Энергетика мышечной деятельности презентация

при ферментативном гидролизе молекулы АТФ до АДФ и ортофосфата:



Химическая энергия в процессе мышечного сокращения преобразуется в механическую работу мышц, а при расслаблении обеспечивает активный транспорт Са2+ в саркоплазматический ретикулум.
Большое количество АТФ расходуется в скелетных мышцах на работу Nа+ - К+ - АТФазы, которая поддерживает определенную концентрацию ионов Nа+ и К+ в мышце, создающих электрохимический потенциал на сарколемме.
Содержание АТФ в мышцах – 5 ммоль.кг-1 сырой массы ткани.
При повышении концентрации АТФ в мышцах – угнетение АТФ-азы миозина, не образуются спайки между актиновыми и миозиновыми нитями в миофибриллах – нет сокращения.
При снижении АТФ ниже 2 ммоль.кг-1 сырой массы ткани приводит к нарушению работы Са2+ -насоса в ретикулуме и процесса расслабления мышц.
Запасы АТФ в МВ обеспечивают работу в течение 0,5-1,5с или 3-4 одиночных сокращения максимальной силы.

продуктов ее распада:
АТФ + Н3РО4 + Q ? АТФ
Реакция присоединения фосфата – фосфорилирование
Перенос фосфата с одного вещества на другое – перефосфорилирование

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ДЛЯ РЕСИНТЕЗА АТФ
Богатые энергией фосфатсодержащие вещества: креатинфосфат, АДФ
Метаболиты, которые образуются в процессе катаболизма гликогена, жирных кислот и других энергетических субстратов.
Энергия протонного (Н+) градиента на мембране митохондрий, образующегося в результате аэробного окисления различных веществ.

Выделяют четыре механизма или путей ресинтеза АТФ в тканях.

выявлены три вида анаэробных и один аэробный путь ресинтеза АТФ

АНАЭРОБНЫЕ МЕХАНИЗМЫ:
Креатинфосфокиназый (фосфагенный или алактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ за счет перефосфорилирования между креатинфосфатом и АДФ
Гликолитический (лактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ в процессе ферментного анаэробного расщепления гликогена мышц или глюкозы крови, заканчивающегося образованием молочной кислоты.
Миокиназный механизм, осуществляющий ресинтез АТФ за счет реакции перефосфорилирования между двумя молекулами АДФ с участием фермента миокиназы (аденилаткиназы)

АЭРОБНЫЙ МЕХАНИЗМ:
1. Реакции окислительного фосфорилирования, протекаемые в митохондриях. Энергетические субстраты аэробного окисления: глюкоза, жирные кислоты, частично аминокислоты, промежуточные метаболиты гликолиза – молочная кислота, окисления жирных кислот – кетоновые тела.

критериям оценки механизмов энергообразования:
МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ
СКОРОСТЬ РАЗВЕРТЫВАНИЯ
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ
МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ – это наибольшая скорость образования АТФ в данном метаболическом процессе. Она лимитирует предельную интенсивность работы, выполняемой за счет данного механизма.
СКОРОСТЬ РАЗВЕРТЫВАНИЯ – оценивается временем достижения максимальной мощности данного пути ресинтеза АТФ от начала работы.
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ отображает общее количество АТФ, которое может быть получено в данном механизме ресинтеза за счет величины запасов энергетических субстратов. Емкость лимитирует объем выполняемой работы.
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ – это та часть энергии, которая накапливается в макроэргических связях АТФ. Она определяет экономичность выполняемой работы и оценивается общим значением КПД.
КПД – отношение всей полезно затраченной энергии к ее общему количеству, выделенному в данном метаболическом процессе.

работу (Ем) зависит от двух показателей:
Эффективности преобразования выделяемой в ходе метаболических превращений энергии в энергию ресинтезируемых макроэргических фосфорных соединений (АТФ), т.е. эффективности фосфорилирования (Еф)
Эффективности преобразования АТФ в механическую работу, т.е. эффективности хемомеханического сопряжения (Ее):
Ем = (Еф /Ее) 100
Эффективность хемомеханического сопряжения в процессах аэробного и анаэробного метаболизма равна 50%
Эффективность фосфорилирования:
В алактатном анаэробном процессе – 80%
В аэробном процессе – 60%
В анаэробном гликолизе – 44%

в мышцах АТФ и быстрый ее ресинтез за счет высокоэнергетического фосфогенного вещества – КРЕАТИНФОСФАТА, концентрация которого в мышцах в 3-4 раза выше по сравнению с АТФ
КРЕАТИНФОСФАТ локализован непосредственно на сократительных нитях миофибрилл и способен быстро вступать в реакцию перефосфорилирования с участием фермента (КФК):
КФК
КрФ + АДФ Максимальная мощность креатинфосфокиназной реакции развивается уже на 0,5-0,7-й сек. интенсивной работы, что свидетельствует о большой скорости развертывания и поддержания в течение 10-15 с у нетренированных, а у высокотренированных спринтеров – 25-30 с.
Максимальная мощность креатинфосфокиназной реакции составляет 3,8 кДж.кг-1.мин-1, что выше анаэробного гликолиза в 1,5-2 раза и аэробного процесса в 3-4 раза. Скорость расщепления КрФ в работающих мышцах находится в прямой зависимости от интенсивности выполняемого упражнения и от эффективности фермента КФК.
Метаболическая емкость этого механизма невелика, так как запасы КрФ в мышцах превышают содержание АТФ всего в 3 раза. Поддержание уровня АТФ за счет КрФ ограничено его запасами

среднюю массу тела 70 кг)

реакция протекает непосредственно между двумя веществами на миофибриллах.
Запасы КрФ зависят от содержания креатина в организме.
Введение креатина в виде пищевых добавок приводит к увеличению запасов креатинфосфата в мышцах (от 84 до 91 ммоль.кг-1 сухой мышечной ткани), а также к повышению физической работоспособности.
Содержание креатинфосфата в скелетных мышцах увеличивается в процессе адаптации организма к скоростным и силовым физическим нагрузкам в 1,5-2 раза.
Креатинфосфокиназный путь ресинтеза АТФ играет решающую роль в энергообеспечении кратковременной работы максимальной интенсивности в течение 15-30 секунд. Например: бег на 100 м, плавание на короткие дистанции, прыжки, метания, тяжелоатлетические упражнения.
Креатинфосфокиназный путь обеспечивает возможность быстрого перехода от покоя к работе, внезапных изменений темпа по ходу ее выполнения, а также финишного ускорения.
Функционирует креатинфосфокиназная система преимущественно в быстросокращающихся мышечных волокнах, поэтому составляет биохимическую основу скорости и локальной мышечной силы (выносливости)

РАБОТЫ

гликогена, а также глюкоза, поступающая из крови. Она постепенно расщепляется до молочной кислоты с участием многих ферментов.
Большинство ферментов гликолиза локализовано в саркоплазме МВ.
Ферменты фосфорилаза и гексокиназа, обеспечивающие начальные реакции гликолиза, легко активируются при повышении концентрации АДФ и неорганического фосфата в саркоплазме.
Образование активной формы фосфорилазы стимулируется катехоламинами и ионами Са2+, уровень которых повышается при мышечном сокращении.
Активация гидролиза способствует снижению концентрации креатинфосфата в мышцах и накопление АМФ, образующегося в миокиназной реакции ресинтеза АТФ.
Процесс гликолиза и гликогенолиза (обобщенная схема):








Энергетический баланс гликолиза в случае, когда исходным веществом служит глюкоза,составляет 2 моля АТФ на 1 моль расщепляемых углеводов, агликогенолиза, когда исходным веществом является гликоген мышц – 3 моля АТФ на 1 моль расщепляемого эквивалента.

3,1 кДж.кг-1, у нетренированных людей – 2,5 кДж.кг-1.мин-1.
Максимальная мощность гликолиза ниже, чем мощность креатинфосфокиназной реакции, но в 2-3 раза выше мощности аэробного процесса.
На максимальную мощность этот механизм выходит уже на 20-30-й секунде после начала работы, т.е. его скорость развертывания значительно меньше, чем креатинфосфокиназного.
К концу 1-й минуты работы гликолиз становится основным механизмом ресинтеза АТФ.
МЕТАБОЛИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ гликолиза, определяемая внутримышечными запасами углеводов и зависящая от резервов буферных систем, стабилизирующих величину внутриклеточного рН, обеспечивает поддержание анаэробной работы продолжительностью от 30 секунд до 2-6 минут.
Общее количество энергии у нетренированных людей не превышает 840 Дж.кг-1, что соответствует концентрации молочной кислоты в крови около 13 ммоль.л-1, которая для них является граничной.
У спортсменов, которые в процессе тренировки используют физические нагрузки анаэробной гликолитической направленности, лактатная емкость составляет 1760-2090 Дж.кг-1, что соответствует наличию молочной кислоты в крови в пределах 25-30 ммоль.л-1.
У спортсменов, специализирующихся в видах спорта на выносливость, после выполненной мышечной работы концентрация молочной кислоты в крови не превышает 10-13 ммоль.л-1 и зависит от содержания быстросокращающихся МВ в скелетных мышцах.

означает, что половина всей выделяемой энергии превращается в тепло и не может быть использована в работе. В результате при гликолитической работе повышается скорость теплопродукции в работающих мышцах и их температура до 41-42 о С.
Гликолиз играет важную роль при напряженной мышечной деятельности в условиях недостаточного снабжения тканей кислородом.
Гликолиз – основной путь энергообразования в упражнениях субмаксимальной мощности, предельная продолжительность которых составляет от 30 сек. до 2,5 минут (бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и.т.д.)
Гликолитический механизм энергообразования является биохимической основой специальной скоростной выносливости организма.
Гликолитический путь ресинтеза АТФ сопровождается накоплением молочной кислоты в мышцах, концентрация которой находится в прямой зависимости от мощности и общей продолжительности упражнения.

Молочная кислота в водной среде подвергается диссоциации на ионы и вызывает изменение концентрации водородных ионов и величины рН внутриклеточной среды:
Н2О
СН3-СНОН-СООН молочная к-та ион молочной кислоты(лактат)

ферментов дыхательного цикла в митохондриях и усиливает аэробное энергообразование.
Значительное изменение рН среды в мышцах от 7,1 в состоянии покоя до 6,5 при изнеможении угнетает ферменты, регулирующие скорость гликолиза и сокращение мышц
При значении рН 6,4 прекращается расщепление гликогена, что вызывает резкое снижение уровня АТФ и развитие утомления.
Увеличение количества молочной кислоты в саркоплазме мышц сопровождается изменением осмотического давления. Вода из межклеточной среды поступает внутрь МВ, вызывая их набухание, это приводит к сдавливанию нервных окончаний и возникновении болевых ощущений в мышцах.
Молочная кислота диффундирует через клеточные мембраны по градиенту концентрации и поступает из работающих мышц в кровь.
Максимальное накопление молочной кислоты в крови - через 5-7 минут после работы.
Молочная кислота взаимодействует с бикарбонатной системой крови, что приводит к образованию «неметаболического» избытка СО2

в крови способствует активации дыхательного центра, поэтому при выходе молочной кислоты в кровь резко усиливается легочная вентиляция и доставка кислорода к работающим мышцам.
Значительное накопление молочной кислоты, появление избыточного СО2, изменение рН и гипервентиляция легких, отражающие усиление гликолиза в мышцах,обнаруживается при увеличении интенсивности выполняемого упражнения более 50% максимальной аэробной мощности.
Этот уровень нагрузки – ПОРОГ АНАЭРОБНОГО ОБМЕНА (ПАНО) или порог лактата (ПЛ).
У многих спортсменов ПАНО соответствует уровню молочной кислоты – 2-4 ммоль.л-1.
С ростом степени тренированности на выносливость порог лактата увеличивается, т.е. наступает при более интенсивной работе.
Величина ПАНО является важным показателем эффективности процессов энергообразования в мышцах, интенсивности тренирующих нагрузок, роста степени тренированности, который широко используется при биохимическом контроле функционального состояния спортсмена.

заданной скоростью у пловцов в течение многомесячной тренировки.

увеличении концентрации АДФ в саркоплазме.
Она заключается в переносе макроэргической фосфатной группы с одной молекулы АДФ на другую с образованием АТФ:
миокиназа
АТФ + АДФ <-----? АТФ + АМФ
Это возникает при выраженном мышечном утомлении, когда скорость процессов, принимающих участие в ресинтезе АТФ, не уравновешивает скорость расщепления АТФ.
Миокиназную реакцию можно рассматривать как «аварийный механизм», обеспечивающий ресинтез АТФ в условиях, когда другие пути ресинтеза уже невозможны.
Увеличение концентрации АМФ в саркоплазме в результате миокиназной реакции оказывает активирующее действие на ферменты гликолиза (в частности, на фосфофруктокиназу) и скорость анаэробного ресинтеза АТФ.
Миокиназная реакция, как и креатинфосфокиназная, легко обратима и может быть использована для поддержания постоянного уровня АТФ в мышцах при изменении скорости образования и использования АТФ.
Появление избытка АТФ в клетке быстро устраняется обратимой миокиназной реакцией.

около90% общего количества АТФ, ресинтезируемой в организме.
Ферментные системы аэробного обмена расположены в основном в митохондриях мышц.
Механизм аэробного окисления питательных веществ – «окислительное фосфорилирование»
В качестве субстрата аэробного окисления используется глюкоза, высшие жирные кислоты, отдельные аминокислоты, кетоновые тела, молочная кислота и другие недоокисленные продукты метаболизма.
Все эти вещества постепенно превращаются в единое вещество - ацетил-КоА, который далее окисляется в цикле лимонной кислоты до СО2 и Н2О с участием многочисленных окислительных ферментов и вдыхаемого кислорода.

Энергия окисления накапливается в восстановленной форме переносчиков водорода НАДН2 и ФАДН2, которые передают высокоэнергетические электроны по дыхательной цепи на вдыхаемый кислород, а протоны водорода создают на мембране митохондрий протонный градиент (Н+), который является движущей силой для генерирования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования. Когда разница протонного градиента достигает величины 200 мВ, протоны движутся через мембрану митохондрий и взаимодействуют с кислородом с образованием Н2О.
Энергия движения Р+ аккумулируется в молекулы АТФ при их синтезе из АДФ и Н3РО4 высокоспецифическим ферментом АТФ-синтетазой.

от следующих факторов:
Соотношения АТФ/АДФ. При отсутствии в клетке АДФ синтез АТФ не происходит.
Количества кислорода в клетке и эффективности его использования.
Активности многочисленных окислительных ферментов.
Количества систем дыхательных ферментов в митохондриях.
Целостности мембран митохондрий.
Количества митохондрий в клетке.
Концентрации гормонов, ионов Са2+ и других регуляторных процессов аэробного окисления веществ.

окисление – тканевое дыхание (II)

жирами, так как на их окисление требуется на 12% меньше кислорода в расчете на молекулу синтезированной АТФ.
После исчерпания запасов углеводов к энергообеспечению работы подключаются жиры, запасы которых позволяют выполнять очень длительную работу. В марафонском беге за счет гликогена работа мышц продолжается 80 минут. Остальное количество энергии образуется за счет окисления жирных кислот. Жирные кислоты содержат большое количество энергии – важно развивать способность организма спортсмена к более ранней их мобилизации для энергообеспечения работы. Рекомендуется периодически использовать в тренировке аэробные нагрузки – бег на сверхдлинные дистанции (по 30-40 км и более).
МАКСИМАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ аэробного механизма наименьшая - 1,2 кДж.кг-1 и в равной степени зависит от скорости поступления и скорости утилизации О2 в клетках.
Мощность аэробного энергообразования оценивается по МПК, достигнутого при выполнении мышечной работы.
У спортсмена МПК – в среднем 5,5-: л.мин-1. У неспортсменов -2,5-3,5 л.мин-1.
МПК в расчете на 1 кг массы тела: у неспортсменов – 40-45 мл.кг-1, у спортсменов, занимающихся видами спорта на выносливость – 80-90 мл.кг-1.
Максимальная мощность аэробного процесса достигается на 2-3й минуте неинтенсивной работы у спортсменов и на 4-5й минуте у неспортсменов.
Наиболее интенсивно процессы аэробного энергообразования протекают в медленносокращающихся МВ.

имеются большие запасы энергетических источников, дающих большое количество ресинтезируемой АТФ.
При окислении 1 молекулы глюкозы в аэробных условиях образуется 38 молекул АТФ, тогда как в анаэробных – только 2 АТФ
С6Н12О6 + 6О2----? 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ
При окислении высших жирных кислот, например пальмитиновой, образуется еще больше энергии:
С6Н32О2 + 23О2 --? 16СО2 + 146Н2О + 130 АТФ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ энергообразования этого механизма также высокая и составляет 50%.
Определяется она по ПАНО: у нетренированных людей ПАНО наступает при потреблении кислорода 50% от уровня VО2 max, а у высокотренированных на выносливость – при 80-90% МПК.
Аэробный механизм энергообразования является основным при длительной работе большой и умеренной мощности: беге на дистанции 5000 и 10000 м, марафонском беге на 25000 м, велогонках, плавании на 800 и 1500 м, ьеге на коньках на 5000 и 10000 м.
Аэробный механизм является биохимической основой общей выносливости.

упражнений