ATP:n lähteet
ATP:n avulla lihassupistus saa energiaa. Sen lisäksi, että ATP:llä on suora rooli ristisiltasyklissä, se tuottaa energiaa myös SR:n aktiivisen kuljetuksen Ca++-pumpuille. Lihassupistusta ei tapahdu ilman riittävää määrää ATP:tä. Lihakseen varastoituneen ATP:n määrä on hyvin vähäinen, ja se riittää vain muutaman sekunnin kestäviin supistuksiin. Koska ATP hajoaa, se on siksi regeneroitava ja korvattava nopeasti, jotta supistuminen voi jatkua. On olemassa kolme mekanismia, joilla ATP:tä voidaan regeneroida: kreatiinifosfaattiaineenvaihdunta, anaerobinen glykolyysi, käyminen ja aerobinen hengitys.
Kreatiinifosfaatti on molekyyli, joka voi varastoida energiaa fosfaattisidoksiinsa. Levossa olevassa lihaksessa ylimääräinen ATP siirtää energiansa kreatiiniin, jolloin syntyy ADP:tä ja kreatiinifosfaattia. Tämä toimii energiavarastona, jota voidaan käyttää nopeasti luomaan lisää ATP:tä. Kun lihas alkaa supistua ja tarvitsee energiaa, kreatiinifosfaatti siirtää fosfaattinsa takaisin ADP:hen muodostaen ATP:tä ja kreatiinia. Tätä reaktiota katalysoi entsyymi kreatiinikinaasi, ja se tapahtuu hyvin nopeasti, joten kreatiinifosfaatista peräisin oleva ATP antaa virtaa lihassupistuksen ensimmäisten sekuntien aikana. Kreatiinifosfaatti pystyy kuitenkin tuottamaan energiaa vain noin 15 sekunnin ajan, jolloin on käytettävä jotain muuta energianlähdettä (kuva 7.14).
Kuva 7.14. Kreatiinifosfaatti voi tuottaa energiaa vain noin 15 sekunnin ajan. Lihaksen aineenvaihdunta (a) Lepovaiheessa olevaan lihakseen varastoituu jonkin verran ATP:tä. Kun supistuminen alkaa, se kuluu sekunneissa. Kreatiinifosfaatista syntyy lisää ATP:tä noin 15 sekunnin ajan. (b) Jokainen glukoosimolekyyli tuottaa kaksi ATP:tä ja kaksi molekyyliä palorypälehappoa, jotka voidaan käyttää aerobisessa hengityksessä tai muuntaa maitohapoksi. Jos happea ei ole saatavilla, pyruviinihappo muuttuu maitohapoksi, mikä voi osaltaan aiheuttaa lihasväsymystä. Näin tapahtuu rasittavassa liikunnassa, kun tarvitaan suuria määriä energiaa, mutta happea ei saada riittävästi lihakseen. (c) Aerobinen hengitys on glukoosin hajoamista hapen (O2) läsnä ollessa hiilidioksidin, veden ja ATP:n tuottamiseksi. Noin 95 prosenttia lepotilassa olevien tai kohtalaisen aktiivisten lihasten tarvitsemasta ATP:stä saadaan aerobisesta hengityksestä, joka tapahtuu mitokondrioissa.
Kun kreatiinifosfaatin tuottama ATP loppuu, lihakset kääntyvät glykolyysiin ATP-lähteenä. Glykolyysi on anaerobinen (ei-hapesta riippuvainen) prosessi, joka hajottaa glukoosia (sokeria) ATP:n tuottamiseksi; glykolyysi ei kuitenkaan pysty tuottamaan ATP:tä yhtä nopeasti kuin kreatiinifosfaatti. Näin ollen siirtyminen glykolyysiin johtaa siihen, että ATP:n saatavuus lihakseen on hitaampaa. Glykolyysissä käytetty sokeri voi olla peräisin verensokerista tai lihakseen varastoituneen glykogeenin aineenvaihdunnasta. Yhden glukoosimolekyylin hajoaminen tuottaa kaksi ATP:tä ja kaksi molekyyliä palorypälehappoa, jotka voidaan käyttää aerobisessa hengityksessä tai, kun happipitoisuus on alhainen, muuntaa maitohapoksi (kuva 7.14b).
Jos happea on saatavilla, palorypälehappo käytetään aerobisessa hengityksessä. Jos happea ei kuitenkaan ole saatavilla, palorypälehappo muuttuu maitohapoksi, mikä voi osaltaan aiheuttaa lihasväsymystä. Tämä muuntaminen mahdollistaa NAD+ -entsyymin kierrättämisen NADH:sta, jota tarvitaan glykolyysin jatkumiseen. Näin tapahtuu rasittavassa liikunnassa, kun tarvitaan suuria määriä energiaa, mutta happea ei saada riittävästi lihakseen. Glykolyysiä itsessään ei voida ylläpitää kovin pitkään (noin 1 minuutti lihastoimintaa), mutta se on hyödyllinen lyhyen korkeaintensiteettisen suorituksen helpottamiseksi. Tämä johtuu siitä, että glykolyysi ei hyödynnä glukoosia kovin tehokkaasti, vaan tuottaa nettomääräisesti kaksi ATP:tä glukoosimolekyyliä kohti ja lopputuotteena maitohappoa, joka voi osaltaan vaikuttaa lihasten väsymiseen, kun sitä kertyy.
Aerobinen hengitys on glukoosin tai muiden ravintoaineiden hajoamista hapen (O2) läsnä ollessa hiilidioksidin, veden ja ATP:n tuottamiseksi. Noin 95 prosenttia lepotilassa olevien tai kohtalaisen aktiivisten lihasten tarvitsemasta ATP:stä saadaan aerobisesta hengityksestä, joka tapahtuu mitokondrioissa. Aerobisen hengityksen syötteitä ovat verenkierrossa kiertävä glukoosi, palorypälehappo ja rasvahapot. Aerobinen hengitys on paljon tehokkaampaa kuin anaerobinen glykolyysi, sillä se tuottaa noin 36 ATP:tä yhtä glukoosimolekyyliä kohti, kun glykolyysi tuottaa neljä ATP:tä. Aerobista hengitystä ei kuitenkaan voida ylläpitää ilman luurankolihaksen jatkuvaa O2-tarjontaa, ja se on paljon hitaampaa (kuva 7.14c). Tämän kompensoimiseksi lihakset varastoivat pienen määrän ylimääräistä happea proteiineihin, joita kutsutaan myoglobiiniksi, mikä mahdollistaa tehokkaammat lihassupistukset ja vähentää väsymystä. Aerobinen harjoittelu lisää myös verenkiertojärjestelmän tehokkuutta, joten lihaksille voidaan toimittaa O2:ta pidempään.
Lihasten väsyminen tapahtuu, kun lihas ei enää pysty supistumaan vastauksena hermoston signaaleihin. Lihasväsymyksen tarkkoja syitä ei täysin tunneta, vaikka tietyt tekijät on yhdistetty väsymyksen aikana tapahtuvaan lihassupistuksen vähenemiseen. ATP:tä tarvitaan lihaksen normaaliin supistumiseen, ja kun ATP-varaukset vähenevät, lihaksen toiminta voi heikentyä. Tämä voi olla tärkeämpi tekijä lyhyissä, intensiivisissä lihastuotoksissa kuin jatkuvissa, matalamman intensiteetin ponnisteluissa. Maitohapon kertyminen voi alentaa solunsisäistä pH:ta, mikä vaikuttaa entsyymien ja proteiinien toimintaan. Na+- ja K+-tasojen epätasapaino kalvon depolarisaation seurauksena voi häiritä Ca++ -virtausta SR:stä. Pitkään jatkuva rasitus voi vaurioittaa SR:ää ja sarkolemmaa, jolloin Ca++:n säätely heikkenee.
Intensiivinen lihastoiminta johtaa happivelkaan, joka on hapen määrä, joka tarvitaan kompensoimaan ilman happea tuotettua ATP:tä lihassupistuksen aikana. Happea tarvitaan ATP- ja kreatiinifosfaattitasojen palauttamiseen, maitohapon muuttamiseen palorypälehapoksi ja maksassa maitohapon muuttamiseen glukoosiksi tai glykogeeniksi. Myös muut liikunnan aikana käytettävät järjestelmät tarvitsevat happea, ja kaikki nämä yhdistetyt prosessit johtavat liikunnan jälkeen lisääntyneeseen hengitystaajuuteen. Kunnes happivelka on täytetty, hapen saanti on koholla myös liikunnan lopettamisen jälkeen.