихся пучков параллельно расположенных толстых и тонких нитей, которые концами заходят друг в друга.

Участок миофибриллы, состоящий из толстых нитей и находящихся между ними концов тонких нитей, обладает двойным лучепреломлением. При микроскопии этот участок задерживает видимый свет или поток электронов (в случае электронного микроскопа) и поэтому кажется темным. Такие участки получили название анизотропные, или темные диски (А-диски).

Светлые участки миофибрилл состоят из центральных частей тонких нитей. Они сравнительно легко пропускают лучи света или поток электронов, так как не обладают двойным лучепреломлением и называются изотропными, или светлыми дисками (1-диски). В середине пучка тонких нитей поперечно располагается тонкая пластинка из белка, которая фиксирует положение мышечных нитей в пространстве. Эта пластинка хорошо видна в микроскопе в виде линии, идущей поперек 1-диска, и названа Z-пластинкой, или Z-линией.

Участок миофибриллы между соседними Z-линиями получил название саркомер. Его длина 2,5-3 мкм. Каждая миофибрилла состоит из нескольких сотен саркомеров (до 1000).

Схема строения миофибриллы

Рис. 9. Схема строения миофибриллы

Изучение химического состава миофибрилл показало, что толстые и тонкие нити состоят только из белков.

Толстые нити состоят из белка миозина. Миозин - белок с молекулярной массой около 500 кДа, содержащий две очень длинные полипептидные цепи. Эти цепи образуют двойную спираль, но на одном конце они расходятся и формируют шаровидное образование - глобулярную головку. Поэтому в молекуле миозина различают две части - глобулярную головку и хвост.

В состав толстой нити входит около 300 миозиновых молекул, а на поперечном срезе толстой нити обнаруживается 18 молекул миозина. Миозиновые молекулы в толстых нитях переплетаются своими хвостами, а их головки выступают из толстой нити по правильной спирали

В головках миозина имеются два важных участка (центра). Один из них катализирует гидролитическое расщепление АТФ, т.е. соответствует активному центру фермента. АТФазная активность миозина впервые обнаружена отечественными биохимиками Энгельгардтом и Любимовой. Второй участок головки миозина обеспечивает во время мышечного сокращения связь толстых нитей с белком тонких нитей - актином.

Тонкие нити состоят из трех белков: актина, тропонина и тропомиозина.

Основной белок тонких нитей - актин. Актин - глобулярный белок с молекулярной массой 42 кДа. Этот белок обладает двумя важнейшими свойствами. Во-первых, проявляет высокую способность к полимеризации с образованием длинных цепей, называемых фибриллярным актином (можно сравнить с нитью бус). Во-вторых, как уже отмечалось, актин может соединяться с миозиновыми головками, что приводит к образованию между тонкими и толстыми нитями поперечных мостиков, или спаек.

Основой тонкой нити является двойная спираль из двух цепей фибриллярного актина, содержащая около 300 молекул глобулярного актина (как бы две нити бус, закрученные в двойную спираль. Каждая бусинка соответствует глобулярному актину).

Еще один белок тонких нитей - тропомиозин - также имеет форму двойной спирали, но эта спираль образована полипеп-тидными цепями и по размеру гораздо меньше двойной спирали актина. Тропомиозин располагается в желобке двойной спирали фибриллярного актина. Третий белок тонких нитей -тропонин - присоединяется к тропомиозину и фиксирует его положение в желобке актина, при котором блокируется взаимодействие миозиновых головок с молекулами глобулярного актина тонких нитей.

тропонин актин / / t

тропомиозин

Рис. 10. Схема строения тонкой нити (Уайт А. и др., 1981)

В мышце, находящейся в состоянии покоя, толстые и тонкие нити миофибрилл друг с другом не соединены, так как участки связывания на молекулах актина закрыты молекулами тропомиозина.

1.4. МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

Мышечное сокращение происходит под воздействием двигательного нервного импульса, представляющего собою волну повышенной мембранной проницаемости, распространяющуюся по нервному волокну. Эта волна повышенной проницаемости передается через нервно-мышечный синапс на саркоплазматическую сеть и в конечном итоге достигает цистерн, содержащих ионы кальция в большой концентрации. В результате значительного повышения проницаемости стенки цистерн (это тоже мембрана!) ионы кальция выходят из цистерн и их концентрация в саркоплазме за очень короткое время (около 3 мс) возрастает с 10’8 до 10’5 г-ион/л, т.е. в 1000 раз. Ионы кальция, находясь в высокой концентрации, присоединяются к белку тонких нитей - тропонину и меняют его пространственную форму (конформацию).

Изменение конформации тропонина, в свою очередь, приводит к тому, что молекулы тропомиозина смещаются вдоль желобка фибриллярного актина, составляющего основу тонких нитей, и освобождают тот участок актиновых молекул, который предназначен для связывания с миозиновыми головками. В результате этого между миозином и актином (т.е. между толстыми и тонкими нитями) возникает поперечный мостик, расположенный под углом 90°. Поскольку в толстые и тонкие нити входит большое число молекул миозина и актина (около 300 в каждую), то между мышечными нитями образуется довольно большое количество поперечных мостиков, или спаек.

Образование связи между актином и миозином сопровождается повышением АТФазной активности последнего (т.е. актин действует подобно аллостерическим активаторам ферментов), в результате чего происходит гидролиз АТФ:

АТФ + Н2О —> АДФ + Н3РО4 + энергия

За счет энергии, выделяющейся при расщеплении АТФ, миозиновая головка подобно шарниру или веслу лодки поворачивается, и мостик между толстыми и тонкими нитями оказывается под углом 45°, что приводит к скольжению мышечных нитей навстречу друг другу.

Поворот мостиков при сокращении

Рис. 11. Поворот мостиков при сокращении

Совершив поворот, мостики между толстыми и тонкими нитями разрываются. АТФазная активность миозина вследствие этого резко снижается, и гидролиз АТФ прекращается. Но если двигательный нервный импульс продолжает поступать в мышцу и в саркоплазме сохраняется высокая концентрация ионов кальция, поперечные мостики вновь образуются, АТФазная активность миозина возрастает и снова происходит гидролиз новых порций АТФ, дающий энергию для поворота поперечных мостиков с последующим их разрывом. Это ведет к дальнейшему движению толстых и тонких нитей навстречу друг другу и укорочению миофибрилл и мышечного волокна.

В результате многократного образования, поворота и разрыва мостиков мышца может максимально сократиться, при этом тонкие нити наслаиваются друг на друга (иногда могут переплетаться), а толстые нити упираются в Z-пластинку (при сверхмаксимальном сокращении их концы даже могут быть расплющены).

Каждый цикл сокращения (образование, поворот и разрыв мостика) требует расходования одной молекулы АТФ в качестве источника энергии. Учитывая, что во всей мышце во время ее сокращения возникает огромнейшее количество поперечных мостиков, затраты АТФ на энергообеспечение мышечной деятельности очень велики.

1.5. МЕХАНИЗМ МЫШЕЧНОГО РАССЛАБЛЕНИЯ

Расслабление мышцы (релаксация) происходит после прекращения поступления двигательного нервного импульса. При этом проницаемость стенки цистерн саркоплазматического ретикулума уменьшается, и ионы кальция под действием кальциевого насоса, использующего энергию АТФ, уходят в цистерны. Их концентрация в саркоплазме быстро снижается до исходного уровня. Снижение концентрации кальция в саркоплазме вызывает изменение конформации тропонина, что приводит к фиксации молекул тропомиозина в определенных участках актиновых нитей и делает невозможным образование поперечных мостиков между толстыми и тонкими нитями. За счет упругих сил, возникающих при мышечном сокращении в коллагеновых нитях, окружающих мышечное волокно, оно при расслаблении возвращается в исходное положение.

Возвращению мышцы в исходное состояние также способствует сокращение мышц-антогонистов.

Таким образом, процесс мышечного расслабления, или релаксация, так же как и процесс мышечного сокращения, осуществляется с использованием энергии гидролиза АТФ.

1.6. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАДКИХ МЫШЦ

Гладкие мышечные волокна по строению существенно отличаются от поперечно-полосатых. В гладких мышечных клетках нет миофибрилл. Тонкие нити присоединяются к сарколемме, толстые находятся внутри волокон.

В гладких мышечных волокнах отсутствуют также цистерны с ионами кальция. Под действием нервного импульса ионы Са2+ поступают в саркоплазму из внеклеточного вещества. Поступают ионы кальция в саркоплазму медленно и также медленно уходят из волокна после прекращения поступления нервного импульса. Поэтому гладкие мышцы медленно сокращаются и медленно расслабляются.

Тесты для самоконтроля

  • 1. В состав толстых нитей миофибрилл входит белок:
    • а) актин б) миозин в) коллаген г) миоглобин
  • 2. Сократительными элементами мышцы являются:
    • а) лизосомы в) митохондрии
    • б) миофибриллы г) лизосомы
  • 3. Цистерны саркоплазматической сети депонируют ионы:
    • а) Са2+ б)СГ в) Н+ r)Na+
  • 4. Ферментативными свойствами обладает белок миофибрилл:
    • а)актин б) миозин в)тропомиозин г)тропонин
  • 5. Миоглобин в мышцах участвует в депонировании:
    • а) витаминов в) кислорода
    • б) ионов кальция г) углекислого газа
  • 6. Фермент кальциевая АТФаза локализован в:
    • а) лизосомах в) митохондрииях
    • б) миофибриллах г) цистернах саркоплазматической сети
  • 7. Миозин входит в состав:
    • а) лизосом в) митохондрий
    • б) миофибрилл г) рибосом
  • 8. В мышечном расслаблении участвует белок:
    • а) актин в) миозин
    • б) коллаген г) миоглобин
  • 9. Депонирование ионов кальция в мышечных клетках происходит в:
    • а) лизосомах в) цистернах саркоплазматической сети
    • б) митохондриях г)ядре
  • 10. Максимальное содержание гликогена в мышцах:
    • а) 0,2-0,3% б) 0,5-1% в) 2-3% г) 8-10%

И. Белок коллаген участвует в:

  • а) депонировании ионов кальция
  • в) расслаблении
  • г) сокращении
  • б) депонировании кислорода
  • 12. Перенос кислорода внутри мышечных клеток осуществляет белок:
    • а) актин б) гемоглобин в) миоглобин г) миозин
  • 13. Главным углеводом в мышечных клетках является:
    • а) гликоген б) глюкоза в) рибоза г) фруктоза
  • 14. Пусковым механизмом мышечного сокращения является:
    • а) гидролиз АТФ
    • б) образование поперечных спаек между толстыми и тонкими нитями миофибрилл
    • в) повышение концентрации Са2+ в саркоплазме
    • г) повышение концентрации лактата в миоцитах
  • 15. Сократительным белком мышечных клеток является:
    • а) актин в) миоглобин
    • б) коллаген г) тропонин
  • 16. Железо входит в состав мышечного белка:
    • а) актина в) миоглобина
    • б) коллагена г) миозина
  • 17. Нервный двигательный импульс вызывает:
    • а) взаимодействие актина с миозином
    • б) гидролиз АТФ
    • в) повышение концентрации Са2+ в саркоплазме
    • г) понижение концентрации Са2+ в саркоплазме
  • 18. Обязательным условием мышечного сокращения является наличие в саркоплазме:
    • а) АТФ и креатинфосфата
    • б) АТФ и ионов Са2+
    • в) гликогена и креатинфосфата
    • г) ионов Са2+ и Na+
  • 19. АТФазная активность миозина возрастает при его взаимодействии с:
    • а) актином в) АДФ
    • б) АТФ г) креатином
  • 20. Основным белком тонких нитей миофибрилл является:
    • а) актин в) миоглобин
    • б) коллаген г) миозин
  • 21. Сократительным белком мышечных клеток является:
    • а) коллаген в) миозин
    • б) миоглобин г) фибрин
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >