Мышечная усталость и митохондриальное дыхание
Мышечная усталость и митохондриальное дыхание
Источник:
«Спортивная энциклопедия систем жизнеобеспечения».
Редактор: Жуков А.Д. Изд.: Юнеско, 2011 год.
Быстрое снижение выносливости скелетной мышцы происходит при 15—20% от максимального самопроизвольного сокращения как при продолжительных изометрических, так и при динамических упражнениях. Мышца или группа мышц может уставать из-за нарушений в одном или всех нейромышечных механизмах, вовлеченных в мышечное сокращение. Кислород и другие вещества в итоге оказываются в митохондриях мышц. Структурное ограничение для переноса углеводов и жиров из капилляров в мышечные клетки достигается при работе умеренной интенсивности (т.е. меньше, чем 50% от V02 макс). Это ограничение имеет место на уровне сарколеммы. При работе это максимальное значение превышается, и для окисления используются внутриклеточные запасы веществ. Поэтому не удивительно, что в организме спортсменов и продолжительно тренирующихся людей встречаются большие по размеру углеводы внутри мышечных клеток и запасы липидов. Уменьшение внутриклеточных запасов энергии замедляет обмен веществ в мышцах и вызывает их сокращение, что приводит к развитию усталости в мышцах.
В период отдыха запасы веществ восполняются с небольшой скоростью и откладываются внутри клетки. После достаточного периода восстановления метаболическое топливо снова доступно для митохондрий для аэробной работы высокой интенсивности.
Было показано, что воздействие свободными радикалами на мышцы усиливает усталость. Изнуряющие упражнения повышают образование ВРЧК в скелетных мышцах, что также связано с меньшим уровнем митохондриального дыхания. Биохимические изменения, наблюдаемые в уставшей мышце in vivo. такие как повышенное образование продуктов перекисного окисления тиобарбитуровой кислоты и окисление GSH, несомненно, указывают на окислительный стресс.
Неспецифические антиоксиданты, используемые для проверки участия ВРЧК в развитии усталости, дали неоднозначные результаты. Однако N-ацетилцистеин (NAC), антиоксидант тиольной группы, откладывает развитие усталости, не влияя на сокращаемость неуставшей мышцы. Таким образом, антиоксиданты могут использоваться в терапии для замедления развития усталости и улучшения выполнения упражнения.
Источники свободных радикалов в скелетной мышце
Основное образование радикалов в скелетной мышце происходит в митохондриях. Человек со средней активностью потребляет около 22 моль кислорода в день. Приблизительно подсчитано, что около 1~3% потребленного кислорода не проходит нормальный метаболический путь до воды и других веществ, а превращается в ВРЧК. ВРЧК образуются в электрон-транспортной цепи митохондрий посредством одновалентного восстановления О2. Это приводит к образованию радикалов супероксида, первой ступени в образовании ВРЧК, и затем радикалы супероксида превращаются в различного вида реакционноспособные формы кислорода разнообразными путями. Уровень образования супероксида прямо пропорционален уровню потребления кислорода митохондриями. При состоянии метаболического стресса, например, при ишемической реперфузии и тяжелых физических нагрузках, которые связаны с повышенным потреблением кислорода, давление электронов в электрон-транспортной цепи возрастает, а активность цитохромоксидазы снижается, что приводит к потребности в альтернативном акцепторе кислорода, таком как кофермент Q (КоQ). Семиквинон - это основное самоокисляющееся вещество в митохондриях, которое получается унивалентным восстановлением из KoQ с помощью электрона из НАД Н или сукцината в присутствии НАД H-KoQ-редуктазы и сукцинатде-гидрогеназы. С помощью результатов спектроскопии и электронного парамагнитного резонанса было показано, что супероксид формируется из KoQ семиквинона в условиях опыта, при которых субмитохондриаль-ная электрон-транспортная цепь полностью блокируется ингибиторами, которые взаимодействуют с окислителем феррицитохром Ь-566. Другие сайты образования супероксида в дыхательной цепи находятся внутри НАД Н-дегидрогеназы между сайтом, чувствительным к ртути, и сайтом, чувствительным к ротенону; вероятна негемная железосерная функция.
Кровоток в мышцах возрастает экспоненциально метаболизму. Высокореакционноспособные частицы кислорода из сосудов могут играть очень важную роль при физических нагрузках. Ксантиндегидрогена-за, находящаяся в эндотелиальных клетках большинства тканей, включая мышечную, является важным ферментом деградации продуктов обмена пурина. Ксантиндегидрогена-за использует НАД+ как акцептор электрона. В состоянии метаболического стресса из-за протеолитической активности и окисления сульфгидрильных групп ксантиндегидрогеназа превращается в ксантиноксидазу, которая использует молекулы кислорода в качестве акцепторов электрона и образует супероксид. Сосудистый эндотелий скелетных мышц богат ксантиндегидрогеназой. Этот фермент в анаэробных условиях может превращаться в ксантиноксидазу. Активность ксантинок-сидазы - это важный источник ВРЧК в мышцах. Свой вклад в это изменение вносят и активированные нейтрофилы.
Повышенная активность ксантиноксидазы в капиллярной стенке в мышцах и в лейкоцитах, мигрирующих в мышцы, способствует образованию ВРЧК во время физической нагрузки, особенно эксцентрического типа. Установлено, что при ишемической реперфузии образуется избыточное количество ВРЧК за счет активности ксантиноксидазы. Скелетная мышца подвержена частичной ишемии и реперфузии при тяжелой физической нагрузке.
Экстремальные физические упражнения вызывают иммунный ответ на экстремальное воздействие, характеризующийся активацией и мобилизацией нейтрофилов, что приводит, например, к ишемии и реперфузии. При тяжелых физических нагрузках, особенно при эксцентрической нагрузке, нейтрофилы мигрируют к месту повреждения в мышцах. Активированные нейтрофилы накапливаются в месте повреждения и фагоцитируют клеточные фрагменты и микроорганизмы с помощью протеолитических ферментов и ВРЧК. При окислительном взрыве активированные нейтрофилы и другие фагоциты образуют супероксид в избытке с помощью НАДФ Н-оксидазы. Избыток супероксида далее превращается в сильные физиологические окислители, такие как перекись водорода и гидрохлорид. ВРЧК, формирующиеся при окислительном взрыве, способствуют уничтожению патогенов и залечиванию ран. В определенных условиях, например, при физической нагрузке, ВРЧК, образованные при окислительном взрыве, могут также вызывать окислительное поражение клеток организма.
В скелетных мышцах экспрессируется конститутивная синтаза окиси азота (NOS) и образуется NO, который изменяет сосудистый контроль, потребление глюкозы, потребление кислорода митохондриями, метаболизм циклических нуклеотидов и сокращающую функцию скелетных мышц. NOS активность заметна в разнообразных бедренных и дыхательных мышцах и значительно отличается в разных мышцах. Без внешнего воздействия скелетная мышца крысы экспрессирует или нейронный NOS, или эндотелиальный, или оба.
NO может влиять на сокращение мышц, которое сильно зависит от окислительного метаболизма. Недавние исследования показали, что ингибиторы N0 усиливают, а доноры NO уменьшают сокращение скелетной мышцы. Уровень активности NOS в различных мышцах зависит от их способности к сокращению. Однако предполагают, что эндогенный NO необходим для оптимального функционирования мышечных филаментов при активном укорачивании. NO выборочно способствует отделению медленно сокращающихся популяции мышечных волокон. Такое действие могло бы минимизировать внутреннее давление, против которого мышцы сокращаются, увеличивая таким образом как скорость, так и вырабатываемую силу.
Концевая пластинка скелетных мышц очень богата митохондриями. Они обладают активным аэробным обменом. При хронической перегрузке камбаловидной мышцы окислительная активность ферментов выборочно повышается в двигательных концевых пластинках. Двигательные концевые пластинки быстро сокращающихся мышц богаты NOS нейтрального типа. N0 взаимодействует с супероксидом, образуя пероксинитрит, который очень токсичен для нервов и действует на соковые цепи цистеина и тирозина в белках. Таким образом, можно считать, что нервно-мышечные соединения - это места, в которых происходит значительная часть образования свободных радикалов в скелетной мышце. Недавно было обнаружено, что N0 может образовываться без ферментов в результате реакции между аргинином и Н202.
Кроме того, N0 может также тормозить дыхание за счет прямого подавления цитохромов или контролировать другие физиологические функции, которые регулируются митохондриальным высвобождением Са++, следующим за ингибированием цитохрома. Было показано, что N0 и доноры N0 непосредственно влияют на потребление кислорода в интактной скелетной мышце и подавляют функционирование митохондрий. Такое ингибирование может блокироваться предварительной обработкой ингибиторами NOS. Поскольку свободные радикалы кислорода могут способствовать развитию усталости, быстрая инактивация радикалов супероксида из митохондрий с помощью N0 может выполнять защитную роль.
