Роль АТФ при мышечной работе

Непосредственным источником энергии для работы мышц (как и для энергетических потребностей других органов и тканей организма) является АТФ. При ферментативном гидролизе АТФ освобождается энергия, около 50% которой может быть использовано для мышечного сокращения (или выполнения какой либо другой работы). Остальная энергия освобождается в виде тепла. Ферментативный гидролиз АТФ осуществляется по уравнению:

АТФ + Н₂О → АДФ + Н₃РО₄ + энергия

Реакция катализируется ферментом миозиновой аденозинтрифосфатазой, активной в присутствии ионов Са²⁺.

В двухфазной мышечной деятельности, т.е. при чередовании сокращения и расслабления, имеется несколько процессов, для протекания которых необходимы затраты АТФ. В ходе сокращения мышечного волокна за счет энергии АТФ осуществляется изменение конформации «отростков» миозиновых нитей, их взаимодействие с активными центрами актиновых нитей (образование «спаек»), в результате чего происходит взаимное перемещение этих нитей относительно друг друга и укорочение миофибрилл.

Другим процессом, требующим затрат энергии АТФ, является работа т.н. «кальциевого насоса», производящего циклическое высвобождение и связывание ионов кальция. В состоянии покоя ионы кальция аккумулированы внутри мышечного волокна в особых пузырьках – «цистернах». С приходом нервного импульса они освобождаются оттуда и путем простой диффузии достигают сократительного аппарата, где инициируют взаимодействие актиновых и миозиновых нитей. К моменту завершения цикла сокращения ионы кальция вновь поглощаются поверхностью «цистерн». Освобождение ионов кальция происходит без затрат энергии, зато их связывание саркоплазматическим ретикулумом требует затраты энергии из расчета одна молекула АТФ на два иона кальция.

По завершении сокращения с прекращением поступления двигательных импульсов происходит восстановление мембранного потенциала оболочки мышечного волокна, вследствие выхода ионов натрия из клетки и встречного движения ионой калия, а также возобновление запасов медиатора – ацетилхолина в нервных окончаниях. Эти процессы также нуждаются в энергии АТФ. Кроме того, АТФ является пластификатором для актиновых и миозиновых нитей, которые в отсутствии АТФ теряют свою эластичность.

Наличие широкого круга процессов, потребляющих энергию АТФ, определяет высокую скорость ее расходования. В тоже время содержание АТФ в мышечной ткани невелико (0,4-0,5% от массы мышцы). Этого её количества может хватить только на 1-2 сек работы с интенсивностью, близкой к максимальной.

Концентрация АТФ, превышающая 0,5% от массы мышцы, вызывает субстратное угнетение миозиновой аденозинтрифосфатазы (фермента, катализирующего расщепление АТФ), в результате чего становится невозможным расщепление АТФ и получение энергии для мышечного сокращения. Именно поэтому систематическая мышечная тренировка не приводит к повышению концентрации АТФ в мышечной ткани.

При снижении концентрации АТФ ниже 0,15-0,20% от массы мышцы обнаруживаются затруднения в работе «кальциевого насоса» - ионы кальция не переходят из цитоплазмы в цистерны. В результате не происходит разрыва спаек между актиновыми и миозиновыми нитями и мышца остается в сокращенном состоянии.

Таким образом, мышца может нормально работать в достаточно узком диапазоне концентраций АТФ: от 0,4-0,5% до 0,25%. В действительности, как показали научные исследования, и этот диапазон используется не полностью.

Для поддержания концентрации АТФ при мышечной работе на достаточно высоком уровне в мышце имеются механизмы восполнения ее запасов (ресинтеза АТФ). Повышение работоспособности под влиянием систематической тренировки, сопровождающееся увеличением скорости расщепления АТФ при работе, обеспечивается совершенствованием процессов ресинтеза АТФ.