Утомление мышечной и нервной ткани напрямую связано с динамикой энергетических запасов клетки. Основной источник энергии для сокращения мышц и поддержания электрической активности нейронов — аденозинтрифосфат (АТФ). В состоянии покоя концентрация АТФ поддерживается на уровне 5–8 мМ, что обеспечивает мгновенный энергетический пул. При интенсивной физической нагрузке скорость расхода АТФ превышает возможности митохондриального окисления, и включаются резервы креатинфосфата.
Креатинфосфат обеспечивает регенерацию АТФ по реакции:
[ ]
Однако запасы креатинфосфата ограничены и истощаются в течение первых 10–15 секунд интенсивного сокращения. Дальнейшая поддержка АТФ обеспечивается анаэробным гликолизом, сопровождающимся накоплением лактата и ионов водорода, что снижает рН и вызывает кислотное утомление.
Анаэробный гликолиз превращает глюкозу в пируват с образованием 2 молекул АТФ на каждую молекулу глюкозы. В условиях недостатка кислорода пируват превращается в лактат:
[ ]
Накопление лактата приводит к снижению внутриклеточного рН до 6,4–6,8, что ингибирует активность ферментов гликолитического и цитратного циклов, а также снижает чувствительность сократительного аппарата к кальцию. Это вызывает замедление или ослабление мышечного сокращения.
В нервной ткани утомление сопровождается снижением запасов гликогена, уменьшением транспорта ионов натрия и калия через мембрану, а также накоплением нейромедиаторов и продуктов их метаболизма, что приводит к снижению возбудимости нейронов.
Ионы кальция, магния, калия и натрия играют ключевую роль в генерации потенциалов действия и сокращении мышечных волокон. При утомлении наблюдается:
Эти ионные нарушения тесно связаны с метаболическим стрессом и являются причиной функционального торможения сокращения мышц и передачи сигналов в нервной системе.
Ключевым индикатором утомления является отношение АТФ/АДФ/АМФ и активность ферментов, регулирующих их баланс. Аденилаткиназа поддерживает энергетический гомеостаз по реакции:
[ 2АДФ ⇄ АТФ + АМФ]
Повышение концентрации АМФ активирует фермент фосфофруктокиназу, ускоряя гликолиз, но при чрезмерной нагрузке скорость синтеза АТФ не компенсирует расход, что ведет к метаболическому утомлению.
Физиологическое утомление сопровождается изменением уровня катехоламинов, кортизола и адренокортикотропного гормона. Эти вещества модулируют метаболизм глюкозы, липидов и аминокислот, увеличивая доступность энергетических субстратов, но при длительной нагрузке их избыток усиливает окислительный стресс и повреждение мембран.
В нервной системе снижение концентрации ацетилхолина и истощение запасов других нейротрансмиттеров на синапсах приводит к замедлению проведения импульсов и снижению мотивационной активности, что проявляется как субъективное чувство усталости.
Оксидативный стресс при интенсивной нагрузке вызывает модификацию белков, липидов и нуклеиновых кислот. Продукты перекисного окисления липидов нарушают целостность мембран, изменяют активность ионных каналов и ферментов, усиливая утомление. Повреждения митохондрий снижают эффективность аэробного синтеза АТФ, что ускоряет переход на анаэробные пути и накопление метаболитов, тормозящих сокращение.
Ключевыми продуктами, участвующими в механизмах утомления, являются:
Эти метаболические изменения взаимосвязаны и формируют комплекс биохимических процессов, приводящих к функциональному снижению работоспособности мышц и нервной системы.
Ферменты, участвующие в гликолизе, цикле трикарбоновых кислот и окислительном фосфорилировании, выступают в роли первичных регуляторов. Факторы транскрипции, сенсоры энергетического состояния клетки (например, AMPK), а также белки шапероны и антиоксидантные системы формируют адаптационный ответ, определяющий скорость наступления и интенсивность утомления.
Эффективность этих механизмов и скорость восстановления энергетического гомеостаза определяют индивидуальные различия в физической и нервной выносливости.