Как работают мышцы?

Как работают мышцы? Этот вопрос волнует умы ученых давно. Причиной является то, что мышцы играют важную роль практически во всех проявлениях жизни на нашей планете. Направленное движение, связанное с работой мышц, имеет место в процессах расхождения хромосом при делении клетки, при активном транспорте молекул, при передвижении простейших и наиболее выражено при мышечных сокращениях у высших позвоночных и человека. 
Наши мышцы под микроскопом выглядят поперечно-полосатыми, т. е. представляют собой сочетание темных и светлых полос. Мышцы состоят из взаимодействующих друг с другом толстых и тонких белковых нитей. Мышечные клетки окружены специальной оболочкой - мембраной и состоят из большого количества миофибрилл. Миофибриллы погружены во внутриклеточную жидкость, которая и обеспечивает их энергетическими субстратами. Во внутриклеточной жидкости содержатся аденозинтрифосфат (впоследствии мы будем пользоваться сокращением АТФ), гликоген, фосфокреатин и гликолитические ферменты. Не будем вдаваться в более детальное описание строения мышцы. Отметим только, что в активно функционирующей мышце обнаруживается много митохондрий. Это своеобразные энергетические "станции" клеток растений и животных, которые содержат различные ферменты - ускорители биохимических процессов накопления энергии путем синтеза или, проще говоря, образования АТФ. 
При мышечном сокращении происходит скольжение толстых и тонких нитей относительно друг друга. Толстые нити миофибрилл, по существу, состоят из молекул миозина. Актин - основной компонент тонких нитей. Именно связывание миозином актина играет ключевую роль в обеспечении смещения толстых и тонких нитей друг относительно друга. 
Физиологическим регулятором сокращения мышц служат ионы кальция. Нервный импульс запускает высвобождение их в пространство, где и происходит взаимодействие между актином и миозином. В состоянии покоя работает система активного транспорта ионов кальция и накапливает его в своеобразном хранилище, из которого он освобождается при прохождении нервного импульса, обеспечивая мышечное сокращение, 
Система транспорта ионов кальция работает за счет энергии АТФ. Того количества АТФ, которое имеется в мышце, хватает на поддержание работы сократительного аппарата всего в течение доли секунды. 
Как же работает мышца более продолжительное время? Оказывается, в мышце энергия запасается в форме фосфокреатина или креатинфосфата. Креатинфосфат имеет более высокий потенциал переноса высокоэнергетических фосфатных групп, чем универсальный АТФ. Фосфогены в виде фосфокреатина восстанавливают АТФ, обеспечивая тем самым приток энергии для мышечного сокращения. Однако в работающей мышце запасы фосфокреатина быстро истощаются, а это снижает и содержание АТФ. 
Следующим каскадом обеспечения мышцы энергией при более продолжительной физической нагрузке является гликолиз. С истощением запасов креатина в мышце понижается энергетический заряд мышечного сокращения. Это и приводит к стимуляции гликолиза, цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования в работающей мышце. Гликолиз представляет собой процесс расщепления углеводов под действием ферментов с накоплением энергии в виде АТФ. Что происходит в последующем с молекулой АТФ, Вы уже знаете. 
У этой реакции есть один очень известный побочный продукт. В отсутствие кислорода при расщеплении углеводов образуется лактат, или молочная кислота. Биохимики подсчитали, что конечными продуктами расщепления молекулы углеводов в условиях недостатка кислорода или анаэробных условиях являются две молекулы лактата и две молекулы АТФ. Однако, если для гликолиза используется гликоген мышц, то возникают две молекулы лактата и три молекулы АТФ. Не правда ли, это несколько более эффективный путь использования энергии? 
Гликоген представляет собой главный резервный запасенный полисахарид в мышцах и печени. В отношении этого важного источника энергии для мышечного сокращения работает двунаправленный механизм. Суть реакций этого механизма состоит в том, что при пониженном уровне гликогена в мышцах и печени и наличии свободной глюкозы в крови она используется для синтеза гликогена. И, наоборот, при потребностях организма в энергетическом источнике для процессов гликолиза гликоген используется для этих целей и весьма успешно. 
Еще немного сложностей биохимии. Цикл трикарбоновых кислот, о котором мы упомянули выше, называют еще циклом Кребса. Цикл трикарбоновых кислот служит универсальным завершающим этапом расщепления углеродсодержащих соединений в организме и играет центральную роль в обмене веществ и энергии в организме. Цикл Кребса тесно связан с процессами дыхания и окислительного фосфорилирования. Последнее протекает в митохондриях клеток. Энергия, которая освобождается при окислительном фосфорилировании, также частично используется для синтеза АТФ. 
Итак, мы проследили упрощенную нами, а на самом деле очень сложную и многокомпонентную цепь реакций и описали основные формы получения энергии, которая, повторимся, используется в виде АТФ для механизмов мышечного сокращения. 
Как Вы обратили внимание, путей получения энергии много. Относительный вклад каждого из процессов в ресинтезе АТФ зависит от времени мышечной работы и от типа мышц. Так, например, процессы окислительного фосфорилирования намного выше в красных мышечных волокнах, цвет которых обусловлен более высоким содержанием миоглобина и цитохромов дыхательной цепи, чем в белых мышцах.