biohimiyaverstka

3.3.Источники энергии для мышечной работы

Непосредственным источником энергии для мышечной деятельности служит реакция расщепления АТФ. При ферментативном гидролизе АТФ, протекающем согласно уравнению:

АТФаза

АТФ + Н2O АДФ + Н3РO4 + E,

происходит освобождение энергии, преобразуемой в процессе мышечного сокращения в механическую работу. При гидролизе концевой макроэргической связи АТФ освобождается энергия. Количество освобождаемой энергии зависит от рН среды, концентрации неорганического фосфата, а также соотношения концентраций АТФ и АДФ в клетке. При физиологических условиях (существующих в организме) энергия гидролиза 1 моля АТФ составляет около 40 кДж.

Содержание АТФ в мышце относительно постоянно. Концентрация АТФ составляет около 0,25 % от массы мышцы. Накапливать большое количество АТФ мышца не может, так как при этом возникает субстратное угнетение миозиновой АТФазы, препятствующее образованию спаек между актиновыми и миозиновыми нитями в миофибриллах и ведущее к утрачиванию сократительной способности мышцы. С другой стороны, концентрация АТФ не может быть ниже 0,1 %, поскольку при этом перестает действовать кальциевый насос в пузырьках саркоплазматического ретикулума, и мышца будет сокращаться вплоть до полного исчерпания запасов АТФ и развития ригора – стойкого непроходящего сокращения.

Запасов АТФ в мышце достаточно на 3–4 одиночных сокращения. Следовательно, необходимо постоянное и весьма интенсивное восполнение АТФ – ее ресинтез.

Покоящаяся мышца, подобно другим тканям, для поддержания постоянства своего состава и непрерывного

241

протекания метаболических процессов требует постоянного обеспечения АТФ. В то же время мышца сильно отличается от других тканей тем, что ее потребность в энергии в форме АТФ при сокращении мышцы может почти мгновенно возрастать в 200 раз.

Ресинтез АТФ при мышечной деятельности может осуществляться как в ходе реакций, идущих в анаэробных условиях, так и за счет окислительных превращений в клетках, связанных с потреблением кислорода. В скелетных мышцах выявлены три вида анаэробных процессов, в ходе которых возможен ресинтез АТФ, и один аэробный.

Анаэробные процессы, в ходе которых возможен ресинтез АТФ:

–креатинфосфокиназная реакция (фосфогенный или алактатный анаэробный процесс), где ресинтез АТФ происходит за счет перефосфорилирования между креатинфосфатом и АДФ;

–миокиназная реакция, при которой ресинтез АТФ осуществляется за счет дефосфорилирования определенной части АДФ;

–гликолиз (лактацидный анаэробный процесс), где ресинтез АТФ осуществляется по ходу ферментативного анаэробного расцепления углеводов, заканчивающегося образованием молочной кислоты.

Для количественной оценки процессов аэробного и анаэробного преобразования энергии при мышечной деятельности используются три основных критерия:

–критерий мощности, оценивающий скорость преобразования энергии в данном процессе;

–критерий емкости, отражающий общие запасы энергетических веществ или количество освобождаемой энергии и выполненной работы;

–критерий эффективности, который показывает соотношение между энергией, затраченной на ресинтез АТФ,

иобщим количеством энергии, выделенной в ходе данного процесса.

242

Анаэробные и аэробный процессы преобразования энергии заметно различаются по мощности, емкости и эффективности. По этим параметрам анаэробные процессы имеют преимущество при выполнении кратковременных упражнений высокой интенсивности, а аэробные – при длительной работе умеренной интенсивности.

Рассмотрим процессы ресинтеза АТФ в мышце и порядок их включения.

Креатинкиназная реакция. Первым и самым быстрым процессом ресинтеза АТФ является креатинкиназная реакция. Креатинфосфат (Кф) – макроэргическое вещество, адсорбированное на сократительных белках миофибрилл или связанное с мембранами саркоплазматического ретикулума. С сократительным белком актином тесно связан и фермент креатинфосфокиназа, катализирующий реакцию перефосфорилирования между КрФ и АДФ:

Кф + АДФ К + АТФ

Как только уровень АТФ начинает снижаться, немедленно запускается креатинкиназная реакция, обеспечивающая ресинтез АТФ. Фермент креатинфосфокиназа очень чувствителен к изменениям рН среды: максимум активности он проявляет при слабощелочной среде и резко угнетается при значительном снижении внутриклеточного рН. Ионы Са2+, освобождающиеся при мышечном сокращении, также активируют креатинфосфокиназу. Но наиболее интересным представляется факт активации этого фермента со стороны образующегося в ходе реакции свободного креатина. Скорость расщепления Кф в работающей мышце прямо пропорциональна интенсивности выполняемой работы и величине мышечного напряжения.

В первые секунды после начала работы, пока концентрация Кф высока, высока и активность креатинкиназы. Почти все количество АДФ, образовавшейся при распаде АТФ, вовлекается в этот процесс, блокируя тем самым другие процессы ресинтеза АТФ в мышце. После того как

243

запасы Кф в мышцах будут исчерпаны примерно на 1/3, скорость креатинкиназной реакции будет снижаться; это вызовет включение других процессов ресинтеза АТФ.

Креатинкиназная реакция обратима. Во время мышечной работы преобладает прямая реакция, пополняющая запасы АТФ, в период покоя – обратная реакция, восстанавливающая концентрацию Кф в мышце. Однако ресинтез Кф возможен отчасти и по ходу длительной мышечной работы, совершаемой в аэробных условиях.

Креатинфосфокиназная реакция составляет биохимическую основу локальной мышечной выносливости. Она играет основную роль в энергообеспечении кратковременных упражнений максимальной мощности – бег на короткие дистанции, прыжки, метание, тяжелоатлетические упражнения. Эта реакция обеспечивает возможность быстрого перехода от покоя к работе, внезапных изменений темпа по ходу ее выполнения, а также финишного ускорения.

Гликолиз. Следующий путь ресинтеза АТФ – гликолиз. В процессе гликолиза внутримышечные запасы гликогена и глюкоза, поступающая в клетки из крови, расщепляются ферментативным путем до молочной кислоты. Ферменты, катализирующие реакции гликолиза, локализованы на мембранах саркоплазматического ретикулума и в саркоплазме мышечных клеток. Гликогенфосфорилаза и гексокиназа – ферменты гликогенолиза и первой реакции гликолиза – активируются при повышении в саркоплазме содержания АДФ и фосфорной кислоты.

В начальной стадии гликолиза молекула углевода активируется за счет присоединения фосфатной группы от АТФ и через ряд последующих реакций преобразуется в фосфоглицериновый альдегид, служащий субстратом анаэробного окисления в одной из центральных реакций этого ферментативного процесса. В результате окисления альдегид превращается в кислоту, а высвободившаяся при этом энергия используется для образования макроэргических фосфатных связей. На заключительной стадии

244

гликолиза промежуточные макроэргические соединения – дифосфоглицериновая и фосфопировиноградная кислоты – передают богатую энергией фосфатную группу на АДФ и приводят таким образом к ресинтезу АТФ.

Общий итог гликолиза может быть представлен в виде следующих уравнений:

С6Н12O6 + 2 АДФ + 2Н3РO4		2С3Н6O3 + 2 АТФ +2Н2О;
Глюкоза		Молочная
		кислота

Наибольшей скорости гликолиз достигает уже на 20– 30-й секунде после начала работы, а к концу 1-й минуты работы становится основным источником вновь ресинтезируемой АТФ. Метаболическая емкость этого процесса на порядок (более чем в 10 раз) выше емкости креатинфосфокиназной реакции, но гликолиз отличается относительно невысокой эффективностью.

Энергетический эффект гликолиза невелик и составляет всего 2 моль АТФ на 1 моль глюкозо-1-фосфата, полученного при фосфоролизе гликогена. Кроме того, следует учесть, что примерно половина всей выделяемой энергии в данном процессе превращается в тепло и не может использоваться при работе мышц; при этом температура мышц повышается до 41–42°С.

Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Молочная кислота легко диффундирует через клеточные мембраны по градиенту концентрации. Поступая из работающих мышц в кровь, она вступает во взаимодействие с бикарбонатной буферной системой, что приводит к выделению «неметаболического» избытка СO2:

NaHCO3 + CH3CH/OH/COOH

CH3CH/OH/COONa + H2O + CO2 ↑

Поскольку увеличение концентрации водородных ионов и повышение напряжения СO2 служат основными метаболическими сигналами для дыхательного центра, то

245

при выходе молочной кислоты в кровь резко усиливается легочная вентиляция и поставка кислорода к работающим мышцам.

Однако, накапливаясь в мышцах, молочная кислота вызывает изменение концентрации ионов водорода во внутриклеточной среде, т. е. происходит сдвиг рН среды

вкислую область. В слабокислой среде происходит активация ферментов цепи дыхания в митохондриях, с одной стороны, и угнетение ферментов, регулирующих сокращение мышц (АТФазы миофибрилл) и скорость ресинтеза АТФ в анаэробных условиях – с другой. Но, прежде чем перейти к рассмотрению процесса ресинтеза АТФ в аэробных условиях, отметим, что гликолиз служит биохимической основой так называемой скоростной выносливости и играет важную роль в энергообеспечении упражнений, продолжительность которых составляет от 30 до 150 с. К ним относятся бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и др. За счет гликолиза совершаются длительные ускорения по ходу упражнения и на финише дистанции.

Ресинтез АТФ в аэробных условиях. Аэробным процессом ресинтеза АТФ служит окисление субстрата до оксида углерода (IV) и воды. Аэробный механизм ресинтеза АТФ отличается наибольшей производительностью: в обычных условиях на его долю приходится около 90 % от общего количества АТФ, ресинтезируемой в организме. Общий выход энергии при аэробном процессе в 19 раз превышает таковой при гликолизе.

Ферментные системы аэробного обмена расположены

восновном в митохондриях клеток. Они подразделяются на субстратные циклы окисления, где в ходе превращений различных метаболитов от них отщепляется под действием дегидрогеназ водород, который акцептируется НАД или ФАД (первичное окисление), и интермедиаторный цикл окисления, где водород, акцептированный НАД и ФАД в реакциях дегидрогенирования, через сис-

246

тему дыхательных ферментов передается на кислород с образованием воды (терминальное окисление).

К числу субстратных циклов окисления относятся: гликолитическое расщепление углеводов, заканчивающееся образованием пировиноградной кислоты, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл превращений трикарбоновых кислот, окислительное дезаминирование аминокислот, -окисление жирных кислот и т. п. Суть химических превращений в субстратных циклах заключается в постепенном преобразовании исходного субстрата в форму, доступную действию специфических дегидрогеназ, с последующим высвобождением энергии в ходе окислительно-восстановительных реакций, где участвуют дыхательные ферменты. Энергия окисления, выделяющаяся в реакциях дегидрогенирования, сохраняется в соединениях водорода с коферментами НАД или ФАД. Для ресинтеза АТФ она используется при переносе водорода от коферментов НАД или ФАД на кислород по системе дыхательных ферментов, которая расположена на внутренней мембране митохондрий.

Следует также учесть, что состояние митохондриальной мембраны и активность ферментов дыхательной цепи подвержены действию разобщающих факторов, которые могут блокировать образование АТФ при переносе электронов на кислород. Таким разобщающим действием на процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях скелетных мышц обладают гормон щитовидной железы тироксин, непредельные жирные кислоты, молочная кислота при высокой концентрации и некоторые специфические яды (динитрофенол, пентахлорфенол, салициланилиды, олигомицин и т. п.). Под действием этих агентов ускоряется перенос электронов, но АТФ при этом не образуется, освобождающаяся энергия окисления рассеивается в виде тепла.

Обратим внимание на тот факт, что АТФ, образующаяся в митохондриях при окислительном фосфорилировании, недоступна АТФазам, локализованным в саркоплаз-

247

ме мышечных клеток, так как внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для заряженных нуклеотидов. Поэтому существует система активного транспорта АТФ из матрикса митохондрий в саркоплазму.

Сначала транслоказа осуществляет перенос АТФ из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство, где АТФ вступает во взаимодействие с креатином, проникающим из саркоплазмы. Это взаимодействие катализирует митохондриальная креатинкиназа, которая локализована во внешней мембране митохондрий. Образующийся креатинфосфат снова переходит в саркоплазму, где отдает снятый с АТФ остаток фосфорной кислоты на саркоплазматическую АДФ.

Эффективность образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависит от снабжения мышцы кислородом. В работающей мышце запасы кислорода невелики: небольшое количество кислорода растворено в саркоплазме, часть кислорода находится в связанном с миоглобином мышц состоянии. Основное количество кислорода, нужного мышце для аэробного ресинтеза АТФ, доставляется через систему легочного дыхания и кровообращения. Для образования 1 моль АТФ в процессе окислительного фосфорилирования требуется 3,45 л кислорода; такое количество кислорода потребляется в покое за 10–15 мин, а при интенсивной мышечной деятельности – за 1 мин.

В качестве субстратов аэробных превращений в работающих мышцах могут быть использованы не только внутримышечные запасы гликогена, но и внемышечные резервы углеводов (например, гликоген печени), жиров, а в отдельных случаях и белков. Поэтому суммарная емкость аэробного процесса очень велика и трудно поддается точной оценке, максимальная мощность аэробного процесса зависит от скорости утилизации О2 в клетках.

Наибольшие количество митохондрий, количество и активность ферментов дыхательного цикла отмечены в красных медленно сокращающихся мышечных волокнах.

248

Чем выше процент содержания таких волокон в мышцах, несущих нагрузку при выполнении упражнения, тем больше максимальная аэробная мощность у спортсменов и тем выше уровень их достижений в продолжительных упражнениях.

При значительном увеличении концентрации АДФ в саркоплазме происходит миокиназная реакция. Суть этой реакции состоит в том, что при взаимодействии 2 молекул АДФ образуется 1 молекула АТФ:

АДФ + АДФ АТФ + АМФ

Условия для включения миокиназной реакции возникают при выраженном мышечном утомлении. Поэтому миокиназную реакцию следует рассматривать как «аварийный» механизм. Миокиназная реакция малоэффективна, так как из двух молекул АДФ образуется только одна молекула АТФ. Возникшая в результате миокиназной реакции АМФ может путем дезаминирования превращаться в инозинмонофосфат, который не является участником энергетического обмена. Однако увеличение концентрации АМФ в саркоплазме оказывает активирующее действие на ряд ферментов гликолиза, что приводит к повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ. В данном случае миокиназная реакция выполняет роль своеобразного метаболического усилителя, способствующего передаче сигнала от АТФазы миофибрилл на АТФ-синтезирующие системы клетки.

Миокиназная реакция, как и креатинфосфокиназная, легко обратима и может быть использована для буферирования резких перепадов в скорости образования и использования АТФ. В случае появления в клетке избытков АТФ они быстро устраняются через миокиназную реакцию.

249

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные источники энергии для организма.

2.Какие вещества называются макроэргическими? Примеры.

3.Перечислите основные пути получения энергии в организме. Что такое ресинтез АТФ?

4.В чем сущность креатинфосфокиназного механизма ресинтеза АТФ?

5.Какие условия требуются для протекания гликолитического процесса ресинтеза АТФ? Что является субстратом и продуктом такого окисления?

6.Какие химические превращения лежат в основе аэробного процесса ресинтеза АТФ? Напишите суммарное уравнение этого процесса.

7.Сравните энергетическую ценность аэробного и анаэробного механизмов окисления глюкозы.

8.Какими химическими реакциями можно представить схему миокиназного механизм ресинтеза АТФ?

9.Какой механизм ресинтеза АТФ является самым эффективным? Аргументируйте свой ответ.

10.Почему максимальное потребление кислорода у спринтера меньше, чем у лыжника? Приведите схему включения различных механизмов ресинтеза АТФ.

Основные понятия

Ригор, ресинтез АТФ, креатинфосфокиназная реакция (фосфогенный или алактатный анаэробный процесс), миокиназная реакция, гликолиз (лактацидный анаэробный или лактатный процесс), аэробное окисление, окислительное фосфорилирование

250