Energetyka skurczu mięśnia i wysiłku

MC_OMEN

Energia potrzebna do pracy mięśnia pochodzi z reakcji chemicznych zachodzących w komórkach podczas skurczu.
Zdolnośd przekształcania energii chemicznej w mechaniczną jest wyjątkową właściwością żywych organizmów. Mięsieo
człowieka jest swego rodzaju silnikiem mechanochemicznym, niemającym sobie podobnych. Energia uzyskiwana w
wyniku spalania pokarmów w organizmie nie jest uwalniana nagle w temperaturze „zapłonu”, tak jak w silniku
spalinowym, gdyż w przeciwieostwie do niego, komórki człowieka nie mają zdolności wykorzystania energii cieplnej.
Energia chemiczna skumulowana w wiązaniach cząsteczek węglowodanów, tłuszczów i białek jest uwalniania w
niewielkich ilościach podczas reakcji kontrolowanych enzymatycznie, które zachodzą w środowisku wodnym komórki
przy stosunkowo niskich temperaturach. To dośd powolne wyzwalanie energii zmniejsza straty w postad ciepła i zwiększa
sprawnośd mechanizmów w jej przekształcaniu.
Większośd energii chemicznej jest zużywana do skurczu mięśni, pozostałą ilośd mięsieo wykorzystuje w czasie relaksacji
(rozkurczu). Aktywacja procesów energetycznych zachodząca w cytoplazmie i mitochondriach zostaje zapoczątkowana
prze jony wapnia uwolnione z siateczki sarkoplazmatycznej. Wzrost stężenia tych jonów w cytoplazmie aktywuje enzym

ATP-azę miofibrylną, który katalizuje rozkład ATP, dzięki czemu zwiększa się ilośd ADP i

i zmniejsza stosunek

[ ]

[ ] [

]

.

Zmiana tej zależności uruchamia metaboliczne mechanizmy regulacyjne, które na drodze sprzężenia zwrotnego aktywują
procesy prowadzące do resyntezy ATP.

Adenozyno trójfosforan (ATP) jest to związek mający wysokoenergetycznie wiązania fosforanowe. Kiedy ostatnia grupa
fosforowa zostaje odczepiona powstaje adenozynodifosforan (ADP) i fosforan nieorganiczny (

) i jednocześnie jest

uwalniana energia. Wiąże się to z tym, że rozdzielone cząsteczki ADP i fosforanu charakteryzuje znacznie mniejsza
energia sumaryczna niż cząsteczkę ATP, ponieważ rozpad ostatniego wiązania fosforanowego umożliwia takie
przemieszczenie się elektronów, że zajmują one znacznie niższe poziomy energetyczne. ATP jest zatem uważany za
bezpośrednie źródło energii, chociaż jego ilośd zmagazynowana w naszym organizmie to zaledwie 80=100 g, co
wystarcza jedynie na kilka skurczów maksymalnych. Energia uwolniona z rozpadu ATP jest zużywana do syntezy
składników komórkowych, aktywnego transportu i pracy mechanicznej

→

Ze względu na niewielką ilośd zmagazynowanego ATP oraz brak możliwości dostarczania go przez krew czy z innych
tkanek związek ten musi byd ciągle poddawany resyntezie z szybkością dostosowaną do wielkości jego wykorzystywania.
W przeciwnym razie mięsieo nie byłby w stanie kontynuowad pracy przez czas dłuższy niż kilka skurczów. Dzięki
natychmiastowej resyntezie ATP ( ułamki sekundy) spadek jego zawartości w komórce mięśniowej jest niewielki (do 30%
wartości początkowej) nawet podczas bardzo intensywnych wysiłków fizycznych. Poza utrzymywaniem odpowiedniego
poziomu ATP duże znaczenie dla zachowania zdolności i do kontynuowania skurczów mięśnia ma zapobieganie dużym

zmianom stosunku

[ ]

[

]

, ponieważ np. zmniejszanie jego wartości może hamowad aktywnośd ATP-azy miofibrynalnej.

Szacuje się, że przeciętna osoba każdego dnia zużywa ATP w ilości równej 75% masy ciała. Podczas wysiłku, w którym
wydatek energetyczny jest o mniej więcej 15 razy większy niż w spoczynku (np. w czasie biegu maratooskiego), zużycie
ATP może sięgad nawet 80kg.

Resynteza ATP odbywa się na drodze beztlenowej z fosfokreatyny, a następnie z glukozy we krwi lub glikogenu
zmagazynowanego w mięśniach, również na drodze beztlenowej. Aby móc kontynuowad skurcz mięśnia w czasie
dłuższym niż kilka minut, energia musi byd już dostarczana na drodze metabolizmu tlenowego, którego substratami są
węglowodany, tłuszcze i w niewielkiej ilości białka.

Chociaż głównymi źródłami energii chemicznej niezbędnej do resyntezy ATP są węglowodany i tłuszcze, pewna jej ilośd
jest generowana (nagle i bez użycia tlenu) z innego wysokoenergetycznego związku, jakim jest fosfokreatyna (PC).
Zawartośd PC w komórce mięśniowej jest 4-6 razy większa niż ATP, tak więc można ją uznad za swego rodzaju magazyn
wysoko energetycznych fosforanów. Energia pochodząca z rozkładu PC ma ogromne znaczenie podczas przechodzenia
organizmu z niskiego do wysokiego zapotrzebowania energetycznego, jak ma to miejsce np. na początku wysiłku kiedy
popyt na energię jest większy niż jej ilośd uzyskana z rozpadu zmagazynowanych składników energetycznych.

Podobieostwo PC do ATP polega na tym, że również w przypadku fosfokreatyny duża ilośd swobodnej energii jest
uwalniana, gdy następuje odłączenie od niej fosforanu, w wyniku czego powstaje kreatyna i fosforan nieorganiczny.
Fosfokreatyna musi byd regenerowana z wolnej kreatyny kosztem ATP wytwarzanego w wyniku oksydatywnej
fosforylacji.

Fosforylacja to przekazywanie energii przez wiązania fosforanowe na związki o stosunkowo niskiej energii. Potrzebna do
tego energia jest pozyskiwana z utleniania składników pokarmowych.

Adenozynodifosforan może byd fosforylowane nawet w warunkach beztlenowych. Dzieje się to za sprawą glikolizy
beztlenowej, która polega na rozpadzie glikogenu do kwasu pirogronowego i kwasu mlekowego. Proces ten nie wymaga
obecności tlenu i zachodzi – podobnie jak rozkład fosfokreatyny – w cytoplazmie, skąd jest aktywowany prawie
natychmiast po rozpoczęciu wysiłku fizycznego. Uwolniona na tej drodze energia jest wykorzystywana do przekształcenia
ADP w ATP, który może już bezpośrednio dostarczydenergii do skurczu mięśnia lub odbudowy zapasów fosfokreatyny.
Znaczenie glikolizy beztlenowej jest podwójne. Po pierwsze, skurcz mięśniach może byd utrzymywany nawet wówczas,
gdy dostępnośd tlenu jest ograniczona. Po drugie, odtwarzanie ATP w procesie glikolizy jest około półtora raza szybsze w
porównaniu z szybkością wykorzystania tlenu. Niestety, wiele produktów glikolizy beztlenowej gromadzi się w komórce
mięśniowej i dlatego przy wykorzystaniu jej jako jedynego źródła energii maksymalny skurcz mięśniowych może byd
utrzymywane tylko przez mniej więcej minutę. Mięsieo szkieletowy nie jest zatem biochemicznie przystosowany do
pracy ciągłej, a w warunkach beztlenowych może intensywnie pracowad zaledwie przez krótki czas.

Proces

Maksymalna ilość ATP możliwa

do uzyskania [mmol]

Maksymalne tempo syntezy ATP

[mmol/min]

Rozkład fosfokreatyny

600

3600

Glikoliza

1200

1600

Fosforylacja oksydatywna

Nieskooczona

1000

Energia uwalniana w wyniku rozbijania wiązao chemicznych jest w znacznej części zachowywana w nowych wiązaniach
chemicznych; tracona przez jedną cząsteczkę może byd częściowo przeniesiona na chemiczne struktury innej. Idealnym
przenośnikiem energii jest ATP. Z jednej strony gromadzi on w wiązaniach fosforowych ogromną jej ilośd pochodzącą z
cząsteczek pożywienia, a z drugiej – jest gotowy natychmiast przenieśd ją na inne związki, podnosząc je w ten sposób na
wyższy poziom energetyczny