Мышечная ткань обладает высокой метаболической активностью и способна быстро перестраивать энергетические пути в зависимости от интенсивности физической нагрузки. Основными источниками энергии являются АТФ, креатинфосфат, гликоген и липиды. АТФ обеспечивает немедленное снабжение энергией сократительных белков, однако его запасы в мышцах ограничены и расходуются в течение нескольких секунд активной работы. Креатинфосфат участвует в регенерации АТФ через реакцию:
[ + + ]
Эта система обеспечивает кратковременное и интенсивное сокращение мышц до 10–15 секунд.
При высокоинтенсивной нагрузке, когда скорость распада АТФ превышает возможности митохондрий, доминирует анаэробный гликолиз. Гликоген мышц расщепляется до глюкозы, которая превращается в пируват, а при недостатке кислорода — в лактат. Этот путь обеспечивает быстрое производство АТФ, но сопровождается накоплением молочной кислоты, что вызывает снижение рН и временное ухудшение сократительной способности мышц. Анаэробный гликолиз важен для спринтерских нагрузок и кратковременных интенсивных усилий.
Для длительных и умеренно-интенсивных нагрузок ключевую роль играет аэробное окисление. Пируват и жирные кислоты поступают в митохондрии, где через цикл Кребса и дыхательную цепь образуется большое количество АТФ. Этот процесс медленнее, чем анаэробный гликолиз, но обеспечивает устойчивое энергоснабжение мышц. Окисление глюкозы и жирных кислот регулируется концентрацией АДФ, НАД⁺, ФАД и кислорода, а также гормональными сигналами (адреналин, кортизол, инсулин).
При умеренной и длительной нагрузке источником энергии служат свободные жирные кислоты, мобилизованные из жировой ткани. Окисление триглицеридов в митохондриях сопровождается высокой энергетической отдачей, что позволяет экономить запасы гликогена. Аминокислоты участвуют в энергетическом обмене преимущественно при истощении углеводных ресурсов; часть их превращается в интермедиаты цикла Кребса (например, аланин в пируват), что поддерживает производство АТФ.
Креатинфосфатная система является первичным источником энергии для коротких, интенсивных движений. Концентрация креатинфосфата в мышцах достигает 20–30 ммоль/кг сухой массы, что позволяет поддерживать максимальную силу в течение 5–10 секунд. После истощения запасов КФ анаэробный гликолиз начинает компенсировать недостаток АТФ, но с меньшей скоростью и с образованием лактата.
Лактат ранее рассматривался как побочный продукт, вызывающий мышечную усталость. Современные исследования показывают, что он является активным метаболитом и может использоваться в качестве источника энергии соседними клетками и в печени для глюконеогенеза. Лактат выполняет роль буфера в регуляции pH и участвует в сигнальных процессах, стимулируя адаптивные изменения митохондрий.
Энергетический обмен в мышцах координируется гормональной системой. Адреналин и норадреналин увеличивают мобилизацию гликогена и липидов, стимулируя гликогенолиз и липолиз. Кортизол поддерживает энергетический обмен при длительной нагрузке, повышая доступность аминокислот и свободных жирных кислот. Инсулин способствует поступлению глюкозы в мышцы при восстановительных процессах после нагрузки.
После интенсивной работы происходит активное восстановление запасов АТФ и креатинфосфата, гликогена и восстановление кислотно-щелочного баланса. В митохондриях продолжается аэробное окисление, происходит утилизация накопленного лактата и частичное использование аминокислот для синтеза белка. Процессы восстановления определяют последующую работоспособность и способность к адаптации мышц к нагрузкам.
Современные данные указывают на существование гибридного метаболизма, когда различные энергетические пути активны одновременно. Интенсивность нагрузки, тип мышечных волокон и продолжительность активности определяют соотношение аэробных и анаэробных процессов. Быстрые волокна преимущественно используют креатинфосфат и анаэробный гликолиз, медленные — аэробное окисление липидов и глюкозы. Такой механизм обеспечивает максимальную эффективность работы мышц в широком диапазоне физических нагрузок.