19.5: Деяка м'язова хімія
- Page ID
- 20253
- Опишіть, як відбувається скорочення м'язів.
- Поясніть різницю між аеробними і анаеробними вправами.
М'язові клітини спеціалізуються на скороченні. М'язи дозволяють здійснювати такі рухи, як ходьба, а також полегшують тілесні процеси, такі як дихання та травлення. Тіло містить три типи м'язової тканини: скелетна мускулатура, серцевий м'яз і гладком'язова (рис.\(\PageIndex{1}\)).
Скелетна м'язова тканина утворює скелетні м'язи, які прикріплюються до кісток або шкіри і контролюють локомоцію і будь-який рух, який можна свідомо контролювати. Оскільки його можна контролювати думкою, скелетні м'язи також називають добровільними м'язами. Гладка м'язова тканина виникає в стінках порожнистих органів, таких як кишечник, шлунок та сечовий міхур, а також навколо таких проходів, як дихальні шляхи та кровоносні судини. Серцева м'язова тканина знаходиться тільки в серці, а серцеві скорочення перекачують кров по всьому тілу і підтримують артеріальний тиск.
скорочення м'язів
Скорочення м'язів відбувається, коли м'язові волокна стають коротшими. Буквально м'язові волокна набувають менше в розмірах. Щоб зрозуміти, як це відбувається, потрібно більше знати про будову м'язових волокон.
Будова м'язових волокон
Кожне м'язове волокно містить сотні органел, званих міофібрилами. Кожна міофібрила складається з двох типів білкових ниток: актинових ниток, які тонше, і міозинових ниток, які товщі. Актинові нитки закріплені на структурах, званих лініями Z (рис. 13.13.2). Область між двома лініями Z називається саркомер. Усередині саркомера нитки міозину перекривають актинові нитки. Нитки міозину мають крихітні структури, звані поперечними мостами, які можуть приєднуватися до актинових ниток.
Теорія ковзної нитки
Найбільш широко прийнята теорія, що пояснює, як скорочуються м'язові волокна, називається теорією ковзної нитки. Згідно з цією теорією, міозинові нитки використовують енергію від АТФ, щоб «ходити» по актинових нитках своїми перехресними мостами. Це тягне актинові нитки ближче один до одного. Рух актинових ниток також тягне лінії Z ближче один до одного, тим самим скорочуючи саркомер.
Коли всі саркомери в м'язовому волокні скорочуються, волокно скорочується. М'язове волокно або стискається повністю, або він взагалі не скорочується. Кількість волокон, які скорочуються, визначає силу м'язової сили. Коли одночасно стискається більше волокон, сила більша.
М'язи і нерви
М'язи не можуть скорочуватися самостійно. Їм потрібен стимул від нервової клітини, щоб «сказати» їм скорочуватися. Припустимо, ви вирішили підняти руку на заняттях. Ваш мозок надсилає електричні повідомлення нервовим клітинам, званим руховими нейронами, у вашій руці та плечі. Рухові нейрони, в свою чергу, стимулюють м'язові волокна в руці та плечі скорочуватися, змушуючи руку підніматися. Мимовільні скорочення серцевої і гладкої мускулатури також контролюються нервами.
Енергія для скорочення м'язів: АТФ
Джерелом енергії, яка використовується для живлення руху скорочення в працюючих м'язах, є аденозинтрифосфат (АТФ) — біохімічний спосіб організму накопичувати та транспортувати енергію. АТФ забезпечує енергію для формування поперечного моста та ковзання нитки. Однак АТФ в значній мірі не зберігається в клітині.
Всі м'язові клітини мають трохи АТФ всередині них, що вони можуть використовувати негайно - але достатньо, щоб тривати близько 3 секунд!
Отже, як тільки починається скорочення м'язів, виготовлення більше АТФ має початися швидко. Оскільки АТФ настільки важливий, м'язові клітини мають кілька різних способів його виготовлення. Ці системи працюють разом поетапно. Три біохімічні системи для виробництва АТФ, по порядку:
- Креатинфосфат може забезпечити енергетичні потреби працюючої м'язи з дуже високою швидкістю, але лише близько 8-10 секунд.
- Потім глікоген використовується для виготовлення АТФ з глюкози. Але це займає близько 12 хімічних реакцій, тому він постачає енергію повільніше, ніж з креатинфосфату. Це все ще досить швидко, хоча, і буде виробляти достатньо енергії, щоб тривати близько 90 секунд. Кисень не потрібен — це здорово, тому що серцю і легеням потрібно деякий час, щоб отримати посилене надходження кисню до м'язів. Побічним продуктом приготування АТФ без використання кисню є молочна кислота. Ви знаєте, коли ваші м'язи нарощують молочну кислоту, тому що це викликає втому і хворобливість - стібок.
- Протягом двох хвилин фізичного навантаження організм починає постачати працюючі м'язи киснем. Коли присутній кисень, може відбутися аеробне дихання, щоб розщепити глюкозу для АТФ. Ця глюкоза може надходити з декількох місць:
- залишок глюкози в м'язових клітині
- глюкоза з їжі в кишечнику
- глікоген в печінці
- запаси жиру в м'язах
- в крайніх випадках (як голодування) білок організму.
Аеробне дихання вимагає ще більше хімічних реакцій для вироблення АТФ, ніж будь-яка з двох вищезазначених систем. Це найповільніша з усіх трьох систем - але вона може подавати АТФ протягом декількох годин або довше, поки триває подача палива.
Аеробні вправи: багато кисню
Аеробні вправи (також відомі як кардіо) - це фізичні вправи низької до високої інтенсивності, що залежить в першу чергу від аеробного енергогенеруючого процесу. Аеробні буквально означає «пов'язані з, за участю або вимагають вільного кисню», і відноситься до використання кисню для адекватного задоволення енергетичних потреб під час фізичних вправ. Як правило, заходи легкої та середньої інтенсивності, які достатньо підтримуються аеробним метаболізмом, можуть виконуватися протягом тривалого періоду часу. Коли практикуються таким чином, прикладами серцево-судинних/аеробних вправ є біг/біг на середні та великі відстані, плавання, їзда на велосипеді та ходьба, згідно з першим великим дослідженням аеробних вправ, проведеним у 1960-х роках на понад 5000 співробітників ВПС США д-ром Кеннетом Купером.
Кардіо
Кеннет Купер був першою людиною, яка представила концепцію аеробних вправ. У 1960-х роках Купер почав дослідження профілактичної медицини. Його заінтригувала віра в те, що фізичні вправи можуть зберегти своє здоров'я. У 1970 році створив власний інститут (Інститут Купера) для некомерційних досліджень і освіти, присвячених профілактичній медицині. Він викликав мільйони, щоб стати активним і тепер відомий як «батько аеробіки».
Те, що зазвичай називають аеробними вправами, можна краще назвати «виключно аеробним», оскільки він призначений для низької інтенсивності достатньо, щоб не генерувати лактат (або молочну кислоту), так що всі вуглеводи аеробно перетворюються на енергію.
Спочатку під час посиленого навантаження м'язовий глікоген розщеплюється для отримання глюкози, яка піддається гліколізу, виробляючи піруват (рис.\(\PageIndex{4}\)), який потім реагує з киснем (цикл Кребса, Хеміосмос) для отримання вуглекислого газу та води та вивільняє енергію. Оскільки рівень глікогену в м'язі починає падати, глюкоза виділяється в кров печінкою, а жировий обмін збільшується, щоб він міг підживлювати аеробні шляхи. Аеробні вправи можуть підживлюватися запасами глікогену, запасами жиру або комбінацією обох, залежно від інтенсивності.
Аеробні вправи містять незліченну кількість форм. В цілому вона виконується при помірному рівні інтенсивності протягом відносно тривалого періоду часу. Наприклад, біг на велику дистанцію в помірному темпі - це аеробне вправу, а спринт - ні. Гра в одиночний теніс, з майже безперервним рухом, як правило, вважається аеробною діяльністю, в той час як гольф або дві людини командний теніс, з короткими сплесками активності, що перемежовуються більш частими перервами, не може бути переважно аеробним. Деякі види спорту, таким чином, за своєю суттю «аеробні», тоді як інші аеробні вправи, такі як тренування фартлек або заняття аеробними танцями, розроблені спеціально для поліпшення аеробної здатності та фітнесу. Найчастіше аеробні вправи задіюють м'язи ніг, в першу чергу або виключно. Є деякі винятки. Наприклад, веслування на відстані 2000 м і більше - це аеробний вид спорту, який здійснює кілька основних груп м'язів, включаючи групи ніг, черевного преса, грудей та рук. Загальні вправи з гирі поєднують в собі аеробні та анаеробні аспекти.
Анаеробні вправи і кисневий борг
Анаеробні вправи - вид вправ, що розщеплює глюкозу в організмі без використання кисню; анаеробні засоби «без кисню». У практичному плані це означає, що анаеробні вправи є більш інтенсивними, але коротшими за тривалістю, ніж аеробні вправи. Біохімія анаеробних вправ включає в себе процес, званий гліколізом, в якому глюкоза перетворюється в аденозинтрифосфат (АТФ), який є основним джерелом енергії для клітинних Реакції.Молочна кислота виробляється з підвищеною швидкістю під час анаеробних вправ, в результаті чого вона швидко нарощується (рис.\(\PageIndex{5}\)). Анаеробні вправи можуть бути використані, щоб допомогти побудувати витривалість, м'язову силу та потужність.
Побічний продукт анаеробного гліколізу-лактату - традиційно вважається згубним для м'язової функції. Однак це з'являється імовірно лише тоді, коли рівень лактату дуже високий. Підвищений рівень лактату - це лише одна з багатьох змін, які відбуваються всередині та навколо м'язових клітин під час інтенсивних фізичних вправ, які можуть призвести до втоми. Втома, тобто м'язова недостатність, є складним предметом, який залежить не лише від зміни концентрації лактату. Енергодоступність, доставка кисню, сприйняття болю та інші психологічні фактори - все це сприяє м'язової втоми. Підвищені концентрації лактату в м'язах і крові є природним наслідком будь-яких фізичних навантажень. Ефективність анаеробної активності можна підвищити за допомогою тренувань.
Анаеробні вправи також збільшує основний метаболізм людини (BMR). Деякі приклади анаеробних вправ включають спринти, високоінтенсивні інтервальні тренування (HIIT) та силові тренування.
Молочна кислота може бути перетворена назад в піруват в добре насичених киснем м'язових клітин; однак, під час фізичних вправ зосередитися на підтримці м'язової активності. Молочна кислота транспортується в печінку, де вона може зберігатися до перетворення в глюкозу в присутності кисню через цикл Корі. Кількість кисню, необхідне для відновлення молочнокислотного балансу, часто називають кисневим боргом.
Анаеробний метаболізм відбувається в цитозолі м'язових клітин. Як видно на малюнку\(\PageIndex{6}\), невелика кількість АТФ виробляється в цитозолі без присутності кисню. Анаеробний метаболізм використовує глюкозу як єдине джерело палива і виробляє піруват і молочну кислоту. Піруват потім можна використовувати як паливо для аеробного обміну речовин. Аеробний обмін речовин відбувається в мітохондріях клітини і здатний використовувати вуглеводи, білок або жир в якості свого джерела палива. Аеробний метаболізм є набагато повільнішим процесом, ніж анаеробний метаболізм, але виробляє більшість АТФ.
Різні форми вправ використовують різні системи для виробництва АТФ
Спринтер отримує ATP зовсім по-іншому, ніж марафонський бігун.
- Використання креатину фосфату - Це буде основна система, яка використовується для коротких сплесків (важкоатлетів або короткої відстані спринтерів), тому що це швидко, але триває лише 8-10 секунд.
- Використання глікогену (без кисню) - Це триває 1.3-1.6 хвилин, тому це буде система, яка використовується в таких подіях, як заплив 100 метрів або пробіг 200 м або 400 м.
- Використання аеробного дихання - Це триває необмежений час, тому це система, яка використовується в заходах на витривалість, таких як марафонський біг, веслування, дистанційне катання тощо.
Джерела палива для аеробного та анаеробного метаболізму
Джерела палива для анаеробного та аеробного обміну будуть змінюватися залежно від кількості наявних поживних речовин та типу обміну речовин. Глюкоза може надходити з глюкози в крові (яка є з харчових вуглеводів або синтезу глікогену печінки та глюкози) або м'язового глікогену. Глюкоза є основним джерелом енергії як для анаеробного, так і аеробного обміну речовин. Жирні кислоти зберігаються як тригліцериди в м'язах, але близько 90% накопиченої енергії знаходиться в жировій тканині. Оскільки фізичні вправи низької та помірної інтенсивності продовжують використовувати аеробний обмін, жирні кислоти стають переважним джерелом палива для м'язів, що здійснюють. Хоча білок не вважається основним джерелом енергії, невелика кількість амінокислот використовується під час відпочинку або занять. Кількість амінокислот, що використовуються для енергетичного обміну, збільшується, якщо загальне споживання енергії з вашого раціону не відповідає потребам в поживних речовині або якщо ви займаєтеся тривалими вправами на витривалість.
Інтенсивність фізичної активності та використання палива
Інтенсивність вправ визначає внесок типу джерела палива, використовуваного для виробництва АТФ (див. Рис.\(\PageIndex{8}\)). Як анаеробний, так і аеробний метаболізм поєднуються під час фізичних вправ, щоб забезпечити м'язи достатньою кількістю АТФ для виконання вимог, що пред'являються до них. Розмір внеску від кожного виду метаболізму буде залежати від інтенсивності діяльності. При виконанні малоінтенсивних занять використовується аеробний метаболізм для постачання м'язів достатньої кількості АТФ. Однак під час високоінтенсивних занять потрібно більше АТФ, тому м'язи повинні покладатися як на анаеробний, так і аеробний метаболізм, щоб задовольнити потреби організму.
Під час занять низькою інтенсивністю організм буде використовувати аеробний метаболізм над анаеробним метаболізмом, оскільки він є більш ефективним, виробляючи більшу кількість АТФ. Жирні кислоти є основним джерелом енергії під час малоінтенсивної активності. При наявності жирових запасів в організмі практично необмежені, малоінтенсивні заняття здатні тривати протягом тривалого часу. Поряд з жирними кислотами використовується і невелика кількість глюкози. Глюкоза відрізняється від жирних кислот, де можуть виснажуватися сховища глікогену. Оскільки запаси глікогену виснажуються, втома врешті-решт настане.
Малюнок\(\PageIndex{8}\): Вплив інтенсивності вправ на джерела палива.
Резюме
- Тіло містить три типи м'язової тканини: скелетна мускулатура, серцевий м'яз і гладка мускулатура. Скелетна м'язова тканина складається з саркомеров, функціональних одиниць м'язової тканини.
- Скорочення м'язів відбувається, коли саркомери скорочуються, оскільки товсті і тонкі нитки ковзають один за одного, що називається ковзною ниткою моделі скорочення м'язів.
- АТФ забезпечує енергію для формування поперечного моста та ковзання нитки.
- Аеробні вправи (також відомі як кардіо) - це фізичні вправи низької та високої інтенсивності, які залежать насамперед від аеробного енергогенеруючого процесу (аеробний метаболізм). Аеробний відноситься до використання кисню для адекватного задоволення енергетичних потреб під час фізичних вправ.
- Анаеробні вправи - це фізичні вправи, досить інтенсивні, щоб не вистачало кисню. При нестачі кисню (анаеробні вправи, вибухові рухи) вуглевод витрачається швидше і піруват перетворюється в лактат за допомогою анаеробного процесу.
- Інтенсивність вправ визначає внесок типу джерела палива, що використовується для виробництва СПС
Дописувачі
- General Biology OpenSTAX
- Template:ContribUofHawaiiNutrition
- Libretexts: Chemistry for Allied Health (Soult)
- Libretexts: Introductory Biology (CK-12)
- Wikipedia
- Anatomy and Physiology (Boundless)
- Template:ContribAgnewM