Bài giảng Sinh hóa thể thao (p1)

PHẦN BA : SINH HÓA THỂ THAO CHƯƠNG XVI : SINH HOÁ CƠ VÀ SỰ CO CƠ16.1. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG SỢI CƠ 16.2. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA CƠ 16.3. CÁC QUÁ TRÌNH SINH HOÁ XẢY RA TRONG CO CƠ 16.1. CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG SỢI CƠ	 Co cơ là dạng chuyển động sinh học hoàn thiện nhất - đó là quá trình cơ-hoá được điều hoà ở mức độ cao. Chức năng cơ bản của cơ là duy trì sức căng và sự co rút. Chức năng đó - được gọi là co cơ, đảm bảo cho sự hoạt động đa dạng của cơ thể. Cơ là một cỗ máy phân tử phức tạp có khả năng chuyển các năng lượng hoá học trực tiếp thành công cơ học bỏ qua quá trình chuyển hoá trung gian. Do vậy năng lượng hao hụt thấp, cơ có hệ số hoạt động hữu ích cao (từ 30-50%) 	 Trong khi co cơ, ở cơ xảy ra nhiều quá trình khác nhau : thay đổi đồng thời tính thẩm thấu của màng và hoạt động “bơm ion”, biến đổi tuần tự hoạt tính của các men, của tốc độ các quá trình đảm bảo năng lượng, tác động tĩnh điện qua lại, biến đổi cấu trúc của sợi cơ. Năng lượng tiêu hao khi co cơ đã làm thay đổi mối quan hệ tương hỗ giữa các protit co của cơ và vị trí tương quan của chúng.	 Ở động vật và người có hai loại cơ chính : cơ vân và cơ trơn. Các cơ vân cố định với xương vì vậy còn được gọi là cơ xương. Sợi cơ vân cũng là thành phần tạo nên cơ tim, mặc dù cơ tim có một số đặc điểm về cấu trúc và sinh hoá khác cơ vân. Cơ trơn tạo nên cơ của thành mạch máu và ruột, nó còn nằm trong các tổ chức của cơ quan nội tạng và da. 	 Đối với sinh hoá thể thao, cơ vân đáng được quan tâm nhất. Đơn vị cấu trúc của cơ là sợi cơ. Sợi cơ có ba loại : sợi cơ trắng co nhanh (FT), sợi trung gian (FR) và sợi cơ đỏ co chậm (ST). Về đặc tính sinh hoá chúng khác nhau cơ bản ở cơ chế đảm bảo năng lượng cho sự co cơ. Chúng được điều khiển bởi các nơron vận động khác nhau, chính điều đó làm cho chúng bắt đầu hoạt động vào các thời điểm khác nhau với tốc độ co cơ khác nhau. Những cơ khác nhau có tỷ lệ các loại sợi cơ khác nhau.	 Mỗi một cơ bao gồm vài nghìn sợi cơ được liên kết với nhau bởi các lớp mô liên kết và lớp màng. Sự gắng sức của cơ chính là gắng sức của các sợi cơ.	 Mỗi một sợi cơ có độ dài từ 0,1 đến 2 - 3 cm (sợi cơ may dài đến 12 cm) và bề dày của nó từ 0,01 đến 0,2mm. Sợi cơ được coi như một tế bào lớn. Nó được bao bọc bởi một màng bao sợi cơ - sarcolema. Trên bề mặt màng có nhánh tận cùng của nơron vận động. Có thể có một vài nhánh tận cùng của nơron đi đến một sợi cơ. Tất cả các cơ xương đều được phân bổ nhiều mạch máu. Mỗi một đơn vị cấu trúc của sợi cơ thực hiện một chức năng nhất định. 	  Sarcolema được cấu tạo bởi hai lớp màng lipoprotein có độ dày khoảng 10nm giống như các sợi keo. Khi cơ thả lỏng trong màng tạo thành lực đàn hồi và chính lưc đấy kéo sợi cơ về vị trí ban đầu Trong sợi cơ có chứa cơ tương. Cơ tương là một cấu trúc protein-keo, có chứa các hạt glycogen, giọt lipit và nhiều chất khác. Trong cơ tương còn có nhân tế bào, ty thể, myofibrin, riboxom...	Myofibilla ( tơ cơ) là thành phần co của cơ. Chiều dài của chúng bằng chiều dài của sợi cơ và đường kính khoảng 1-2 micromet. Những cơ không rèn luyện myofibilla nằm phân tán, còn ở những cơ tập luyện thì chúng nằm thành bó. Mỗi myofibilla có hình vân ngang do sự xen kẻ các đĩa sáng và đĩa tối. Đĩa tối (đĩa A) có nhiều protein hơn , đĩa sáng (đĩa I) được cắt ngang bởi màng Z. Đĩa A có phần giữa sáng hơn gọi là vùng H, sẫm hơn gọi là vùng M. Khoảng cách giữa hai màng Z gọi là ô cơ( sacromer), trong 1 sợi cơ có khoảng từ 1.000 - 1200 ô cơ. Khi cơ co, đĩa A không thay đổi còn chiều dài đĩa I ngắn lại. Giữa các sợi tơ có các ty thể, đây là các trạm năng lượng của sợi cơ. Số lượng các ty thể ở cơ được tập luyện nhiều hơn ở các cơ không tập luyện.16.2. THÀNH PHẦN HOÁ HỌC CỦA CƠ 	Nước chiếm 70-80% trọng lượng của cơ. trọng lượng khô chiếm khoảng 17-21%. Phần lớn trọng lượng khô là protit, còn lại là các chất hữu cơ, muối khoáng và axit photphoric tự do. Khoảng 40% protit cơ chứa trong sợi cơ, khoảng 30% ở cơ tương, khoảng 14% ở ty lạp thể, khoảng 15% ở sarcolema, phần còn lại ở trong nhân và trong các tiểu cơ quan khác của tế bào. Khi nghiền nhỏ cơ bằng nước, các protit cơ tương của nhóm tạo cơ (chủ yếu là các men, trong đó có men gluco phân) và myoalbumin (protit dự trữ) chuyển sang dạng dung dịch. Trong cơ tương của sợi cơ dạng ST có protit nhuộm màu đỏ là myoglobin - chromoproteit, theo cấu trúc và chức năng gần giống với hemoglobin của máu và có khả năng liên kết với oxy ở mức cao hơn so với hemoglobin. Nếu sau khi chiết xuất mô cơ bằng nước và xử lý bằng dung dịch muối (0,1M dung dịch KCl), trong dung dịch sẽ có protit là globulin. Trong đó có cả các men và protit dự trữ, nếu được tập luyện chúng có thể chuyển thành protit co rút của tơ cơ. Protit tơ cơ được tách ra từ cơ nghiền nhỏ nhờ dung dịch muối đậm đặc hơn (0,6 - 1M dung dịch KCl hoặc NaCl). Hơn một nửa protit tơ cơ là myozin, gần 1/4 là actin, còn lại là tropomiozin, troponin,  và  - actinin, men CP -aza, đezaminaza axit ađenilic và một số chất khác. 16.3. CÁC QUÁ TRÌNH SINH HOÁ XẢY RA TRONG CO CƠ Khi cơ co, xảy ra quá trình lặp đi lặp lại sự hình thành và phá vỡ các cầu nối giữa các “đầu” phân tử myozin của sợi tơ cơ dày và các trung tâm hoạt hoá của các đơn vị G-actin của sợi tơ cơ mỏng. Sự hình thành các cầu nối có thể trình bày như sau. Khi cơ ở trạng thái thả lỏng, “đầu” của myozin tạo thành các ngạnh bên của sợi tơ cơ dày. Trong quá trình co “đầu” hơi nghiêng sang bên mộtt góc. Khi đó hình thành cầu nối giữa actin và myozin. Sau đó cấu trúc “đầu” phân tử myozin thay đổi, do đó ở cầu nối xuất hiện sức căng; cầu nối ngắn lại và đẩy sợi actin dọc theo myozin về hướng trung tâm của ô cơ với một khoảng cách đúng bằng chiều dài của đơn vị G-actin.Để đẩy toàn bộ sợi tơ cơ mỏng vào khoảng giữa các sợi dày thì một cầu nối là không đủ. Ở thời điểm co cơ trong 1 phút đã tạo ra khoảng 300 cầu nối ở mỗi trung tâm hoạt hoá.Sự rút ngắn cầu nối và di chuyển sợi actin dọc theo myozin là một quá trình đòi hỏi phải tiêu hao năng lượng. Chất ATP trực tiếp biến năng lượng hoá học thành công cơ học của sự co cơ. Sự biến đổi năng lượng như vậy xảy ra khi quá trình thuỷ phân ATP được đẩy nhanh bởi hoạt tính men của myozin. Khi đó năng lượng được truyền cho myozin và myozin thay đổi cấu trúc bên trong, thực hiện công cơ học. Để làm rõ cơ chế truyền năng lượng cho phân tử protit co, người ta đưa ra một vài phương án về sơ đồ xảy ra các phản ứng hoá học. Một nhóm nhà nghiên cứu cho rằng, sự truyền năng lượng từ ATP sang actomyozin bằng cách tạo thành myozin - photphat cao năng lượng; có người lại cho rằng, khi phân giải ATP photphat được giải phóng ngay ở dạng tự do M - ATP + H2O 	M ~ P + ADP;Myozin 	 Myozin photphatM ~ P + A 	 M ~ A + Pn Actomyozin Photphat vô cơ cao năng lượngM - ATP + A 	 M - ATP - A 	 Actomyozin cao năng lượng Nhận được năng lượng của ATP dù bằng cách nào thì các protit cũng tạo thành liên kết actomyozin giàu năng lượng có khả năng thực hiện việc co các cầu nối : M ~ A 	 M - A + công	(2a)Hoặc :M - ATP - A + H2O M - ADP - A + Pn + công Sau khi co cần phải tách các cầu nối và lúc đó cũng cần sự tham gia của ATP, nhưng nó không phân giải, mà lại tạo thành liên kết men - cơ chất với myozin :M - A + ATP 	 M- ATP + A 	(3a)Hoặc :M - ADP - A + ATP M- ATP + A + ADP 	(3b)Nếu vào thời điểm này lại có xung động thần kinh mới thì các phản ứng từ 1 đến 3 được lặp lại. Nếu không xuất hiện xung động mới thì thả lỏng. Một trong các protit của ô cơ hoạt động như men colinexteraza phân giải axetylcolin. Axetylcolin mất đi dẫn đến việc phục hồi sự phân bổ ban đầu ion Na+ và K+ ở ô cơ và màng sợi cơ. Đồng thời cơ chế bơm canxi ở túi SR lại trở thành tích cực. Khi phân giải ATP, sợi cơ sử dụng năng lượng của ATP để liên kết ion Ca++ và troponin được giải phóng khỏi Ca++ sẽ cản trở việc hình thành cầu nối mới :T - Ca++ + SR + ATP 	T + SR - Ca++ + ADP + Pn;T + A 	A - TSự trở lại trạng thái co ban đầu của cơ khi thả lỏng xảy ra có sự tham gia của lực đàn hồi ở protit đệm.Những giả thuyết về sự co cơ đã trình bày ở trên cho thấy, trong thời điểm co cơ chỉ xảy ra sự trượt của sợi actin dọc theo myozin, tuy nhiên một vài thực nghiệm đã chứng tỏ có sự rút ngắn các tơ cơ, điều đó có thể liên quan đến sự thay đổi cấu trúc không gian của các protit co khi co cơ, ví dụ sự chuyển từ mạch polipeptit  - lò xo mỏng sang  - lò xo dày và ngắn hơn.Khi cơ ở trạng thái yên tĩnh, ATP liên kết với myozin và cản trở sự tạo thành cầu nối với actin (hiệu quả tạo hình). Trong thời điểm cơ co ATP phân giải cho năng lượng cần thiết để rút ngắn cầu ngang. Ngoài ra sự phân giải ATP còn đảm bảo năng lượng cho hoạt động của “bơm canxi” ở các túi của sợi cơ. Sự phân giải ATP ở trong cơ xảy ra với tốc độ rất lớn : đến 10 micromol trên 1g cơ trong 1 phút. Bởi vì tổng dự trữ ATP trong cơ không lớn (nó chỉ đảm bảo cho hoạt động cơ với công suất tối đa từ 0,5 - 1 giây), vì vậy để đảm bảo cho hoạt động cơ bình thường thì ATP cần phải tái tạo với tốc độ tương ứng với tốc độ như chúng bị phân giải.