حامدرحیمی پنجکی(ورزش/هنرهای رزمی)

حامدرحیمی پنجکی(ورزش/هنرهای رزمی)
 
نویسندگان
لینک دوستان
لینکی ثبت نشده است
ساخت وبلاگ
افزایش بازدید سایت
عضویت
نام کاربری :
پسورد :
تکرار پسورد:
ایمیل :
نام اصلی :
پیوندهای روزانه
لینکی ثبت نشده است
ایجاد وبلاگ
>
متابولیسم انرژی در زمان ورزش

 متابولیسم انرژی در زمان ورزش در بخشهای قبل ما با دستگاه و کنترل فعالیت عضلانی سر و کار داشتیم، اما هیچ منبعی وجود ندارد و یا منابع بسیار کمی وجود دارد که منابع انرژی این واکنشها را نشان دهد. تمام اجزای زنده نیازمند انرژی برای حرکت، رشد و یا حفظ شرایط می­باشد. این انرژی متناوبا از خورشید و یا در موارد بسیار نادر از چشمه­های گرم در اعماق اقیانوس می­رسد اما این گرما و یا نور خورشید نمی­تواند بصورت نیروی مستقیم واکنشهای زندگی باشد. عوامل مرتبط کننده­ای هم لازم است که این عامل آدنوزین تری فسفات(ATP) می­باشد که اغلب به عنوان ترکیب پر انرژی تعریف می­شود. هیدرولیز فسفات انتهایی واکنش گرمازاست  الف)  و مقدار ATP  سلولهای زنده بدین گونه است که فسفات انتهایی از کربوهیدرات و یا پروتئین منتقل شده و یا حداقل قسمتی از آن باز این ملکولها منتقل شده است. پروتئین فسفریله شده ممکن است شکل و حرکت آن را تغییر دهد (پروتئینهای انتقالی در غشای سلولی و یا میوزین در عضله) و یا کربوهیدرات شاید نقطه آغاز توالی واکنشها حتی در زمانی که انرژی زیاد است باشد (فسفاته شدن قند در مسیر گلیکولیتیک). این موضوع اساس بیوشیمی در 100 سال گذشته است و این بخش تنها طرحی کلی از مسیرها و مکانیسمهای تنظیمی می­باشد. خوانندگان به کتابهای بیوشیمی استاندارد برای مطالعه جزییات ارجاع داده می­شوند. ATP انرژی رایج و حاضر در تمام ارگانیسمها می­باشد، شامل باکتریها، گیاهان و حیوانات و دلیل واضح که چرا در سلولهای زنده اهمیت دارند. عجیب اینکه برای چنین مواد مهمی، مقدار غلظت درون سلولی نسبتا پایین است (2-8mmol/L )، احتمالا به دلیل اینکه چنین مواد واکنش پذیری اگر در غلظتهای بالایی باشند دلیل آشفتگی شده و واکنش غیر قابل تشخیصی با اجزای سلول انجام دهند. برای بافتهایی که مقدار متابولیسم آهسته و ثابتی دارند، مقدار ATP کم مشکلی برای فراهمی آهسته برای حفظ نیازها ایجاد نمی­کند. هرچند، عضله اسکلتی می­تواند مقدار متابولیسم را از 60 تا 80 برابر در زمان فعالیت نسبت به استراحت افزایش دهد و اگر ATP از طریق مسیرها دوباره تولید نشود، می­تواند از ATP موجود در matter of seconds استفاده کند که پاسخ سریعتری را ایجاد می­کند. بازسازی ATP چندین مسیر وجود دارد که ATP را بازسازی می­کند بعضی از آنها که سریعتر هستند  فقط می­توانند مقدار محدودی انرژی تولید کنند و بعضی دیگر که آهسته هستند ظرفیت بالاتری برای بازسازی دارند. واکنش کراتین کیناز کراتین (شکل 2-6) توسط سه اسید آمینه در کبد سنتز می­شود (هر چند توسط خوردن گوشت نیز بدست می­آید) و توسط عضلات از گردش خون جذب می­گردد. کراتین در کاتالیز توسط آنزیم کراتین کیناز و با مصرف ATP فسفوریله می­شود. در شرایط فیزیولوژیکی انرژیهای آزاد شده از هیدرولیز PCr و ATP مشابه است بنابراین واکنشهای اولیه و بعدی (شکل 2-6) به تغییرات غلظت واکنش دهنده­ها بسیار حساس هستند. همچنین غلظت بالایی از کراتین کیناز در تارهای عضلانی وجود دارد و تبدیل PCr و ATP بسیار سریع است. در زمان استراحت حدود 80 درصد از کراتین تارهای عضلانی بصورت PCr موجود است و غلظت آن حدود 5 برابر بیشتر از ATP همان تار می­باشد. در عضله بی مهره­گان نقش کراتین گرفتن آرژنین است که آرژنین­فسفات بافری سریع برای ذخایر ATP می­باشد. واکنش آدنیلات کیناز روش سریع دیگر برای تشکیل مقدار کمی از ATP، انتقال فسفات از یک ملکول ADP به ملکول دیگر و تولید یک ملکول ATP و یک ملکول آدنوزین مونو فسفات (AMP) می­باشد. این واکنش با دآمیناسیون AMP جفت شده است (توسط AMP دآمیناز کاتالیز می­شود) که AMP را از تعادل خارج می­کند و واکنش را به سمت راست هدایت می­کند(شکل 1-7 ج). بطور کمی این واکنش زیاد مهم نیست و زمانی اتفاق می­افتد که ذخایر PCr در حد بسیار پایین باشد. هدف اصلی در این وکنش، خارج کردن ADP می­باشد که تجمع آن از واکنشهایی که به ATP نیاز دارند جلوگیری می­کند. نتیجه واکنش، دآمینه شدن AMP می­باشد(در چند ثانیه) و بازسازی آدنین نوکلئوتیدها در چرخه پورین نوکلئوتید ها، که بسیار آهسته (چندین دقیقه) می­باشد. گلیکوژنولیز و گلیکولیز نور خورشید توسط گیاهان استفاده می­شود تا قندهای 6 کربنی از CO2 و آب در واکنشهای فتوسنتزی تولید شود. حیوانات این انرژی را از طریق برعکس کردن واکنش، تجزیه قندها به CO2 و آب و ذخیره انرژی آزاد شده بعنوان ATP، بدست می­آورند. واکنش پیچیده است و شامل مراحل زیادی می­گردد که با مسیر بی­هوازی گلیکولیتیکی آغاز می­شود که قند 6 کربنه به 2 ملکول 3 کربنه تقسیم می­شود و توسط واکنش هوازی ادامه می­یابد که ملکولهای 3 کربنه در تولید CO2 و اکسید کردن هیدروژنها جهت تولید آب شرکت می­کنند. تجزیه گلوکز و گلیکوژن در ورزشهای پرشدت اغلب انرژی کربوهیدراتی از قندی است که با عنوان گلیکوژن درون عضلانی ذخیره شده است. اولین مرحله در بدست آوردن انرژی از گلیکوژن، هیدرولیز متوالی واحدهای گلیکوزیل از انتهای زنجیره­ها، و متصل شدن فسفات به گلوکز-1-فسفات در طول مسیر می­باشد (شکل 3-6). آنزیم کاتالیز کننده این واکنش فسفوریلاز می­باشد که یکی از آنزیمهای کلیدی در گلیکوژنولیز می­باشد.فسفوریلاز اتصال 4-1 گلیکوژن را هیدرولیز می­کند و نمی­تواند شاخه­هایی را که دارای اتصال 6-1 هستند، هیدرولیز کند و واحدهای گلیکوزیلی 4 تایی از شاخه­های کوتاه کناری بجا می­گذارد. سپس آنزیم شاخه شکن 3 تا از این واحدها را به هم متصل کرده و آنها را در انتهای زنجیره طولانی قرار می­دهد که می­توانند دوباره توسط آنزیم فسفوریلاز تجزیه شوند و تولید گلوکز-1-فسفات کنند. واحدهای باقیمانده توسط آمیلوگلوکوزیداز جمع­آوری می­شود که باندهای 6-1 هیدرولیز شده و گلوکز ایجاد می­گردد. گلوکز-1-فسفات نیز ابتدا به گلوکز-6-فسفات تبدیل شده و سپس به فروکتوز-6-فسفات تبدیل می­گردد. برای تبدیل فروکتوز-6-فسفات به فروکتوز 1و6 بی فسفات انرژی زیادی لازم است. آنزیمی که این واکنش را انجام می­دهد، فسفو فروکتوکیناز می­باشد که این مرحله، مرحله تنظیمی مهمی در گلیکولیز می­باشد. در این مرحله قند 6 کربنه دو بار فسفریله شده و ساختار متقارن پیدا می­کند. همچنین دارای انرژی کافی برای گذشتن از سد انژی می­باشد و توسط عمل آلدولاز، حلقه 6 کربنی به دو بخش 3 کربنی تقسیم می­شود. از توالی دهیدروژناز و واکنشهای مراحل فسفوریلاسیون بطور متناوب 2 ملکول پیروات و 4 ملکول ATP از هر گلیکوزیلی که وارد مسیر گلیکولیتیک می­شود، بوجود می­اید. و اکنشهای درگیر در این واکنش در شکل 3-6 خلاصه شده­اند. انرژی تولید شده از گلیکولیز تعادل دقیق گلیکولیز به منبع کربوهیدراتی بستگی دارد. اگر گلوکز توسط خون آورده شده باشد، قبل از ورود به مراحل مجبور است که 2 بار فسفریله شود و یک ملکول ATP از هر مول پیروات تولید می­شود. اگر گلیکوزیل آمده از هیدرولیز گلیکوژن باشد (شرایط عمومی)، فقط یک ملکولATP برای تشکیل فروکتوز1-6 بی فسفات لازم است و فسفات دیگر از فسفاتهای غیر آلی می­باشد که در طول واکنش فسفوریلاسیون وارد می­گردد. در نتیجه یک ملکول ATP استفاده شده و 4 ملکول تولید می­گرددد و مقدار ATP بدست آمده 5/1 ملکول به ازای هر پیروات می­گردد. این نکته باید مورد توجه قرار گیرد که بطور کلی، مقدار انرژی بدست آمده از گلیکوژن نسبت به متابولیسم گلوکز دارای کارایی بیشتری نمی­باشد، زیرا تشکیل گلیکوژن واکنشی نیازمند انرژی می­باشد. گلوکز به درون عضله جذب شده و فسفوریله می­شود و سپس توسط ترکیب با یوریدین تری فسفات فعال می­گردد تا یوریدین دی فسفات گلوکز تشکیل شود. (آزاد شدن پیروفسفات در واکنش) قبل از اینکه فشرده شده و به شکل پلیمر شاخه­دار بسیار بزرگ که گلیکوژن است، دربیاید. تشکیل گلیکوژن نسبتا به زمان زیادی نیاز دارد به همین دلیل در طول دوره­های استراحت انرژی در باندهای گلیکوزیلی که به اسکلت کربوهیدراتی پایه اضافه می­شود، ذخیره می­گردد. اهمیت NAD بخش نهایی تولید انرژی از گلیکولیز بطور حیاتی به واکنش دهیدروژناز وابسته است که الکترونهایی که از گلیسرآلدئید 3 فسفات جدا شده­اند توسط NAD گرفته شده و به شکل NADH درآمده­اند. فراهمی NAD بسیار محدود است و اگر گلیکولیز بیش از 2 بار ادامه یابد، لازم است که NAD دوباره تولید شود. در طول فعالیت هوازی NAD توسط اکسیداسیون در میتوکندری دوباره تولید می­شود. سه راه برای این کار  وجود دارد. اولی واکنشی است که اگزالواستات را به مالات تبدیل می­کند(شاتل مالات). مالات تشکیل شده به میتوکندری برمی­گردد تا دوباره به اگزالواستات تبدیل گردد و NADH تولید شده که می­تواند توسط زنجیره انتقال الکترون اکسید شود. دومین روش، تبدیل دی هیدروکسی استن فسفات به a-گلیسرول فسفات می­باشد که به میتوکندری وارد شده و دهیدروژنه می­شود تا شکل احیا شده ی فلاوین آدنین دی نوکلئوتید(FADH2) را تشکیل دهد. FADH2 توسط زنجیره انتقال الکترون اکسید می­شود و دی هیدروکسی استون فسفات دوباره به سیتوپلاسم انتشار می­یابد. برای فعالیتهایی با شدت متوسط این دو شاتل نیازهای گلیکولیز به NAD را تأمین می­کنند اگر بار کار زیاد باشد، و یا عضله مجبور به فعالیت در شرایط بی هوازی باشد،  a-گلیسرول فسفات جمع می­شود  زیرا نمی­تواند بصورت طولانی در میتوکندری اکسید شود و سومین واکنش بازساز نقش خود را ایفا می­کند. NAD توسط تبدیل اسید پیرویک به اسید لاکتیک بازسازی می­شود که توسط لاکتات دهیدروژناز کاتالیز می­شود. با اینکه اسیدلاکتیک فراورده پایانی زیادی برای گلیکولیز نیست ولی روشی برای بازسازی NAD است و اجازه می­دهد تا گلیکولیز به مدت ممکن ادامه یابدهرچند کمپلکس گفته شده در شکل 3-6 نوشته شده است، ولی واکنشهای گلیکولیتیکی سریع هستند و میزان ATP بازسازی شده از این منابع حدود 2/1 تا4/1 واکنش کراتین کیناز می­باشد. اگرچه مقدار زیادی از گلیکوژن در تارهای عضلانی ذخیره شده است، ولی محدودیتی در گلیکولیز وجود دارد که توسط تجمع لاکتات و اسیدی شدن تارهای عضلانی تنظیم می­شود. گلیکولیز بی هوازی می­تواند به همان مقدار واکنش کراتین کیناز ATP تولید کند (حدود 40 میلی مول در هر کیلوگرم عضله تر). پیروات و استیل کوآنزیم A گلیکولیز دو عملکرد دارد. گلیکولیز، مقدار محدود ولی بسیار مهم از انرژی را در شرایط بی هوازی یا فعالیت با شدت بالا تولید می­کند و همچنین پیروات را تولید می­کند که بعنوان سوبسترا برای متابولیسم هوازی می­باشد. گلیکولیز در سیتوپلاسم سلول اتفاق می­افتد در حالیکه متابولیسم پیروات درون میتوکندری انجام می­شود. درون میتوکندری، پیروات –ملکول 3 کربنه- قبل از ورود به چرخه ی تری کربوکسیلیک اسید (TCA) به بخشهای دوکربنه دکربوکسیله می­شود (. این تبدیل توسط یک سری از آنزیمها کاتالیز می­شود که تحت عنوان کمپلکی پیروات دهیدروژناز (PDH) شناخته شده اند. مقدار بدست آمده از این فعالیت، پیروات دکربوکسیله شده ای است که به COA متصل می­شود و استیل کوآ تشکیل می­شود. در این واکنش NAD نیز تولید می­شود. استیل کوآ عامل عمومی کربوهیدرات، چربی و آمین اسیدها برای ورود به چرخه TCA می­باشد. جابجایی و اکسیداسیون اسیدهای چرب آزاد منبع اصلی انرژی برای فعالیتهای طولانی مدت می­باشد که بتا اکسیداسیون واحدهای استیل کوآ را تولید می­کند که وارد چرخه TCA می­گردند. چرخه تری کربوکسیلیک اسید اولین مرحله در این چرخه، تغلیظ استیل کوآ با اسد اگزالواستیک به شکل اسید سیتریک و آزاد شدن کوآنزیم آ  می­باشد. سپس، یک سری از واکنشهای دهیدروژناسیون و دکربوکسیلاسیون وجود دارد که در اثر آنها CO2 و معادلهای احیا شده­ای در شکل NADH و FADH2 و مقدار بسیار کمی گوانوزین تری فسفات (GTP) تولید می­شود، سرانجام در پایان که نقطه آغاز چرخه است، اگزالواستات تولید می­شود (شکل4-6). چرخه در داخل ماتریکس میتوکندری انجام می­گیرد. اغلب، فیزیولوژی ورزش شامل اندازه­گیری اکسیژن مصرفی و CO2 تولید شده می­باشد و اغلب دلالت بر این دارد که اکسیژن مصرف می­شود تا CO2 تولید گردد. در حقیقت اکسیژن اتمسفر تنها برای ترکیب پروتونها با الکترونهای زنجیره انتقال الکترونی استفاده می­شود و نمی­توانند CO2 تولید کنند که این اکسیژنها از واکنشهای دکربوکسیلاسیون PDH و چرخه TCA بدست می­آیند  زنجیره انتقال الکترونی اگرچه مقدار انرژی کمی از فسفوریلاسیون سوبسترا در چرخه TCA تولید می­شود، ولی مهمترین عملکرد این سری از واکنشها تولید آنزیمهای احیا کننده می­باشد که توسط زنجیره انتقال الکترون اکسید شده­اند تا آب و مقدار زیادی ATP تولید کنند. زنجیره انتقال الکترون از یک سری کمپلکس آنزیمی و سیتوکروم در غشای داخلی میتوکندری تشکیل شده است (شکل5-6). پروتونها و الکترونها توسط آنزیمهای احیا کننده از NADH و FADH2 جدا می­شوند و انرژی بدست آمده از انتقال الکترونها در شیب الکتروشیمیایی زنجیره انتقال الکترون، برای انتقال پروتونها برخلاف شیب غلظتی از غشای داخلی به بیرونی غشای داخلی میتوکندری استفاده می­شود. سپس پروتونها به کمپلکس V در غشای داخلی از طریق منافذ برمی­گردند و انرژی آزاد شده از این واکنش برای سنتز ATP از ADP و Pi استفاده می­شود. سه منطقه وجود دارد که هر پروتون حین گذشتن از غشای داخلی از آنها عبور می­کندکه کمپلکسهای I، III و VI می­باشند. NADH، الکترون و H+ را در کمپلکس I می­بخشد (NADHدهیدروژناز)، این الکترونها، انتقال پروتونها را در همه ی سه منطقه به حرکت در می­آورند که آنها از شیب الکتروشیمیایی عبور می­کنند و در سنتز 3 ملکول ATP همکاری می­کنند. FADH2، الکترونهایش را در کمپلکس II رها می­کند (سوکسینات دهیدروژناز) و این الکترونها مسئول سنتز فقط 2 ملکول ATP می­باشند. جریان الکترونها به سمت پایین زنجیره انتقال الکترونی زمان می­تواند ادامه یابد که اکسیژن به عنوان آخرین گیرنده ی الکترون عمل کند و 2 ملکول منفی اتم اکسیژن سریعا تبدیل به ملکول اکسیژن می­شوند که با پروتونها تشکیل آب می­دهند. بنابراین زنجیره انتقال الکترون با احیای موادی که از چرخه TCA همراه با NAD تولید شده در سیتوپلاسم در طول گلیکولیز بوجود آمده­اند سر و کار دارد. متابولیسم اکسایشی کربوهیدرات واکنش پیچیده­ای است و تولید ATP در مقایسه با گلیکولیز و فسفوکراتین نسبتا آهسته است. هر چند کارایی انرژی ذخیره شده از متابولیسم هوازی یک ملکول گلوکز، 38 ملکول ATP می­باشد که نزدیک به 20 برابر بیشتر از تولید 2 ملکول ATP از گلیکولیز است. کنترل مسیرهای متابولیکی در بافتهایی مانند عضله اسکلتی با سطوح فعالیت و نیازهای متابولیکی متغیر زیاد، روشن است که مسیرهای هوازی و بی هوازی در تعیین نیازهای انرژی بسیار مهم است. راههای متنوعی وجود دارد که می­تواند جریان مسیر متابولیکی را کنترل کند. برای مثال می­توان تنظیم توسط سوبسترا و غلظت محصولات، و تنظیم فعالیت آنزیمهای خاص توسط میانجیهای متابولیکی و کاتیونها مانند کلسیم و منیزیم را نام برد. در اغلب مواقع آنزیمها می­توانند فسفوریله و دفسفوریله گردند، بنابراین میل ترکیبی با سوبستراها و میانجی ها تغییر می­یابد. گلیکوژنولیز فسفوریلاز آنزیم تنظیمی کلیدی فراهمی سوبسترا برای گلیکولیز می­باشد(شکل3-6را ببینید). آنزیم می­تواند توسط فسفوریلاسیون از طریق آنزیم فسفوریلاز کیناز فعال گردد که آن هم خودش توسط کیناز دیگری تنظیم می­گردد که فعالیتش توسطAMP حلقوی تحریک می­گردد. AMP حلقوی از غعالیت آنزیم آدنیلات کیناز سیکلاز در پاسخ به اتصال آدرنالین به گیرنده­های فسفوریلاز کیناز همچنین می­تواند در غلظت کلسیمی عضله فعال، فعال شود بنابراین انقباض آن عضله و تجزیه گلیکوژن هماهنگ با هم می­باشد. واکنشهای فسفوریلاسیون شبیه به این، سنتز گلیکوژن را کنترل می­کند، اما در این مورد آنها واکنش را غیر فعال می­کنند، بنابراین زمانیکه تجزیه گلیکوژن در زمان انقباض عضله تحریک می­شود، سنتز مهار شده است. فسفاتاز، فسفوریلاز را دفسفریله می­کند بنابراین فعالیت آن در زمانیکه انقباض وجود دارد بسرعت قطع می­شود. بعضی از محصولات متابولیسم مانند Pi و AMP و همچنین تحریک فسفوریلاز، احتمالا نقش کمی در تنظیمات فیزیولوژیکی بازی می­کنند. فسفوفروکتوکیناز از آنجاییکه فسفوفروکتوکیناز (PFK) بخش مهمی در کنترل و تعدیل گلیکولیز می­باشد، فعالیت فسفوریلاز ممکن است بعنوان شروع مسیر گلیکولیتیک تلقی شود.واکنش فسفوریلاسیون، مرحله PFK اساسا غیر قابل برگشت است. این مرحله، مرحله محدود در گلیکولیز است و توسط تعدادی از سوبستراها مهار می­گردد. پروتونها اثر مهار کنندگی بسیار قوی دارند و همچنین غلظت بالای ATP، فعالیت آنزیم را از طریق اتصال به بخش تعدیل کننده مهار می­کند.سیترات که در چرخه TCA تشکیل می­شود نیز یک مهار کننده است.این موضوع عجیب و مهم است برای اینکه سیترات در درون میتوکندری در زمانیکه تعادل انرژی وجود دارد، تجمع می­یابد (زمانیکه فراهمی ATP برابر یا بیشتر از نیاز باشد). سیترات به درون سیتوپلاسن جاییکه PFK را مهار می­کند انتشار می­یابد. بنابراین یک مکانیسم بازخوردی با تنظیم گلیکولیز متابولیسم اکسایشی تشکیل می­دهد. زمانیکه عضله تحت شرایط استرس متابولیکی است، ATP و سیترات هر دو کاهش می­یابند بنابراین بازدارندگی از PFK برداشته می­شود. همچنین PFK توسط افزایش سطوح ADP و AMP فعال می­شود. مکانیسم کنترلی دیگر فروکتوز2و6 بی فسفات است که به شدت PFK را فعال می­کند. فروکتوز2و6 بی فسفات (میانجی گلیکولیتیکی فروکتوز 1و6 بی فسفات نمی­باشد)، از فعالیت دومین فرم از PFK تشکیل می­شود که آن هم خودش توسط AMP حلقوی وابسته به پروتئین کیناز فعال می­شود. این حالت کنترل هورمونی گلیکولیز در کبد را بوجود می­آورد، اما هنوز روشن نیست که آیا این مکانیسم در عضلات اسکلتی هم مهم است. محصول PFK، فروکتوز 1و6 بی فسفات است که پیروات کیناز را فعال می­کند که آخرین آنزیم از آنزیمهای مسیر گلیکولیتیکی می­باشد. این مثالی از کنترل پیش تاب[1] می­باشد. اهمیت PFK بعنوان مرحله ی محدود کننده ی مقدار، توسط این حقیقت دیده شد که زمانیکه عضله به سختی کار می­کند و خسته است و جریان گلیکولیتیکی بالایی وجود دارد، تجمع واسطه­های گلیکولیتیکی در مراحل قبل از PFK می­باشد. PH درون سلولی و خاصیت بافری در شرایط بی هوازی، زمانیکه پیروات و لاکتات تجمع می­یابند، اسیدی شدن سلولها باعث اثرات بسیار گسترده­ای در مسیر گلیکولیتیکی، عملکرد پروتئینهای انقباضی و مکانیسمهای انتقال یونها دارد. اگر مقدار اسید لاکتیک تولید شده در طول انقباضات خسته کننده در حلال آبی (40mM) باشد، PH حدود 2 برابر می­باشد که با سلول زنده سازگار نمی­باشد. هرچند، PH عضله به پایین تر از 5/6 نزول نمی­کند که دلالت بر ای این دارد که تارهای عضله ظرفیت بافری قابل توجهی دارند. بافر اصلی در عضله اسکلتی انسان امینو اسید هیستیدین می­باشد که در اکثر پروتئینهای سلولی یافت می­شود همچنین کارنوزین، بی کربنات و فسفات غیرآلی هم کمک کمی می­کنند. نقش فسفات غیرآلی عجیب است زیرا اگر چه مقدار آن در زمان استراحت کم است ولی بخش قابل ملاحظه­ای از فسفوکراتین (PCr) است که تجزیه شده و فسفات جمع می­گردد. افزایش کم در PH در ابتدای انقباض دیده می­شود که منجر به تجزیه ی PCr و تجمع Pi می­شود که باعث افزایش ظرفیت بافری می­گردد. در مقابل، تأخیر دیده شده در بازیافت PH منجر به این حقیقت می­شود که Pi در اثر دوباره سنتز شدن PCr کاهش می­یابد. پستانداران، وابسته به حفظ سرعت بالای دویدن خود برای بقا هستند، مانند اسبها و سگها که دارای ظرفیت بافری بالاتری نسبت به انسان می­باشند. عمدتا منجر به سطوح بالای کارنوزین می­گردد. پستانداران آبزی مانند خوک آبی و والها که تحت شرایط بی هوازی برای دهها دقیقه فعالیت می­کنند بطور استثنایی دارای سطوح بالای کارنوزین عضلانی می­باشند. سرانجام، PH درون سلولی توسط اکسیداسیون پیروات یا توسط انتقال دهنده­های پروتون و لاکتات به خارج از تار عضلانی تنظیم می­گردد. انتقال لاکتات به خارج از عضله واکنش نسبتا آرامی است و به همین دلیل سطح لاکتات خون بعد از ورزش پرشدت به مدت 10 دقیقه یا بیشتر بالا می­ماند. لاکتات ترک شده از تار عضله، جذب شده و توسط بافتهای متنوعی مانند تارهای غیر فعال در همان عضله، دیگر عضلات در حال استراحت، کلیه، قلب و کبد متابولیزه می­شود. کمپلکس پیروات دهیدروژناز تنها فسفوریلاز، کربوهیدرات واردشده به مسیر گلیکولیتیک را تنظیم می­کند. بنابراین، PDH ورود پیروات به مسیرهای اکسیداتیو را تنظیم می­کند. همانند فسفوریلاز، PDH نیز کنترل وسیعی بر فسفوریلاسیون و دفسفوریلاسیون زیر واحدهایش دارد، اگر چه در PDH کلسم دفسفوریلاسیون را تحریک می­کند که باعث فعالیت آنزیم می­شود. ATP و NADH و استیل کوآ همگی توسط تحریک پروتئین کیناز تنظیمی، از فعالیت PDH جلوگیری می­کنند.زمانیکه اسید چرب اکسید می­گردد، استیل کوآ تجمع می­یابد و از فعالیت PDH ممانعت کرده و در نتیجه باعث کاهش مصرف کربوهیدرات می­گردد. تنظیم چرخه TCA بطور عمومی، تنظیم چرخه TCA توسط سطوح ATP کنترل می­شود. غلظت بالای ATP (و سطح پایین ADP) از فعالیت PDH جلوگیری کرده و بنابراین تولید واحدهای استیل محدود می­گردد، همچنین زنجیره انتقال الکترون را متوقف می­کند که بطور محکمی با فراهمی ADP جفت شده است. ممانعت از فعالیت زنجیره انتقال الکترونی منجر به تجمع آنزیمهای احیا کننده وکاهش NAD می­شود که برای واکنشهای دهیدروژناسیون و کار چرخه ی TCA لازم است. چرخه TCA می­تواند بعنوان چرخ یا حتی سنگ آسیاب تصور شود که یک جزء دو کربنی را دریافت کرده، آنها راتجزیه می­کند و باقیمانده­هایی مانند CO2 و در نهایت آب را دور می­ریزد و اگر چه واکنش بصورت چرخه­ای است ولی واکنش می­تواند توسط غلظت بعضی از واسطه­ها محدود شود. برای مثال، اگزالواستات که جزء دو کربنی را از استیل کوآ دریافت می­کند دارای غلظت پایینی در میتوکندری می­باشد و افزایش سطح آن فعالیت چرخه TCA را تحریک می­کند. واسطه ی دیگر در چرخه ی TCA، α کتوگلوتارات می­باشدکه در واکنشهای ترانس آمیناسیون گیرنده ی NH3 است (این واکنشها بعنوان جمع کننده ی مواد اضافی در واسطه­های TCA می­باشند). سطوح میانجیهای چرخه TCA توسط واکنشی محافظت می­شودکه تحت عنوان واکنشهای آناپلروتیک شناخته شده­اند . استفاده از پیروات یا فسفوانول پیروات بعنوان سوبسترایی برای واکنشهای کربوکسیلاسیون اگزالو استات را تولید می­کند. یکی از واکنشهای مهم در شروع ورزش، ترانس آمسناسیون گلوتامات می­باشد که توسط گلوتامات-پیروات ترانس آمیناز کاتالیز می­گردد که آلانین و واسطه چرخه TCA یعنی α کتوگلوتارات را ایجاد می­کند. نیاز به فراهم بودن ادامه دار میانجیها از منابع کربنی مانند پیروات دلیل اصلی برای این موضوع است که چرا عضلات نیازمند متابولیسم کربوهیدرات در طول تمرین می­باشند حتی هنگامیکه منبع اصلی انرژی، اسیدهای چرب می­باشد. زنجیره انتقال الکترون  زنجیره انتقال الکترون ارتباط قوی با مقدار ADP دارد که جریان الکترونها به سمت پایین زنجیره به فراهمی ADP وابسته است که تنظیم کننده­ی اصلی جریان در این مسیر می­باشد. بعلاوه، NADH و FADH2 و Pi و اکسیژن مورد نیاز است که آخرین گیرنده­ی الکترون می­باشد. سمهای متعددی مانع فعالیت زنجیره انتقال الکترون هستند. مشخص ترین آنها سیانید می­باشد که مانع فعالیت سیتوکروم اکسیداز می­شود که آخرین آنزیم زنجیره است و استفاده از اکسیژن را که آخرین گیرنده­ی الکترون می­باشد جلوگیری می­کند. بخش عظیمی از ATP تولید شده در بیرون از میتوکندری استفاده می­شود و باعث حفظ بالای میزان جریان می­شود و ATP درون میتوکندری مجبور به تبادل با ADP خارج سلولی است. در این واکنش آدنین نوکلئوتید ترانس لوکاز و کراتین کیناز میتوکندریایی درگیر هستند (شکل 9-6). اجزای عضله در اغلب قسمتهای بالا و در واقع در بیشتر ادبیات در این موضوع، به نظر می­رسد که سیتوپلاسم تارهای عضله، مایع همگنی است که غلظت متابولیتها و آنزیمها در تمامی سلول یکسان است. فکر کردن در مورد سیستمهای غشایی درونی و توده­ی تارچه­های عضلانی که درون تارهای عضله جمع شده­اند نشان دهنده این است که باید یک مانع قابل ملاحظه­ای، از انتشار جلوگیری کند. ATP در میتوکندری سنتز می­شود که اغلب آن در نزدیکی غشای سلول واقع شده است و احتمالاmm 20 دورتر توسط میوفیبریلها در داخل تار مصرف می­شود. شیب غلظتی قابل ملاحظه­ای بین بخشها وجود خواهد داشت که ATP از یک طرف و ADP از طرف دیگر انتشار می­یابد، اما در این فاصله، انتشار نسبتا آهسته خواهد بود. این مشکل ممکن است توسط فعالیت کراتین کیناز حل شود (شاتل فسفوکراتین)، جاییکه فسفات پرانرژی دقیقا از یک ملکول کراتین کیناز به دیگری منتقل می­شود. کلیه حرکات توسط فسفات است د رحالیکه پروتئینهای نوکلئوتیدی ATP و ADP نسبتا ساکن باقی می­مانند  دو نوع از کراتین کیناز در عضلات وجود دارد، یکی سیتوزولی و دیگری میتوکندریایی که توسط DNA میتوکندریایی ویژه شده است. کراتین کیناز میتوکندریایی به غشای داخلی متصل می­شود که در انتقال فسفات پرانرژی به بیرون از اندامک نقش دارد، سطح ADP را در داخل میتوکندری بالا نگه می­دارد و در نهایت به سمت زنجیره انتقال الکترون هدایت می­کند. اگرچه کراتین کیناز در سیتوزول هم یافت می­شود ولی بخشهایی وجود دارد که دارای غلظتهای بالایی هستند، بویژه در جاهاییکه مصرف ATP زیاد است، مثلا در اطراف تارچه­ها و پمپ سدیم-پتاسیم، و اینکه نقش کراتین کیناز حفظ سطوح ATP در حد بالا وADP در حد پایین می­باشد. چنین بخشهای مشابهی برای آدنیلات کیناز و آنزیمهای گلیکولیتیکی نیز وجود دارد، و ممکن است در فعالیتهای گلیکولیتیکی این آنزیمها در بخشهایی از سلول که فراهمی ATP در آنجا مهم است، وجود داشته باشد. آنزیمهای گلکولیتیکی با مکانیسمهای آزادسازی Ca+ از توبولهای T در ارتباط است، بنابراین غلظتهای متفاوتی از ATP در توبولهای T در مقایسه با حجمی از ATP در سیتوزول وجود دارد. همکاری مسیرهای متفاوت برای بازسازی ATP در زمان تمرین مقدار ATP بازسازی شده در مسیرهای مختلف متفاوت است و رابطه­ی عکس با مقدار انرژی کلی در دسترس دارد (شکل10-6). برون ده­های توان بسیار بالا، مانند نیازهای زمان پریدن یا پرتاب کردن که ثانیه­هایی طول می­کشند توسط تجزیه PCr تأمین می­شود. هنگام سرعت (100 تا 400 متر) توان، از تجزیه PCr و گلیکولیز با هم بدست می­آید (احتمالا PCr برای شتاب دادن به بدن در بخش اول سرعت استفاده می­شود). محتوای ATP عضله، PCr و انرژی در دسترس برای گلیکولیز برای ادامه دادن فعالیت برون ده توان برابر با 80 درصد VO2max برای حدود 60 ثانیه کافی می­باشد. با اکسیداسیون گلیکوژن عضله، بطور معمول می­تواند حدود 2 ساعت به فعالیت ادامه دهد. در ابتدا گلیکوژن کبد و گلوکز خون برای جلوگیری از هیپوگلیسمی و حفظ عملکرد مغز  استفاده می­شوند ولی می­تواند فعالیت عضله در این سطح از تلاش برای حدود 20 دقیقه­ی دیگر حفظ کند. برای اینکه میزان انرژی آزاد شده از اکسیداسیون کربوهیدرات کمتر از گلیکولیز است، سرعت دویدن در رویدادهای با مسافت متوسط حدودا نصف رویدادهای سریع است. سطح گلیکوژن عضله بسیار متفاوت است که به فعالیتهای پیشین و رژیم غذایی 2 تا 3 روز قبل از ورزش بستگی دارد. بطور نرمال، افرادی که تغذیه­ی خوبی دارند، گلیکوژن عضله برای ادامه ورزش در حدود 70درصد VO2max برای 2 ساعت کافی است، هرچند افراد تمرین نکرده به سختی این کار را انجام می­دهند زیرا از فعالیت آنها توسط عوامل دیگری نظیر درد پاها و افزایش دمای بدن جلوگیری می­شود. هرچند ذخایر بسیار زیاد از تری گلیسرید در بدن وجود دارد، ولی محدودیتی در مقداری که می­تواند مصرف شود وجود دارد. بطور تئوری، اکسیداسیون چربی بدن می­تواند سطوح بالای فعالیت را برای ساعتها و نه روزها حمایت کند ولی درعمل هیچ کس نمی­تواند این سطح از فعالیت را بعد از تخلیه ذخایر گلیکوژنی عضله ادامه دهد. حداکثر میزان انرژی تولید شده از اکسیداسیون چربی حدود 50 درصد از اکسیداسیون کربوهیدرات می­باشد. بنابراین اگر تمرین تا جایی ادامه پیدا کند که ذخایر گلیکوژن عضله تخلیه شده باشد، برون ده توان افت کرده و سرعت دویدن تا حد راه رفتن سریع کم می­شود. همچنین کمبود کربوهیدرات منجر به مشکلاتی در زمینه تخلیه­ی واسطه­های چرخهTCA می­گردد که قبلا در مورد آن بحث شده است. پیوست: تکنیکهایی برای اندازه­گیری متابولیتهای عضلانی عملکرد پلهای عرضی و جابجایی کلسیم به انرژی ذخیره شده مورد نیاز بستگی زیادی دارد. و تمرینهای خسته کننده مستلزم جریانها متابولیکی زیاد و تغییراتی در غلظت متابولیتهای عضله است. قابل درک است که کارهای بسیار خوب انجام شده در 30 سال گذشته توضیح روشنی در مورد تأثیر سطوح متغیر متابولیکی بر ایجاد نیرو توسط اکتین و میوزین دارد. مشاهدات در مورد نیرو وتغییرات متابولیتی، اولین مشکل در یافتن روشی قابل اعتماد برای اندازه­گیری متابولیتهای عضله می­باشد. کار عضلانی در انسان در داخل بدن می­تواند توسط سوزن نمونه­برداری، نمونه گیری شود. سوزن به همراه نمونه گرفته شده از عضله به سرعت در نیتروژن مایع قرار می­گیرد تا بافت، یخ زده و واکنشهای بیوشیمیاییمتوقف گردد. در یک دوره از آزمایش 2 یا 3 نمونه می­توان از عضله گرفت (معمولا گروه عضلات بزرگ مانند پهن جانبی، دوسر و درشت نئی قدامی). در بهترین حالت زمان بین نمونه­گیری و یخ زدگی حدود5 ثانیه می­باشد، تناوب محسوسی برای تغییرات متابولیتی که اتفاق می­افتد. عضله­ی جدا شده می­تواند بسرعت یخ زده شود که معمولا بوسیله پهن کردن عضله بین دو تکه فلز قرار داده شده در نیتروژن مایع انجام می­شود ولی تنها یک اندازه­گیری از هر عضله می­تواند انجام شود. برای روشهای شیمیایی، بافت یخ می­زند، استخراج می­شود (معمولا با اسید) ومتابولیتها در مایع استخراج شده­ی خنثی شده، اندازه گرفته می­شود (de Haan et el 1986). روشهای آنالیتیکی مانند سنجش آنزیمی می­تواند بسیار حساس و با ظرافت باشد که احتمالا اندازه­گیریها در یک تار منفرد هم ممکن باشد. اخیرا کروماتوگرافی با فشار بالا (HPLC) که روشی بسیار راحت و مناسب برای اندازه­گیری نوکلئوتیدها، کراتین و فسفوکراتین می­باشد مورد استفاده قرار می­گیرد. هرچند که اندازه­گیری آثار لاکتات توسط این روش بسیار مشکل است (Karatzaferi et al 1999). اسپکتروسکوپی تشخیص مغناطیسی (MRS) نیز برای اندازه­گیری متابولیتهای فسفردار عضله مورد استفاده قرار می­گیرد. در این تکنیک، هسته فسفری عامل واکنش در زمینه­ی مغناطیسی هستند و انرژی را بصورت امواج مغناطیسی ساطع می­کنند. مقدار تابش، ویژه­ی ترکیبات شیمیایی آن بخش است و دامنه سیگنال متناسب  با مقدار آن ترکیب می­باشد. بنابراین آنالیز fourier سیگنال، که مقدار انرژی را در مقدارهای متفاوت خواهد داد، اطلاعاتی در مورد ترکیبات و غلظت متابولیتهای فسفری موجود در بافت خواهد داد. پیشرفتهایی در تکنولوژی مغناطیسهای هدایتی منجر به ساخته شدن ماشینهای MRS گردیده است که می­توان کل بدن را در آن جا داد، ولی این ابزار در ابتدا برای تصویر برداری پزشکی مورد استفاده قرار گرفت. مزیت بزرگ MRS، غیر تهاجمی بودن اندازه­گیریها می­باشد و آسیبی به بافتهایی که اندازه­گیری شده، نمی­زند و می­تواند تکرار شود  اصلی ترین مشکل MRS این است که سیگنالهای رادیویی خیلی ضعیف است و تعدادطیفها باید به حد متوسطی برسد تا اطلاعات قابل اطمینانی بدست آید. بعنوان مثال حدود یک دقیقه لازم است تا اندازه­گیریهای قابل قبولی ااز عضلات کوچک بدست آید. در نتیجه دنبال کردن تغییرات سریع در متابولیتها مشکل است. مشکل دیگر این دستگاه این است که اندازه­گیریها شامل حجم ثابتی از عضله می­باشد و امکان تشخیص بین تغییرات در مجموع تارهای مختلف وجود ندارد. یکی از تفاوتهای اصلی بین اندازه­گیریهای انجام شده توسط MRS و نمونه برداری سوزنی، از بین رفتن ATP در انقباضات خسته کننده می­باشد. اندازه­های MRS تغییرات بسیار کم و یا هیچ نشان می­دهد در حالیکه اندازه­گیریهای نمونه برداری سوزنی تغییرات محسوسی را نشان می­دهد.قسمتی از تفاوتها ممکن است بدلیل تغییرات اتفاق افتاده در نوع سریع و 2 تارهای عضلانی باشد. PH درونی تارهای عضله را می­توان از موقعیت اوج Pi در MRS تخمین زد. با تغییرات PH شارژ Pi و ویژگیهای متعدد دیگر تغییر خواهند کرد. لاکتات نمی­تواند بطور مستقیم توسط فسفر اندازه­گیری شود اما تغییرات در غلظت لاکتات را می­توان از تغییر در مقدار طبیعی بافرهای درون سلولی محاسبه کرد. بافرهای اصلی شامل هیستیدین متصل به پروتئین، کارنوزین، بی کربنات و در عضله­ی خسته Pi می­باشد. سؤالات 1- مسیرهای اصلی بازسازی ATP چیست؟ 2-تحت چه شرایطی مسیرهای متفاوتی مورد استفاده قرار می­گیرند؟ 3-چگونه میانجیهای چرخه TCA دوباره ایجاد می­شوند؟ 4- قسمتهای تولید و مصرف ATP از هم دور هستند. سلول عضلانی چگونه با این مشکل برخورد می­کند؟ 5- گلیکولیز نیازمند بازسازی NAD+ در زمان تمرین با شدتهای مختلف می­باشد. سلول عضلانی چگونه این کار را انجام می­دهد؟ 6-اثرات غلظت بالای ADP را در مسیرهای متابولیکی مختلف توضیح دهید. 7-بخشهای تنظیمی اصلی گلیکولیز چیست؟ 8-بخشهای تنظیمی اصلی متابولیسم هوازی کربوهیدرات چه می­باشد؟ 9-دلیل اینکه PFK به عنوان مرحله محدود کننده در گلیکولیز می­باشد چیست؟ 10-مزایا و معایب تکنیکهای آنالیتیکی مختلف مطالعه متابولیسم عضله چیست؟  واکنش هیدرولیز و بازسازی بی هوازی ATP . ADP: آدنوزین دی فسفات، AMP: آدنوزین مونو فسفات، ATP: آدنوزین تری فسفات، Cr: کراتین، IMP: اینوزین مونو فسفات، Pi: فسفات غیر آلی، PCr: فسفوکراتین. شکل 2-6 واکنش کراتین کیناز. توجه کنید که هنگام جذب پروتون، ATP ساخته شده است. شکل3-6 نگاهی کلی بر گلیکولیز، شامل مرحله فسفوریلاز و واکنش α کتوگلوتارات. نام آنزیمها پررنگ نوشته شده است. شکل4-6 نگاهی کلی بر چرخه TCA. CoA: کوآنزیم A، FADH2: شکل احیا شده­ی فلاوین آدنین دی نوکلئوتید، GTP: گوانوزین تری فسفات، NADH: شکل احیا شده­ی نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید. شکل5-6 طرح کلی از زنجیره انتقال الکترون که در ماتریکس و بین غشای داخلی و خارجی میتوکندری صورت می­گیرد.الکترونها (e-) از کوآنزیمهای احیا شده­ی NADH و FADH2 جدا شده و وارد کمپلکسهای I یا II در زنجیره انتقال الکترون می­گردند و برای انتقال پروتون (H+) از ماتریکس میتوکندری به فضای غشای داخلی انرژی مصرف می­شود. گذشتن پروتونها از کمپلکس V انرژی مورد نیاز برای سنتز ATP را ایجاد می­کند. شکل6-6 کنترل هورمونی فسفوریلاز. عمل آدرنالین در ابتدا شروع واکنشهای فسفوریلاسیون می­باشد که منجر به فعالسازی فسفوریلاز می­گردد.فسفوریلاز کیناز نیز فعال می­باشد. تجمع میانجیهای گلیکولیتیکی در زمان انقباضات ایزومتریک خسته کننده. A: غلظتهای میانجیهای گلیکولیتیکی قبل و بعد از واکنش فسفوفروکتوکیناز(PFK) (فلش). B: تجمع α گلیسرول فسفات و لاکتات که نیازمند بازسازی NAD از NADH می­باشند.gdw: وزن خشک عضله بر حسب گرم، Gluc: گلوکز، G1P: گلوکز 1 فسفات، G6P: گلوکز 6 فسفات، F6P: فروکتوز 6 فسفات، F1,6P: فروکتوز 1و6 بی فسفات، G3P: گلیسرآلدئید 3 فسفات، DHAP: دی هیدروکسی استن فسفات، αGP: αگلیسروفسفات، Lac: لاکتات. (اقتباس از ادواردز و همکاران 1972). شکل8-6 مسیرهای آناپلروتیکی برای میانجیهای چرخه TCA. PEP:فسفوانول پیروات. شکل 9-6 شاتل کراتین کیناز و فسفوکراتین. شکل نشان می­دهد که فسفات پرانرژی از غشای داخلی میتوکندری (سمت چپ) عبور کرده و به تارچه­ها منتقل می­شود.   مدل وان برای منابع انرژی استفاده شده در حین تمرین. اندازه مختلف در هر وان دلالت بر انرژی کلی موجود برای سوبستراهای مختلف دارد، بجز اینکه آنها برای اکسیداسیون کربوهیدرات و چربی بطور زیادی پایین تر از مقدار موجود هستند. توجه داشته باشید که اندازه­ی شیرها دلالت بر حداکثر مقدار ATP دارد که می­تواند استفاده شده و یا دوباره سنتز شود. شکل 11-6 اسپکتروسکوپی تشخیص معناطیسی برای اندازه­گیری متابولیتهای فسفری در عضله انسان استفاده می­شود. طیفهای میانگین برای عضله کاملا در حال استراحت (کنترل) و برای عضله­ای با 15، 30 و 45 ثایه از حداکثر انقباض اختیاری. توجه کنید که کاهش پیش رونده ای در مقدار فسفوکراتین (PCr) و افزایش در فسفات معدنی (Pi) دیده می­شود. در قله­های α، b و g مقدار ATP است.
امتیاز:
 
بازدید:
[ ۱۵ شهریور ۱۴۰۳ ] [ ۱۲:۲۵:۴۸ ] [ شب تاریک ]
نظرات (0)
[ ]
.: Weblog Themes By nasrblog :.

درباره وبلاگ

حامدرحیمی پنجکی سایت مرتبط با ورزش .علوم ورزشی،هنرهای رزمی،
موضوعات وب
موضوعی ثبت نشده است
آرشیو مطالب
شهریور ۱۴۰۳
پنل کاربری
نام کاربری :
پسورد :
لینک های تبادلی
فاقد لینک
تبادل لینک اتوماتیک
لینک :
خبرنامه
عضویت   لغو عضویت
امکانات وب