Ученым удалось с помощью электронного микроскопа обнаружить на толстых нитях небольшие шипики, которыми они во время сокращения скрепляются с тонкими, образуя своего рода механизм зубчатой передачи.
Таким образом, мы установили, что биохимия мышечного сокращения — это не что иное, как соединение двух белков и образование третьего — сократимого белка. Но откуда организм черпает энергию для мышечного сокращения?
Любое движение, происходящее в организме, требует затраты энергии. Основным источником ее служат особые фосфорные соединения, которые образуются в теле человека в результате многих последовательных химических реакций. Из таких соединений наиболее важный — аденозинтрифосфат, сокращенно называемый АТФ. В состав молекулы этого вещества входят три остатка фосфорной кислоты, причем два из них очень непрочно связаны с остальной частью молекулы АТФ. Когда в процессе многоступенчатых химических превращений такие связи разрываются, высвобождается энергия, необходимая организму для самых различных процессов жизнедеятельности.
Влияние АТФ на сокращение мышцы было убедительно показано в опытах известного венгерского ученого Сцент-Дьёрдьи, который многие годы посвятил исследованию мышечного сокращения. Оказалось, что если долго вымачивать мышечную ткань в водном растворе глицерина, то можно почти полностью сохранить ее структуру. Раствор лишь вымывает из мышцы мелкие растворимые частицы. Такая мышца становится неэластичной, теряет способность сокращаться. Если же теперь в раствор, где находится такая измененная мышца, добавить АТФ, мышца опять может сокращаться. Особенно отчетливо заметно влияние АТФ на сокращение актомиозина, искусственно выделенного из мышцы.
По этому поводу Сцент-Дьёрдьи писал: «Получив актомиозин искусственным путем, мы воспроизвели и, стало быть, получили возможность анализировать одно из таинственнейших проявлений жизни». Далее ученый признается, что самым волнующим моментом его научной работы был тот, когда он впервые увидел, как сокращается актомиозин, как из бесформенной массы он превращается в плотный, упругий комочек.
Советские биохимики академик В. А. Энгельгардт и профессор М. Н. Любимова установили, что миозин и актомиозин обладают способностью расщеплять АТФ. В результате этого процесса в организме освобождается энергия, необходимая для сокращения мышц. Так была неопровержимо доказана связь определенных структурных элементов мышцы с ее функцией — возможностью использовать энергию, заключенную в фосфорсодержащих веществах.
В конечном итоге мышечное сокращение представляет собой сложный процесс, который начинается с передачи возбуждения с нерва на мышцу, затем возбуждение распространяется по всей поверхности мышечного волокна, и происходит реакция актомиозина с АТФ. Образуется АТФ главным образом в особых элементах мышечного волокна — митохондриях, которые справедливо называют энергетическими, или силовыми, станциями клетки.
Мы знаем, что после сокращения мышца расслабляется, как бы отдыхает. Что же происходит в этот период? Современные исследования показывают, что расслабление мышцы отнюдь не пассивный процесс, как можно было бы думать. Во время расслабления мышца не только пополняет израсходованные запасы, но и готовится к будущему сокращению. Ученые связывают расслабление мышцы с активностью химического вещества, которое, возможно, связывает актомиозин и не позволяет ему в данный момент расщеплять АТФ.
Сложность изучения мышечного сокращения у животных и особенно у человека связана с тем, что мышечная ткань составляет единое целое с другими системами организма и находится с ними в функциональном единстве. Еще Энгельс в «Диалектике природы» указывал, что «организм есть, несомненно, высшее единство, связывающее в себе в одно целое механику, физику и химию таким образом, что эту тройку нельзя больше разделить. В организме механическое движение вызывается физическим и химическим изменениями, и это относится к питанию, дыханию, выделению и так далее в такой же мере, как и к чисто мускульному движению».
Изучая мышечную деятельность людей, ученые получили ряд интересных данных. Например, у спортсменов систематическая тренировка способствует увеличению массы мышц. Однако разные виды спорта по-разному сказываются на облике спортсменов. Скажем, без труда можно отличить приземистого, плотного штангиста от стройного, худого волейболиста.
К чему же сводится сущность тренировки с точки зрения биохимии? Прежде всего в тренированном организме во время мышечной нагрузки уменьшается амплитуда колебания различных показателей, таких, как уровень сахара в крови, насыщенность ее кислородом, частота дыханий и многие другие. Организм начинает более экономно расходовать с вон внутренние запасы.
Кроме этих общих закономерностей, в организме происходят и специфические изменения, зависящие от характера тренирующих нагрузок. Например, бег на короткие дистанции требует быстрой мобилизации химической энергии, в частности немедленного вступления в реакцию АТФ. Следовательно, именно эта способность организма определит успех спортсмена в данных соревнованиях. Марафонский бег и другие состязания, требующие выносливости, длительной работы, напряжения, связаны с другими биохимическими показателями организма. В данном случае успех зависит от общей величины энергетических запасов организма, в первую очередь богатых энергией фосфорных соединений, быстрого восстановления их во время бега.
Любой вид спорта, систематические занятия физической культурой закаляют организм, делают его более выносливым и, что самое важное, увеличивают в тканях запасы фосфорсодержащих веществ, в первую очередь АТФ.
Большое влияние на работу мышц оказывают железы внутренней секреции. Неузнаваемо меняется внешний облик подростка в период полового созревания. В этот период в результате усиленного действия гормонов он быстро растет, у него увеличивается мышечная масса тела.
Нарушение функций эндокринных желез резко сказывается на внешнем облике и мышечной деятельности человека. Вспомните рассказ И. С. Тургенева «Живые мощи». Хотя писатель и не знал причины страдания Лукерьи, но, обладая необычайной наблюдательностью, он дал почти точное описание заболевания, при котором в первую очередь поражаются надпочечники.
Исследования последних лет показали, что трудоспособность и мышечная активность человека зависят также от качества пищи, содержания в ней витаминов. Наиболее важными для мышечной деятельности оказались витамины группы В, в частности витамин B1. Он способствует проведению нервного импульса, передаче возбуждения с нерва на мышцу, увеличению в организме запасов богатых энергией фосфорных соединений.
Если же вследствие травмы поврежден двигательный нерв, то нарушается непосредственная связь между нервом и мышцей. В результате в ней нарушаются процессы обмена веществ, развивается атрофия.
Понимание всех звеньев сокращения мышцы, биохимических процессов, которые происходят при этом в организме, имеет не только теоретическое значение, но и помогает ученым изыскивать новые эффективные методы лечения и профилактики различных заболеваний мышечной системы, наиболее рационально организовать труд и отдых, занятия здоровых людей физической культурой и спортом.
Медики-герои
Когда японские войска перешли государственную границу СССР и у Хасана загремели первые выстрелы самураев, военврач 2-го ранга Борис Петрович Бегоулев был начальником полкового медицинского пункта.
Во главе своих санитарных инструкторов пошел он на передовую линию и быстро развернул пункт медицинской помощи. При взятии высоты Заозерная он сам выносил под ожесточенным огнем раненых с поля боя, быстро оказывал первую помощь и организовал эвакуацию в тыл.