МЕТАБОЛИЗМ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ
В данной статье мы разберём обзорную работу, опубликованную австралийскими учёными в журнале Nature Metabolism, о метаболизме нагрузки в целом, а также о некоторых регуляторных механизмах, обеспечивающих восполнение запасов АТФ во время занятий спортом. Авторы статьи также останавливаются на обсуждении различных посредников, которые, как показывают эксперименты, могут регулировать метаболические ответы организма.
Наличие АТФ необходимо для сокращения мышц – это факт, известный, наверное, каждому. Принципиальная проблема для наших клеток заключается в том, что внутримышечных запасов АТФ ( ̴ 5 ммоль на килограмм мышц) мало – их хватило бы всего на несколько секунд сократительной активности. Так, во время максимальной нагрузки (например, спринта) при мощности в 900 Вт ( ̴ 300% от максимального потребления кислорода), оцениваемый расход АТФ составляет 3,7 ммоль на килограмм в секунду. Таким образом, запасов АТФ хватило бы лишь на 2 секунды такой нагрузки. При субмаксимальных нагрузках при мощности в 200 Вт ( ̴75% от МПК), соответствующее значение расхода АТФ составляет 0,4 ммоль на килограмм в секунду. При таких тратах подобная нагрузка может длиться всего 15 секунд.
Анаэробные энергетические пути имеют большую мощность (скорость производства АТФ), но меньшую ёмкость (общее количество произведенной АТФ), чем аэробные пути. В контексте окислительного метаболизма, окисление углеводов быстрее в плане производства АТФ, но обладает меньшей ёмкостью, чем окисление жиров – это один из основных факторов снижения мощности при снижении количества углеводов во время длительной нагрузки.
При очень интенсивных кратковременных нагрузках (например, метание, прыжки или забеги на 100-400 метров) или при смешанных типах нагрузки (например, в игровых видах спорта) большая часть АТФ производится при реакции распада креатинфосфата и гликогена до лактата. Прямые измерения креатинфосфата и гликогена в мышцах до, в течение и после нагрузки показывают значительное снижение уровня этих веществ (см. рисунок из статьи ниже).
Рисунок – энергетический метаболизм в мышцах во время интенсивной нагрузки. Вклад креатинфосфата (светло-зелёные области), гликолиза (зелёные области) и окислительного фосфорилирования (тёмно-зелёные) в уровень оборота АТФ во время максимальной нагрузки. Образцы мышечной ткани были взяты до и в течение 30 секунд максимальной нагрузки на велосипеде.
Если нагрузка длится более минуты (например, при беге на 800 метров), окислительное фосфорилирование становится главным путём производства АТФ, а внутримышечный гликоген – основным источником энергии.
Если нагрузка длится от нескольких минут до нескольких часов, то окислительный метаболизм углеводов и жиров обеспечивает почти все запросы в АТФ для сокращения скелетных мышц. Такие состязания как марафон или триатлон запрашивают очень много энергии, которая почти в полном объёме образуется в результате окисления углеводов. Основным субстратом, как внутримышечных, так и внеклеточным являются мышечный гликоген, глюкоза из крови (произведённая в результате гликогенолиза и глюконеогенеза в печени, а также от переваривания углеводов), а также жирные кислоты, получаемые как из мышц (внутримышечные триглицериды), так и из жировой ткани.
Рисунок – источники энергии для занятий спортом поступают как из мышечных клеток непосредственно, так и из межклеточной жидкости. На рисунке показаны основные источники углеводов и жиров в мышцах, жировой ткани и печени. Указана также и примерная потенциальная энергия, заключённая в этих веществах. СЖК – свободные жирные кислоты.
На рисунке ниже показаны относительные вклады этих субстратов в окислительный метаболизм. Этот вклад зависит от типа нагрузки - её интенсивности и продолжительности.
Рисунок – относительный вклад углеводов и жиров в энергообеспечение во время нагрузки. Так, у тренированных велосипедистов при возрастании нагрузки изменяется относительный вклад ресурсов в энергообеспечение. При более высокой интенсивности нагрузки увеличивается вклад углеводов, в особенности мышечного гликогена. СЖК – свободные жирные кислоты; кал – калории; МПК – максимальное потребление кислорода.
В целом, окисление углеводов преобладает при нагрузках сравнительно высокой интенсивности, тогда как окисление жиров при сравнительно низкой. Считается, что максимальный уровень окисления жиров достигается при интенсивности нагрузки в 60-65% от МПК. Окисление мышечного гликогена и внутримышечных жирных кислот достигает пика на ранних этапах нагрузки и постепенно снижается со временем. Важность окисления внутримышечных триглицеридов является вопросом дискуссионным – всё сводится к тому, что экспериментальные данные не дают однозначного ответа по данной проблеме. Возможно, процессы окисления внутримышечных триглицеридов сильно зависят от индивидуальных особенностей, тренировочного статуса, пола, типа мышечных волокон и запасов этих триглицеридов. Тем не менее, общий вывод авторов статьи такой – внутримышечные триглицериды не являются важным источником энергии во время занятий спортом у тренированных людей.
Отдельно упомянем лактат и его роль в ответах на нагрузку. Вместе с процессом окислительного фосфорилирования в клетках во время нагрузки также идёт и процесс гликолиза, результатом которого является выработка лактата, который накапливается в мышцах и крови. Исторически лактат рассматривался исключительно как продукт отхода, однако сейчас роль лактата установлена и в процессах глюконеогенеза, и окислительного фосфорилирования, и даже в регуляции экспрессии генов (об этом поговорим в следующих статьях).
Далее, авторы статьи подробно разбираются пути регуляции энергетического метаболизма при нагрузках разной интенсивности.
Интенсивная кратковременная нагрузка. При начале высокоинтенсивной кратковременной нагрузки, активируются все метаболические пути как аэробного, так и анаэробного метаболизма:
Скорость производства АТФ из анаэробных источников, креатинфосфата и анаэробного гликолиза гораздо выше, чем из аэробных путей. Креатинфосфата вообще является уникальным источником энергии, потому что при его реакции нужен всего один шаг, чтобы сделать АТФ (креатинфосфат + АДФ + Н+ → АТФ + креатин). Эту реакцию катализирует фермент креатинкиназа, которого в клетке очень много. Что касается гликолиза, то производство АТФ запускается в течение миллисекунд, а накопление лактата начинается даже после односекундного сокращения. Вклад АТФ от реакции с креатинфосфатом и гликолиза примерно равный после 6-10 секунд интенсивной нагрузки. Аэробное производство АТФ обеспечивает энергию для восстановления запасов креатинфосфата: его запасы могут быть восстановлены в течение 60-120 секунд. Такое быстрое восстановление очень важно, например, в смешанных видах спорта, где периоды умеренной нагрузки перемежаются с периодами интенсивной нагрузки. В покое количество креатинфосфата составляет примерно 75 ммоль на кг сухой массы мышц, а при нагрузке он расходуется в течение 10-15 секунд. Гликолитическая ёмкость выше примерно в три раза, а при нагрузке лимитирующим фактором выступают не запасы гликогена, а повышение кислотности внутри мышц. Метаболический ацидоз является следствием утилизации АТФ, гликолиза и токов ионов. Продукция АТФ аэробными путями также активируется во время интенсивной нагрузки: так, от 70 до 100% от МПК может быть достигнуто в течение 30-секундного спринта.
Аэробная нагрузка. Во всех типах нагрузки, где интенсивность находится ниже 100% от МПК, преобладают аэробные пути производства АТФ. У организма достаточно времени для активации ресурсов в виде жиров и углеводов. В первые 1-2 минуты после начала нагрузки организм всё ещё полагается на анаэробные пути производства энергии, но затем аэробный метаболизм выходит на первый план. Чтобы произвести достаточное количество АТФ, цепь переноса электронов в митохондриях нуждается в следующих субстратах: НАДФН, ФАДН2, свободный АДФ, неорганический фосфат и кислород. Дыхательная и сердечно-сосудистая системы обеспечивают доставку кислорода к сокращающимся мышцам, а продукты отхода (АДФ и неорганический фосфат) переносятся обратно в митохондрии для повторного синтеза АТФ.
При умеренной нагрузке с интенсивностью в 50-70% МПК, активизируется утилизации жиров и углеводов. Однако во время длительных забегов, характерных для Олимпийских стартов, интенсивность нагрузки выше – примерно 80-100% МПК. В таких условиях основным источником энергии выступают углеводы, а не жиры. Это прекрасно согласуется с теоретическими представлениями, так как эффективность получение энергии от углеводов примерно на 7% выше, чем от жиров. Почти каждый аспект производства энергии из углеводов устроен для наиболее быстрого получения АТФ. Углеводы – единственный источник энергии, который используется как для аэробной, так и для анаэробной продукции АТФ. Обе системы быстро активируются и переключаются при переходе от покоя к активности и от перехода с одной мощности на другую.
Какие-то альтернативные источники энергии, например, аминокислоты, ацетат, кетоны, не могут сравниться с углеводами в отношении темпов производства энергии, а также они не могут быть использованы для производства энергии анаэробными путями без кислорода.
Есть ли способы как-то управлять метаболизмом? Спортивные результаты зависят от множества факторов, но в конечном счёте основным ограничивающим моментом является накопление усталости. Наиболее устойчивые к усталости атлеты являются также и наиболее успешными. Усталость – результат взаимодействия ряда факторов и процессов, например, центральной нервной регуляции, нервно-мышечных функций и других тонких механизмов. Усталость проявляется в виде снижения силы или способности выдавать исходную мощность поперечно-полосатыми мышцами, а также невозможностью продолжать поддерживать необходимую интенсивность нагрузки. Основными методами выработки невосприимчивости (относительной, конечно) к усталости являются регулярные тренировки и питание, а также их взаимодействие. Авторы статьи коротко обозревают возможные способы развития (в том числе в виде эргогенных посредников) толерантности к усталости. Мы коротко разберём некоторые из них – наименее тривиальные, но начнём с тренировок.
Регулярные физические тренировки вызывают изменения в метаболизме и морфологии мышц, которые улучшают возможность сопротивляться усталости. Высокоинтенсивные интервальные тренировки повышают ёмкость анаэробной системы энергообеспечения, повышают толерантность к метаболическому ацидозу, а также буферную ёмкость мышц. Тренировки также ведут к увеличению плотности митохондрий в мышцах, что снижает утилизацию углеводов, производство лактата, повышает окисление жиров и улучшает спортивные показатели. Способность лучше окислять углеводы ведёт к способности дольше поддерживать заданную мощность и повышению силовых показателей.
Алкалоз (увеличение рН крови). При распаде АТФ, креатинфосфата и гликогена в сокращающихся мышцах во время нагрузки наблюдается повышения уровня магния, АДФ и неорганического фосфата, а также лактата и ионов водорода. Всё это связывают с накопление усталости. Особую роль в усталости занимает ацидоз (снижение рН крови). Повышение концентрации ионов водорода связывают со снижением силы сокращения мышц и мощности. У людей ацидоз, судя по данным, не приводит к снижению максимальной изометрической силы, но снижает способность поддерживать субмаксимальное производство силы. Приём бикарбоната, который снижает метаболический ацидоз, улучшает показатели высокоинтенсивных нагрузок. Приём бета-аланина повышает содержание карнозина в мышцах и улучшает буферную ёмкость мышц.
Антиоксиданты. Во время нагрузки, активные формы кислорода (АФК), такие как анионы супероксида, перекись водорода и гидроксильные радикалы, имеют важные роли в качестве сигнальных молекул, регулирующие немедленные и хроническая ответы на нагрузку. Однако накопление АФК может негативно повлиять на мышечную силу и производство энергии, а также вызывать усталость. Физические упражнения повышают уровень антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы и других). Неферментативные антиоксиданты (восстановленные глутатион, β-каротин и витамины C и E) могут тормозить отрицательные эффекты АФК. Точно неизвестно, могут ли диетические антиоксидантные добавки улучшать спортивные показатели, хотя прием N-ацетилцистеина увеличивает окислительную способность мышц и снижает мышечную усталость при длительных нагрузках.
Гипертермия. Большая часть энергии, генерируемой метаболизмом, высвобождается как тепло, которое рассеивается за счет испарения пота и других механизмов терморегуляции. Когда скорость производства тепла высока, например, во время физических упражнений, или потеря тепла недостаточна вследствие, например, повышенной температуры или влажности, гипертермия может ухудшить спортивные результаты за счет воздействия на центральные нервные процессы, сердечно-сосудистые функции, метаболизм и функцию мышц. Стратегии минимизации отрицательных эффектов гипертермии на метаболизм мышц и производительность включают акклиматизацию, охлаждение перед тренировкой и обильный приём жидкости.
Источник:
1. Hargreaves, M., Spriet, L.L. Skeletal muscle energy metabolism during exercise. Nat Metab (2020). https://doi.org/10.1038/s42255-020-0251-4