Sources of ATP
ATP levert de energie voor het plaatsvinden van spiercontractie. Naast zijn directe rol in de cross-bridge cyclus, levert ATP ook de energie voor de actief-transport Ca++ pompen in de SR. Spiercontractie vindt niet plaats zonder voldoende hoeveelheden ATP. De hoeveelheid ATP die in de spier is opgeslagen is zeer gering, slechts voldoende om een paar seconden samentrekkingen te bewerkstelligen. Aangezien ATP wordt afgebroken, moet het snel worden geregenereerd en vervangen om een aanhoudende contractie mogelijk te maken. Er zijn drie mechanismen waarmee ATP kan worden geregenereerd: het creatinefosfaatmetabolisme, anaërobe glycolyse, fermentatie en aërobe ademhaling.
Creatinefosfaat is een molecuul dat energie kan opslaan in zijn fosfaatbindingen. In een spier in rust brengt een teveel aan ATP zijn energie over op creatine, waarbij ADP en creatinefosfaat worden geproduceerd. Dit fungeert als een energiereserve die kan worden gebruikt om snel meer ATP te creëren. Wanneer de spier begint samen te trekken en energie nodig heeft, draagt creatinefosfaat zijn fosfaat weer over aan ADP om ATP en creatine te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het enzym creatinekinase en vindt zeer snel plaats; zo wordt ATP uit creatinefosfaat de eerste paar seconden van de spiercontractie gevoed. Creatinefosfaat kan echter slechts ongeveer 15 seconden energie leveren, waarna een andere energiebron moet worden gebruikt (figuur 7.14).
Figuur 7.14. Spiermetabolisme (a) In een spier in rust wordt wat ATP opgeslagen. Wanneer de contractie begint, wordt dit in enkele seconden opgebruikt. Meer ATP wordt gegenereerd uit creatinefosfaat gedurende ongeveer 15 seconden. (b) Elke glucosemolecule produceert twee ATP en twee moleculen pyrodruivenzuur, die kunnen worden gebruikt in aërobe ademhaling of omgezet in melkzuur. Als er geen zuurstof beschikbaar is, wordt pyrodruivenzuur omgezet in melkzuur, wat kan bijdragen tot spiervermoeidheid. Dit gebeurt tijdens zware inspanningen, wanneer grote hoeveelheden energie nodig zijn, maar zuurstof niet voldoende aan de spieren kan worden geleverd. (c) Aërobe ademhaling is de afbraak van glucose in aanwezigheid van zuurstof (O2) om kooldioxide, water en ATP te produceren. Ongeveer 95 procent van het ATP dat nodig is voor rustende of matig actieve spieren wordt geleverd door aërobe ademhaling, die plaatsvindt in mitochondriën.
Als de door creatinefosfaat geproduceerde ATP uitgeput raakt, wenden de spieren zich tot de glycolyse als ATP-bron. Glycolyse is een anaeroob (niet-zuurstof-afhankelijk) proces dat glucose (suiker) afbreekt om ATP te produceren; glycolyse kan echter niet zo snel ATP genereren als creatinefosfaat. De overschakeling op glycolyse resulteert dus in een tragere beschikbaarheid van ATP voor de spier. De suiker die in de glycolyse wordt gebruikt, kan worden geleverd door bloedglucose of door metabolisatie van glycogeen dat in de spier is opgeslagen. De afbraak van één glucosemolecuul levert twee ATP en twee moleculen pyrodruivenzuur op, die kunnen worden gebruikt in de aërobe ademhaling of, bij een laag zuurstofgehalte, worden omgezet in melkzuur (figuur 7.14b).
Als er zuurstof beschikbaar is, wordt pyrodruivenzuur gebruikt in de aërobe ademhaling. Als er echter geen zuurstof beschikbaar is, wordt pyrodruivenzuur omgezet in melkzuur, wat kan bijdragen tot spiervermoeidheid. Deze omzetting maakt de recycling mogelijk van het enzym NAD+ uit NADH, dat nodig is om de glycolyse voort te zetten. Dit gebeurt tijdens zware inspanning wanneer grote hoeveelheden energie nodig zijn, maar zuurstof niet voldoende aan de spieren kan worden geleverd. Glycolyse zelf kan niet erg lang worden volgehouden (ongeveer 1 minuut spieractiviteit), maar is nuttig bij het vergemakkelijken van korte uitbarstingen van hoge intensiteit. Dit komt omdat glycolyse glucose niet erg efficiënt gebruikt, en een netto winst van twee ATP’s per molecuul glucose produceert, en het eindproduct melkzuur, dat kan bijdragen aan spiervermoeidheid als het zich ophoopt.
Aerobe ademhaling is de afbraak van glucose of andere voedingsstoffen in de aanwezigheid van zuurstof (O2) om kooldioxide, water, en ATP te produceren. Ongeveer 95 procent van het ATP dat nodig is voor rustende of matig actieve spieren wordt geleverd door aërobe ademhaling, die plaatsvindt in mitochondriën. De input voor aërobe ademhaling bestaat uit glucose dat in de bloedbaan circuleert, pyrodruivenzuur en vetzuren. Aërobe ademhaling is veel efficiënter dan anaërobe glycolyse: per glucosemolecuul worden ongeveer 36 ATP’s geproduceerd, tegen vier bij glycolyse. Aërobe ademhaling kan echter niet worden volgehouden zonder een gestage toevoer van O2 naar de skeletspier en verloopt veel trager (figuur 7.14c). Ter compensatie slaan de spieren een kleine hoeveelheid overtollige zuurstof op in eiwitten die myoglobine worden genoemd, waardoor de spiersamentrekkingen efficiënter verlopen en er minder vermoeidheid optreedt. Aërobe training verhoogt ook de efficiëntie van de bloedsomloop, zodat de spieren langer van O2 kunnen worden voorzien.
Spiervermoeidheid treedt op wanneer een spier niet langer kan samentrekken in antwoord op signalen van het zenuwstelsel. De precieze oorzaken van spiervermoeidheid zijn niet volledig bekend, hoewel bepaalde factoren in verband zijn gebracht met de verminderde spiercontractie die bij vermoeidheid optreedt. ATP is nodig voor normale spiercontractie, en wanneer de ATP-voorraden afnemen, kan de spierfunctie afnemen. Dit kan meer een factor zijn bij korte, intense spierinspanningen dan bij langdurige, minder intensieve inspanningen. Ophoping van melkzuur kan de intracellulaire pH verlagen, wat de enzymen- en proteïneactiviteit beïnvloedt. Onbalans in Na+ en K+ niveaus als gevolg van membraan depolarisatie kan de Ca++ stroom uit de SR verstoren. Lange perioden van langdurige inspanning kunnen het SR en het sarcolemma beschadigen, wat resulteert in een verminderde Ca++ -regulatie.
Intense spieractiviteit resulteert in een zuurstofschuld, dat is de hoeveelheid zuurstof die nodig is om te compenseren voor ATP dat zonder zuurstof wordt geproduceerd tijdens de spiercontractie. Zuurstof is nodig om het ATP- en creatinefosfaatniveau te herstellen, melkzuur om te zetten in pyrodruivenzuur en, in de lever, melkzuur om te zetten in glucose of glycogeen. Andere systemen die tijdens de inspanning worden gebruikt, hebben ook zuurstof nodig, en al deze gecombineerde processen resulteren in de verhoogde ademhalingsfrequentie die na de inspanning optreedt. Totdat de zuurstofschuld is voldaan, blijft de zuurstofopname verhoogd, zelfs nadat de inspanning is gestopt.