Биоэнергетические процессы при мышечной деятелыюсти



страница1/4
Дата11.06.2016
Размер0.84 Mb.
ТипГлава
  1   2   3   4
259

ГЛАВА 13.

БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЫЮСТИ

13.1. Хемомеханическое преобразование энергии в процессе мышечного сокращения

Генерация силы и мощности во время мышечного сокращения осуще-ствляется за счет энергии, выделяющейся при распаде АТФ. Образование по-перечных соединений между актиновыми и миозиновыми нитями в активи-рованных мышечных волокнах и связанное с этим развитие напряжения и изменение длины мышцы происходят в результате повторяющихся биохими-ческих реакций, в ходе которых присоединение молекул АТФ к головкам миозиновых молекул и их последующее расщепление являются ключевым моментом в процессе хемомеханического преобразования энергии.

Стартовой реакцией, с которой начинается процесс сокращения мыш-цы, служит освобождение ионов Са++ из пузырьков саркоплазматического ретикулума (СР):

а) СР-Са++ нервное возбуждение СР+ Са*"1";

Ионы кальция, выходящие в саркоплазматическое пространство мышцы, связываются с тропонином (Т), что приводит к освобождению ак-тивных (СА) центров в составе тонких нитей (активация актина);

б) Са++ + А-Т активация актина А + Т- Са**.

Ионы кальция действуют как активаторы АТФ-азной реакции на го-ловках миозиновых молекул. В присутствии ионов Са++ фермент-субстратный комплекс, образовавшийся с участием М§:АТФ2 и 8Н-групп в составе миозиновой АТФ-азы, расщепляется и активные центры тонких ни-тей образуют соединение с головками тяжелого меромиозина (М);

в) М-АТФ активация Са++ миозина М* . АДФ. НзРО^.

г) М* . АДФ. Н3РО4 + А образованиемостика А.М*.АДФ. НзРО^.

Присоединение актина к головкам миозиновых молекул сопровожда-ется высвобождением продуктов АТФ-азной реакции, а энергия (Е) этой ре-акции преобразуется в напряжение мостиков, замкнувшихся между толстыми и тонкими нитями;

д) А.М*. АДФ. Н3РО4 + А развитие напряжения А.М.+АДФ + Н3РО4-+ Е.

При скольжении тонких нитей вдоль по толстым степень напряжения снижается и головки миозиновых молекул возвращаются в исходное состоя-ние, в котором они легко воссоединяются со свободными молекулами АТФ, что приводит к разрыву мостиков;

е)А.М.+АТФ разрывспайки А + М.АТФ.

260


Если возбуждение мышцы не прекращается, то цикл описанных выше реакций повторяется, но уже в новом положении, с участием соседней актив-ной группы в составе тонкой нити, ближе к центру саркомера.

При прекращении нервной стимуляции мышцы ее наружная и внут-риклеточные мембраны восстанавливают исходное поляризованное состоя-ние: свободьгые ионы Са++, находящиеся в саркоплазме, вновь возвращаются в пузырьки саркоплазматического ретикулума. Этот процесс идет с участием «кальциевого насоса», использующего энергию расщепления АТФ для пере-качки ионов Са++ через мембрану внутрь пузырьков саркоплазматического ретикулума. При гидролизе одной молекулы АТФ в пузырьках саркоплазма-тического ретикулума связываются два иона кальция;

ж) Т- Са^ + АТФ + СР рассяабление Т+ СР- Са++ + АДФ + Н3Р04.

Внутри пузырьков саркоплазматического ретикулума кальций связы-вается специфическими белками, среди которых наибольшее значение имеет кальсеквестрин. При переходе к расслаблению концентрация кальция в пу-зырьках саркоплазматического ретикулума повышается до 10"3 моль/л при одновременном снижении его концентрации в саркоплазме до 10"7 моль/л. При таком снижении концентрации кальция в саркоплазме миозин теряет свою АТФ-азную активность. Мостики рвутся и больше не образуются.

Таким образом, как это следует из приведенной последовательности реакций, сопровождающих сокращение и расслабление мышцы, АТФ выпол-няет в них двоякую роль:

- в покоящейся мышце АТФ, соединяясь с центрами АТФ-азной ак-тивности на головках миозиновых молекул, предохраняет их от соединения с актиновыми молекулами из состава тонких нитей;

- в процессе сокращения мышцы АТФ, расщепляясь, представляет не-обходимую энергию для движения тонких нитей вдоль по толстым, что при-водит к укорочению мышцы и развитию напряжения.

Для поддержания нормального функционирования мышцы концен-трация АТФ в ней должна находиться в пределах от 2 до 5 мМ. Указанные значения концентрации АТФ в мышце являются своего рода биологическими константами. При концентрациях АТФ, превышающих 5 мМ, возникает со-стояние «субстратного угнетения» миозиновой АТФ-азы. При столь высоких концентрациях АТФ в окружающей среде центры АТФ-азной активности в головках миозиновых молекул оказываются буквально «забитыми» свобод-ными молекулами АТФ и продуктами их расщепления и поэтому не могут образовывать мостики с актиновыми нитями. Мышцы в этих условиях стано-вятся очень пластичными, легкорастяжимыми, но не способными к сокраще-нию. При снижении концентрации АТФ в мышце ниже 2 мМ перестает дей-ствовать «кальциевый насос» в пузырьках саркоплазматического ретикулума. Высокая концентрация Са** в саркоплазме повышает АТФ-азную активность миозина и способствует непрерывному образованию мостиков между акти-новыми и миозиновыми нитями, что ведет к развитию ригидного состояния мышц. Исходя из этого, для поддержания нормального функционирования

261

мышцы концентрация АТФ в ней должна подцерживаться в строго постоян-ных пределах, составляющих от 2 до 5 мМ.



При максимальных мышечных усилиях скорость расщепления АТФ достигает 10 мМ на 1 г мышечной ткани в минуту. Ограниченные запасы АТФ в мышце, не превышающие 5 мМ, позволяют выполнить от 4 до 6 по-вторений максимальных усилий подряд или поддержать максимальную мощ-ность упражнения в течение 1-2 с. Отсюда следует, что для обеспечения не-прерывной сократительной деятельности мышцы АТФ в ней должна восста-навливаться с такой же скоростью, с какой она расщепляется в процессе со-кращения.

13.2. Процессы ресинтеза АТФ при мышечной работе

В процессе мышечной работы не наблюдается значительного сниже-ния концентрации АТФ (рис. 13.1): Это объясняется тем, что по ходу мышеч-ной деятельности АТФ восстанавливается (ресинтезируется) с той же скоро-стью, с какой она расщепляется во время мышечных сокращений. Для обра-щения реакции расщепления АТФ конечные продукты распада - АДФ и НзРО^ - должны получить энергию, равную той, которая выделилась при распаде АТФ. Следовательно, синтез АТФ должен быть сопряжен с катабо-лическими реакциями, при которых освобождается значительное количество потенциальной химической энергии.

Ресинтез АТФ при мышечной деятельности может осуществляться как в ходе реакций, идущих без участия кислорода, так и за счет окислитель-ных превращений в клетках, связанных с потреблением кислорода. В обыч-ных условиях ресинтез АТФ происходит в основном путем аэробных пре-вращений. При напряженной мышечной деятельности, когда доставка кисло-рода к мышцам затруднена, в тканях одновременно усиливаются и анаэроб-ные процессы ресинтеза АТФ. В скелетных мышцах человека осуществля-ются три вида анаэробных процессов, в ходе которых происходит ресинтез АТФ:

- креатинфосфокиназная реакция (фосфагенный, или алактатный ана-эробный, процесс), где ресинтез АТФ происходит за счет перефосфорилиро-вания 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 расщепления углево-дов, заканчивающегося образованием молочной кислоты.

Анаэробные и аэробные процессы преобразования энергии заметно различаются по присущим им показателям мощности, оценивающим ско-рость преобразования энергии в данном процессе, показателям емкости, от-ражающим общие запасы энергетических веществ или количество освобож-


262





даемой энергии и выполненной работы, и показателям эффективности, кото-рые отражают соотношение между энергией, затраченной на ресинтез АТФ, и общим количеством энергии, выделенной в ходе данного процесса. По этим параметрам анаэробные процессы имеют преимущество при выполнении кратковременных упражнений высокой интенсивности, а аэробные - при длительной работе умеренной интенсивности.






30 г-


15 „..,., , 30
Время работы, с


Г^-ЭГ'


.Лд я



Рис. 13.1. Изменения концентрации АТФ, креатинфосфата и молочной кислоты в скелетных мышцах при работе различной длительности

13.2.1. Ресинтез АТФ в креатинфосфокиназной реакции

В мышцах наряду с АТФ содержится другое макроэргическое фос-форное соединение - креатинфосфат (КрФ). Это вещество адсорбировано на сократительных белках миофибрилл или связано с мембранами СР. С сокра-тительным белком - актином тесно связан и фермент креатинфосфокиназа (КФК), катализирующий реакцию перефосфорилирования между КрФ и



АДФ: . ~*^^>..и,,ъ*^, ,-,,-> . д-;- • ..

.. . .. ,;::7:;., ' КФК ": ,::/; , ^


крф + адф атф + кр. У'г*т. ''"'.*

* '^ * -и& • .':г» ** * а^. ? '',-'-*•;•'' 1-.^-*-


263



-: • В скелетных мышцах человека КФК обладает большой активностью, а КрФ и АДФ - исходные вещества в реакции, катализируемой этим фермен-том, - проявляют высокое химическое сродство, что приводит к усилению этой реакции сразу после начала мышечной работы, как только АТФ начина-ет расщепляться. Наивысшей скорости креатинфосфокиназная реакция дос-тигает уже на 2-й с после начала работы. Этому способствует также и непо-средственная близость резервируемого КрФ к месту образования АДФ в миофибриллах.

Фермент КФК очень чувствителен к изменениям рН среды: максимум активности он проявляет при слабощелочной среде и резко угнетается при значительном снижении внутриклеточного рН — ацидозе. Ионы Са++, освобо-ждающиеся при мышечном сокращении, также активируют креатинфосфоки-назу. Наиболее важным является факт активации этого фермента со стороны образующегося в ходе реакции свободного креатина (рис. 13.2). Такая акти-вация фермента одним из конечных продуктов предотвращает резкое падение скорости реакции по ходу работы, которое должно было бы произойти из-за снижения концентрации КрФ в работающих мышцах.





3000







3

X

о



•6-

о

о



•в-

X 5


2000


1000





10


40


30



Концентрация креатина,

Рис. 13.2. Изменение активности фермента креатинфосфокиназы

в скелетных мышцах человека в зависимости от концентрации

«свободного» креатина

Креатинфосфокиназная реакция первой включается в процесс ресин-теза АТФ в момент начала мышечной работы и протекает с максимальной скоростью до тех пор, пока не будут значительно исчерпаны запасы КрФ в




264



мышцах. Эта реакция выполняет роль своеобразного «энергетического буфе-ра», который обеспечивает постоянство содержания АТФ в мышцах при рез-ких перепадах в скорости ее использования.

Содержание КрФ в мышцах примерно в 3 раза превышает содержание АТФ (табл. 13.1). Общие запасы фосфагенов обеспечивают образование энер-гии в количестве около 840 кДж/кг мышечной ткани, достаточном для под-держания усилий максимальной мощности в течение 10-15 с. Скорость рас-щепления КрФ в работающих мышцах находится в прямой зависимости от интенсивности выполняемого упражнения. Наибольшая мощность, которую может обеспечить креатинфосфокиназная реакция, составляет около 3,80 кДж/кг веса тела в 1 мин. В первые секунды после начала работы, пока кон-центрация КрФ в мышцах высока, активность КФК подцерживается на высо-ком уровне, эта реакция вовлекает большую часть «сигнального» количества АДФ, образующегося при распаде АТФ, и этим блокирует усиление других энергообразующих процессов. Только после того как запасы КрФ в мышцах будут исчерпаны примерно на 1/3 (на это обычно уходит 5-6 с), скорость креатинфосфокиназной реакции начинает уменьшаться и в процесс ресинтеза АТФ все больше вступают гликолиз и дыхание, ферментные системы кото-рых локализованы в саркоплазме и митохондриях скелетных мышц.

Таблица 13.1

Запасы АТФ и КрФ в скелетных мышцах человека (в расчете на средний вес 70 кг)



Метаболиты

1 )



Концентрация в мышцах мМ/кг мышцы


Общее содержание в организме, мМ


Количество выделенной энергии, кДж/кг


АТФ


4-6


120-180


0,17-0,25


КрФ


15-16


450-510


0,63-0,71


Общие запасы фосфагенов (АТФ+КрФ)


19-23


570-690


0,80-0,96


Креатинфосфокиназная реакция легкообратима. Во время выполнения упражнения преобладает прямая реакция, ведущая к образованию АТФ и креатина. Как только работа прекращается и в мышце появляется избыток АТФ, усиливается обратная реакция, приводящая к восстановлению запасов КрФ до исходного уровня. Поскольку большая часть АТФ, необходимой для креатинфосфокиназной реакции, образуется за счет окислительных превра-щений, ресинтез КрФ возможен частично и по ходу длительной работы, со-вершаемой в аэробных условиях. „ , ,Ч,ЛЛ>Л ,,,,,,. ^,,, ^, ,,,„.*,,...м

Креатинфосфокиназная реакция составляет биохимическую основу локальной мышечной выносливости. Она играет решающую роль в энергети-ческом обеспечении кратковременных упражнений максимальной мощности,



265

таких, как бег на короткие дистанции, прыжки, метания, тяжелоатлетические упражнения и т.п. Эта реакция обеспечивает возможность быстрого перехода от покоя к работе, внезапных изменений темпа по ходу ее выполнения, а так-же финишного ускорения.



13.2.2. Ресинтез АТФ в процессе гликолиза

Как только в процессе мышечной работы креатинфосфокиназная ре-акция перестает обеспечивать необходимую скорость восстановления АТФ и в саркоплазме увеличивается концентрация свободных молекул АДФ, основ-ную роль в ресинтезе АТФ начинает играть анаэробный гликолиз. В процессе гликолиза внутримышечные запасы гликогена и глюкоза, поступающие в клетки из крови, расщепляются ферментативным путем до молочной кисло-ты.

Большинство ферментов, катализирующих отдельные реакции глико-
лиза, локализованы на мембранах саркоплазматического ретикулума (СР) или
рассеяны в саркоплазме мышечных клеток, Ферменты фосфорилаза и гексо-
киназа, обеспечивающие начальные реакции гликолиза, легко активируются
при повышении концентрации АДФ и неорганического фосфата в саркоплаз-
ме. Кроме того, образование активной формы фосфорилазы стимулируется
выделением катехоламинов и ионов Са++ в процессе активации мышечного
сокращения. Все это способствует быстрому включению гликолиза в процесс
ресинтеза АТФ с началом мышечной работы. Схематически участие гликоли-
за в анаэробных энергетических превращениях в работающих мышцах пока-
занонарис. 13.3. >г:л^ч-''.--?;;::- ^0-'^ :./:>л, -••-.. ••;•••,^*--.:- ,. /-..•: :. ••:->

При расчете энергетического баланса гликолиза необходимо учиты-вать затраты АТФ на активацию молекулы углевода в начальной стадии про-цесса (табл. 13.2). Если вычесть это количество АТФ, то чистый выход вновь ресинтезируемой АТФ составит (в случае, когда исходным веществом служит

»•-• I - -- ' •« ' ?! т, -. , - ~

••"-'• ' Табдица 13.2


Энергия, освобождаемая при анаэробном гликолитическом

л\гг --•;,..;,.- ;;,>•;:• -• распаде углеводов , -,=,. • - - ьу^дзр < -з •*•:• ' •



Показатели


В расчете на 1 кг мышечной ткани


В расчете на общий вес тела (30 кг мышечной массы)


Количество образованной молочной кислоты, г


2-2,3


" v' ' "..&з .'••'-

60-70



Количество ресинтези-руемой АТФ, мМ


33-38


1000-1200


Количество выделенной энергии, кДж


1,38-1,59


40-50


у*-~,*^


Инсулин




Глюкоза


Адреналин





[у Рецептор Ку*


(леточная мембрана


\г77^^г^^^*^^


"^Ч х-ч Гликоген бй^


И Циклаза ВД




V 4Х/-Ч Киназа ©<«-


——— иАМФ+РРн •4-~~— АТФ с


1** Гй • \ "€' ' ' *Ч '. • ,'- . ; ^ ' ^

'.:,4' -:; ^л ».- • . ; '.••", "?..

" ^ " § !;['!• ^ ^' ' *


бь) .--^ АТФ 1


А Д Ф | т С5 н/ ^Ч. ^^


1 — ^ Глюкоза^6-Ф ^" ~*^ ^"

I ч|г АДф АТФ

Ч Фруктоза-6-Ф 1 АТФ -ч (ь^-^ ————— АМФ


^ ^^^ (связанная^Х. б


^ Р АТФ(свободная) _ 1

! Л - • 0 1 - -




Т Т" 1' .' .' Г; • .'- •;;' ' :


1 адф •* ^Д^






' • " Й" * •" * ;;!- ^

Ч> ..!»>." Ж .'• '--; <**

Рис. 13.3. Участие гликолиза и < креатинфосфокиназной реакции в анаэробных энергетических превращениях в работающих мышцах

- миофибриллярная АТФ-аза, 2 - креатинфосфо-1наза, 3 - аденилаткиназа (миокиназа), 4 - гексо-шаза, 5а - фосфорилаза А (активная форма), 5Ь -эсфорилаза В (неактивная форма), 6 - фосфофрук-киназа, 7 - дегидрогеназа фосфоглицеринового




1 Фруктоза-1,6-диФ


——— КрФ —— -\^ ' @ )

ГЧ^АДФД^ ксиацетон 4^ \ 4

ЦДП Кр + Фц '" 1

МАД _ к » ^

н м х *' н- : 1 -

'''; IV ' - »• * '""*

?" ^* «^' ' ''•_'"" '''" ' *Х" '^3 ^Ч ' " '*•"- '•* ^ ' ' • 1

$Й ^0 '''• \-1 ^. *& Л>* .^"':



*••- %& ™1' ' "'-• -• г • *^ *1-' К1 * | **- 4^ ;^« 1к \ ! •••> " ' -1

." ••• '-' ••'-. ~* •••• %• 5 Ф

^, г" | ъ тс


Фосфоглицеральдегид ^^ Фосфодио


п^- ——————— >• НАД-


1,3-дифосфоглицериновая к-та

3-фосфоглицериновая к-та "* &

Фосфоенолпировиноградная к-та ^ АДФ ->1 ^ 0


Пировиноградная к-та ^ ——


"Т^ Молочная к-га х «' ал


ьдегида, 8 - фосфоглицерокиназа, 9 - пируватки-ва, 1 0 - лактатдегидрогеназа




(Го) ^" ' у~ Ч т

Х-Х • ^ ^'

Саркоплазма


Митохондрии


267

глюкоза) 2 моля на 1 моль расщепляемых углеводов или (в случае, когда ис-ходным веществом служит гликоген мышц) 3 моля на 1 моль расщепляемого глюкозного эквивалента.

Максимальная мощность гликолиза составляет около 2,50 кДж/кг-мин. Это несколько ниже, чем мощность креатинфосфокиназной ре-акции, но в 2-3 раза выше мощности аэробного процесса. Наибольшей скоро-сти гликолиз достигает уже на 20-30-й с после начала работы, а к концу 1-й мин работы становится основным источником вновь ресинтезируемой АТФ. Однако быстрое исчерпание относительно небольших запасов гликогена в мышцах и снижение активности ключевых ферментов гликолитической цепи под влиянием образующейся молочной кислоты и снижение внутриклеточно-го рН приводят к падению скорости гликолиза с увеличением продолжитель-ности упражнения.

Метаболическая емкость гликолиза, определяемая внутримышечными запасами углеводов и размерами буферных систем, стабилизирующих значе-ние внутриклеточного рН, обеспечивает поддержание заданной мощности упражнения в интервале от 30 с до 2,5 мин. Значит емкость этого процесса более чем в 10 раз выше емкости креатинфосфокиназной реакции.

Гликолиз отличается относительно невысокой эффективностью: в процессе анаэробного ферментативного распада углеводов на 2860 кДж энер-гии, содержащейся в 1 моле глюкозы, высвобождается только 240 кДж; большая же часть энергии оказывается «законсервированной» в молекулах образующейся молочной кислоты и может быть выделена путем аэробного окисления. Из общего количества энергии, выделенной в ходе гликолиза, в доступную для использования форму макроэргических фосфатных связей АТФ преобразуется от 84 до 125 кДж. Исходя из этого, метаболическая эф-фективность гликолиза должна оцениваться значениями к.п.д. порядка 0,35-0,52. Это значит, что примерно половина всей выделяемой энергии превра-щается в тепло и не может быть использована при работе. В результате по-вышения при гликолизе скорости теплопродукции в работающих мышцах их температура увеличивается до 41-42°.

Образование молочной кислоты - конечного продукта гликолиза -происходит только в анаэробных условиях. Однако гликолиз может осущест-вляться и в присутствии кислорода. В этом случае он заканчивается на стадии образования пировиноградной кислоты, которая в дальнейшем может быть подвергнута окислительным превращениям в митохондриях мышц. При вы-сокой концентрации пировиноградной кислоты часть ее может превращаться в аланин и, выходя из мышц в кровь, включаться в глюкозо-аланиновый цикл, связывающий воедино превращения углеводов в печени и мышцах. В условиях напряженной мышечной деятельности этот цикл имеет лишь вспо-могательное значение; основное количество углеводов, расщепляющихся по гликолитическому пути, превращается в молочную кислоту. Образование ка-ждого моля молочной кислоты при этом эквивалентно ресинтезу от 1,0 до 1,5 моля АТФ. Накопление молочной кислоты при анаэробной работе находится


268



в прямой зависимости от мощности и общей продолжительности упражнения (рис. 13.4).






Л*?:Г^« и*|:

!;•• ;-}•%'•;?.-;:

О


1,0

о | 0,8


2 2

I * 0,6


II °-4

О 5


% 0,2





400

0 100 200 ^Щ» ?Г"!хО 300

Уровень энергопродукции, кал • кг"1 • мин"1




ж


20






16

о. з


8 5 12

8 §


о . о. •


1 4


60 70


50

10 20 30 40
Время работы, с

Рис. 13.4. Образование молочной кислоты в процессе гликолиза в зависимости от интенсивности и продолжительности упражнения

.'.Ш?


На верхнем графике скорость образования молочной кислоты в процессе гликолиза представлена как функция энергетического запроса упражнения; на нижнем графике увеличение концентрации молочной кислоты в работающих мышцах отложено в виде функции предельного времени упражнения

269

Молочная кислота вызывает изменение концентрации водородных ионов во внутриклеточной среде. Умеренный сдвиг рН в кислую сторону ак-тивирует работу ферментов дыхательного цикла в митохондриях, однако при значительном сдвиге происходит угнетение ферментов, регулирующих со-кратительную деятельность мышц и скорость анаэробного ресинтеза АТФ (к этим ферментам прежде всего относятся АТФ-аза миофибрилл, креатинфос-фокиназа и основные ферменты гликолиза).

Увеличение количества молочной кислоты в саркоплазматическом пространстве мышц сопровождается изменением осмотического давления. При этом вода из межклеточной среды поступает внутрь мышечных волокон, вызывая их набухание и ригидность. Значительные изменения осмотическо-го давления в мышцах могут быть причиной болевых ощущений.

Молочная кислота легко диффундирует через клеточные мембраны по градиенту концентрации. Поступая из работающих мышц в кровь, она всту-пает во взаимодействие с бикарбонатной буферной системой. Это приводит к выделению «неметаболического» избытка СО2:

^аСОз + СНзСН/ОН/СООН —> СН3СН/ОН/СО(Жа + Н2О + СО2+

Поскольку увеличение концентрации водородных ионов и повышение напряжения СО2 служат основными метаболическими сигналами для дыха-тельного центра, то при выходе молочной кислоты в кровь резко усиливают-ся легочная вентиляция и поставка кислорода к работающим мышцам. Нако-пление молочной кислоты, появление избыточного СО2, изменение рН и ги-первентиляция легких, отражающие усиление гликолиза в мышцах, обычно обнаруживаются, когда интенсивность выполняемого упражнения составляет около 50% от максимальной аэробной мощности. Этот уровень нагрузки обо-значается как «порог анаэробного обмена». Чем раньше -он будет достигнут, тем быстрее вступает в действие гликолиз, сопровождающийся накоплением молочной кислоты и развитием утомления в работающих мышцах.

Гликолиз играет важную роль при напряженной мышечной деятель-ности в условиях неадекватного снабжения тканей кислородом: он служит биохимической основой так называемой скоростной выносливости; является доминирующим источником энергии в упражнениях, предельная продолжи-тельность которых составляет от 30 с до 2,5 мин (бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и т.п.); за счет глико-лиза совершаются длительные ускорения по ходу упражнения и на финише дистанции.

13.2.3. Ресинтез АТФ в миокиназной реакции

Миокиназная (или аденилаткиназная) реакция происходит в мышцах при значительном увеличении концентрации АДФ в саркоплазме:

аденилаткиназа
АДФ + АДФ 4 —* АТФ + АМФ.

270


Такая ситуация возникает при выраженном мышечном утомлении, когда скорость процессов, принимающих участие в ресинтезе АТФ, не урав-новешивает скорости расщепления АТФ. С этой точки зрения миокиназную реакцию можно рассматривать как аварийный механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ в условиях, когда его невозможно осуществить иными спосо-бами.

При усилении миокиназной реакции часть образующейся АМФ может терять аминогруппу, переходя в инозиновую кислоту, и таким образом выво-диться из сферы энергетического обмена. Это крайне невыгодно для орга-низма, поскольку дезаминирование АМФ ведет к уменьшению общих запасов АТФ в мышцах со всеми вытекающими из этого последствиями. В то же вре-мя некоторое увеличение концентрации АМФ в саркоплазме при миокиназ-ной реакции оказывает активирующее влияние на ферменты гликолиза (в ча-стности, на фосфофруктокиназу) и этим способствует повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ. В этом случае миокиназная реакция выполняет роль своеобразного метаболического усилителя, способствующего передаче сигнала от АТФ-азы миофибрилл на АТФ-синтезирующие системы клетки.

Миокиназная реакция, как и креатинфосфокиназная, легкообратима 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.

13.2.4. Ресинтез АТФ в аэробном процессе

Аэробный механизм ресинтеза АТФ отличается наибольшей произво-дительностью: в обычных условиях на его долю приходится около 90% от общего количества АТФ, ресинтезируемой в организме. Ферментные систе-мы аэробного обмена расположены в основном в митохондриях клеток.

К числу субстратных циклов окисления относятся: гликолитическое расщепление углеводов, заканчивающееся образованием пировиноградной кислоты, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл превращений трикарбоновых кислот, окислительное дезаминирование аминокислот, (3-окисление жирных кислот. Суть химических превращений в субстратных циклах заключается в постепенном преобразовании исходного субстрата в форму, доступную действию спецйфических дегидрогеназ, с по-следующим высвобождением энергии в ходе окислительно-восстановитель-ных реакций, где участвуют дыхательные ферменты. Энергия окисления, вы-деляющаяся в реакциях дегидрогенирования, сохранятся в соединениях водо-рода с коферментами НАД или ФАД. Для ресинтеза АТФ она используется при переносе водорода от коферментов НАД и ФАД на кислород по системе дыхательных ферментов, которая расположена на внутренней мембране ми-тохондрий.

В дыхательной цепи имеется три пункта сопряжения, где за счет энер-гии, высвобождающейся при переносе электронов, может синтезироваться

271

АТФ. Первый пункт сопряжения находится на участке переноса водорода от НАД к ФАД. Количества свободной энергии, высвобождаемой в этой реак-ции, достаточно для синтеза 1 моля АТФ. Второй пункт сопряжения локали-зуется на участке переноса электронов от кофермента 0 через цитохром к цитохрому с. Третья молекула АТФ синтезируется на завершающем этапе дыхательной цепи в цитохромоксидазной реакции, где происходит перенос электронов с системы цитохромов на кислород. В этом пункте сопряжения энергии освобождается больше, чем при любой другой реакции дыхательной цепи. Этой энергии вполне могло бы хватить для образования нескольких молей АТФ, но, тем не менее, в этом пункте сопряжения, как и в первых двух, синтезируется только 1 моль АТФ. Излишек энергии, выделяемой в ци-тохромоксидазной реакции, служит главной движущей силой для всего про-цесса переноса электронов по дыхательной цепи. Кислород, акцептирующий электроны, которые поставляет цитохромоксидазная реакция, служит резер-вуаром, обеспечивающим постоянный отток электронов из дыхательной цепи и поддерживающим ее компоненты в окисленном состоянии, благодаря чему они могут принимать водород от различных субстратов окисления.



Скорость переноса электронов по дыхательной цепи зависит от кон-центрации АДФ и неорганического фосфата вблизи центров АТФ-синтетазной активности на внутренней мембране митохондрий. Если в клетке отсутствуют АДФ и НзРО^, необходимые для акцептирования энергии про-тонного потенциала на мембране, то, несмотря на избыток субстратов и ки-слорода, поток электронов будет блокирован. При переходе от состояния по-коя к активной деятельности в мышцах с высокой скоростью расщепляется АТФ, превращаясь в АДФ и НзРО^.

Следует также учитывать, что состояние митохондриальной мембра-ны и активность ферментов дыхательной цепи подвержены действию разоб-щающих факторов, которые могут блокировать образование АТФ при пере-носе электронов на кислород. Таким разобщающим влиянием на процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях скелетных мышц обла-дают 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, а освобождающаяся энергия окисления рассеивается в виде тепла.

Наряду с обычным путем окисления субстратов на внутренней мем-бране мышечной клетки существует также путь окисления, локализованный на внешней мембране, в котором принимают участие цитохром с, система ФПз-цитохром Ь^ и цитохромоксидаза. Активация этого пути приводит к бы-строму окислению внемитохондриального НАД-Н, но он не связан с синте-зом АТФ и ведет к рассеиванию энергии в виде тепла. Этот путь использует-ся в качестве буферной системы, поддерживающей необходимую концентра-цию окисленной формы НАД в саркоплазме и устраняющей избыток молоч-ной кислоты, образующейся при гликолизе.

272


Из-за отмеченных причин теоретически возможная величина коэффи-циента Р/О практически никогда не достигается в напряженно функциони-рующей клетке.

При качественной оценке эффективности окислительного фосфорили-рования надо учесть, что в процессе окисления 1 моля НАД-Н высвобождает-ся около 222 кДж энергии, тогда как на образование 3 молей АТФ затрачива-ется около 125 кДж. Следовательно, эффективность использования химиче-ской энергии окисления для синтеза АТФ составляет 125/222, « 56%. По-скольку в реальных условиях значение коэффициента Р/О^ редко превышает 2,5, эффективность аэробного преобразования энергии можно принять равной 50%.

Общая схема, иллюстрирующая взаимосвязь аэробных и анаэробных превращений в энергетическом обмене скелетной мышцы, представлена на рис. 13.5.

Пировиноградная кислота, образующаяся в результате гликолиза в саркоплазме мышц, легко проникает в митохондрии по градиенту концентра-ции, в митохондриальном матриксе подвергается действию пируватдегидро-геназного комплекса и в результате реакции окислительного декарбоксили-рования превращается в ацетил-КоА. Он образуется также при окислении жирных кислот и в ходе катаболических превращений некоторых аминокис-лот. Молекула ацетил-КоА содержит богатую энергией тиоэфирную связь и обладает высокой реакционной способностью. Вступая в реакцию конденса-ции с щавелевоуксусной кислотой, ацетил-КоА способствует образованию лимонной кислоты, которая через ряд последовательных реакций снова пре-вращается в щавелевоуксусную кислоту. В этом цикле превращений остаток уксусной кислоты расщепляется на две молекулы СО^ и 4 пары атомов водо-рода, которые через посредство НАД или ФАД направляются в дыхательную цепь. На стадии окислительного декарбоксилирования кетоглютаровой ки-слоты происходит субстратное фосфорилирование и образуется 1 моль гуана-зинтрифосфата, макроэргическая фосфатная группа которой в последующем может быть передана на АТФ.

Если учесть, что при окислении НАД-Н, образовавшегося в реакциях дегидрогенирования фосфоглицеринового альдегида и окислительного де-карбоксилирования пировиноградной кислоты, в дыхательной цепи образует-ся еще по 3 моля АТФ на каждую пару переносимых атомов водорода, то суммарный выход АТФ в расчете на моль глюкозы, полностью окисляемой до СОз и Н^О, составит 38 молей АТФ, в то время как на 1 моль глюкозы, расщепляемой до молочной кислоты в анаэробных условиях, образуется только 2 моля АТФ.

Следует, однако, отметить, что АТФ, образующаяся в митохондриях при окислительном фосфорилировании, недоступна АТФ-азным системам, расположенным в саркоплазме мышечных клеток, из-за непроницаемости для нуклеотидов внутренней митохондриальной мембраны. Доставка АТФ, ре-синтезируемой в реакциях окислительнрго фосфорилирования, к местам ее





Жиры Углеводы.

Рис. 13.5. Взаимосвязь анаэробных и аэробных превращений в скелетных

мышцах: энерготранспортный «челнок» с участием миофибриллярных и

митохондриальных изоферментов креатинфосфокиназы

потребления в сокращающихся миофибриллах осуществляется при помощи особого энерготранспортного механизма с участием митохондриального изо-фермента креатинфосфокиназы. Первым звеном в этом механизме является перенос АТФ из митохондриального матрикса в межмембранное пространст-во под действием фермента транслоказы, расположенного на внутренней



1374

мембране митохондрий. Транслоказа катализирует одновременно перенос АДФ в обратном направлении (обменная диффузия). АТФ, доставляемая из матрикса в межмембранное пространство, вступает во взаимодействие с креатином, проникающим через наружную митохондриальную мембрану из саркоплазмы. Эта реакция катализируется ферментом креатинфосфокиназой, расположенным на наружной мембране митохондрий или в межмембранном пространстве. Образующийся креатинфосфат снова переходит в саркоплазму, где он становится доступным действию миофибриллярной креатинфосфоки-назы. АДФ возвращается в матрикс и принимает участие в реакциях окисли-тельного фосфорилирования, сопряженных с переносом электронов по дыха-тельной цепи.

Общий выход энергии при аэробном процессе более чем в 10 раз пре-вышает изменение свободной энергии при гликолитическом распаде углево-дов в анаэробных условиях. Данные о количестве энергии, освобождаемой в работающих мышцах при аэробных превращениях гликогена, приведены в табл. 13.3.

| |- ТаблицаШ

Ш""*" _ Энергия, освобождаемая в скелетных мышцах человека

^ при аэробных превращениях углеводов



Показатели


В расчете на 1 кг мышечной массы


В расчете на общий вес тела (30 кг мышечной массы)


Кол-во гликогена в мышцах, г


13Л5


400-450


Общее кол-во ресинтезируе-мой АТФ, моль


2,8-3,2


87-98


Кол-во высвобождаемой энергии, кДж


117-134


8640-4100


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. В отличие от гликолиза, ме-таболическая емкость которого в значительной степени зависит от изменений внутренней среды вследствие накопления в организме избытка молочной ки-слоты, конечные продукты аэробных превращений - СО^ и Н^О - не вызыва-ют каких-либо значительных изменений внутренней среды и легко удаляются из организма.

> Образование 1 моля АТФ в процессе окислительного фосфорилирова-


ния эквивалентно потреблению 3,45 л О^. Столько же кислорода в покое по-
требляется в течение 10-15 мин, а при напряженной мышечной деятельности
(например, во время бега на марафонскую дистанцию) за 1 мин. Однако в са-

275


мих работающих мышцах запасы кислорода крайне невелики. Небольшое ко-личество находится в растворенном состоянии во внутриклеточной плазме и в связанном состоянии с миоглобином мышц. Основное же количество ки-слорода, потребляемого в мышцах для ресинтеза АТФ, доставляется в ткани через систему легочного дыхания и кровообращения.

Для бесперебойной работы дыхательной цепи и механизма окисли-тельного фосфорилирования напряжение О^ в клетках должно поддержи-ваться на уровне не ниже 5-10 мм рт. ст. Чтобы обеспечить его, напряжение О^ снаружи (в мышечных капиллярах) должно быть примерно 15-20 мм рт. ст., поскольку кислород поступает в клетки путем диффузии.

Поддержание критического напряжения О^ на наружной клеточной мембране независимо от изменений скорости расхода кислорода в тканях осуществляет сложная система регуляции, в которую наряду с внутриклеточ-ными механизмами метаболического контроля входят также нервная и гор-мональная регуляция внешнего дыхания, центрального и периферического кровообращения.

Максимальная мощность аэробного процесса в равной мере зависит как от скорости утилизации О^ в клетках (а она, в свою очередь, от общего числа митохондрий в клетке, количества и активности ферментов аэробного окисления), так и от скорости поставки О^ в ткани.



13.3. «Кислородный каскад» и эффективность

транспорта кислорода к работающим мышцам

! Скорость доставки кислорода к тканям является одним из важнейших

факторов, определяющих возможности обеспечения. энергией работающих

мышц. В митохондриях скелетных мышц, где образуется до 90% всей необ-

ходимой энергии, скорость ресинтеза АТФ находится в зависимости от дос-

тигнутой концентрации или напряжения кислорода в клетке. На рис. 13.6 об-

| щая скорость ресинтеза АТФ, обеспечиваемая различными источниками

I энергии, представлена как функция напряжения кислорода в клетке. При низ-

I ком уровне метаболических превращений в клетке, как это имеет место в по-

| коящейся мышце, изменения в скорости доставки О^ в ткани не оказывают

| влияния на скорость ресинтеза АТФ (зона насыщения). Однако при снижении

рО^ в клетке ниже некоторого критического уровня подцержание скорости

; ресинтеза АТФ на необходимом уровне возможно только за счет адаптатив-

] ных сдвигов клеточного метаболизма, связанных с природой используемых

I субстратов, размерами их внутриклеточных запасов, с состоянием фосфори-

! лирования и величиной внутриклеточного рН, что с неизбежностью потребу-



! етувеличения скорости доставки О^ в ткани (рис. 13.6). Максимальная ско-

рость потребления О^ митохондриями скелетных мышц может быть поддер-

жана только до определенного критического значения рСЬ в клетке, которое

] составляет от 0,5 до 3,5 мм рт. ст. Ёсли уровень метаболической активности

! при мышечной работе превысит значение максимально возможного усиления


276





аэробного ресинтеза АТФ, то возрастающая энергетическая потребность в этих условиях может быть компенсирована за счет анаэробного ресинтеза АТФ. Однако этот диапазон анаэробной метаболической компенсации весьма узок, и выше значения максимального увеличения скорости ресинтеза АТФ, обеспечиваемого сочетанной метаболической активностью аэробного и ана-эробных процессов в работающей мышце, дальнейшее исполнение ее сокра-тительной функции становится невозможным. Диапазоны метаболической активности, в пределах которых текущая поставка СЬ недостаточна для под-держания необходимого уровня ресинтеза АТФ, обычно обозначаются как гипоксические состояния (т.е. состояния кислородной недостаточности) раз-нойтяжести. . _.. „, ,.





йШЩ;?^^^

(дёкомпенсированная гипоксия)




ГЗона анаэрооной метаболической компенсации


2. Зона метаболической адаптации (компенсированная гипоксия)


1.3она насыщения (скрытая гипоксия)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
, Напряжение О2, мм рт.ст.

Рис. 13.6. Изменение скорости ресинтеза АТФ в аэробном и анаэробном процессах в зависимости от внутриклеточного напряжения кислорода

Для того, чтобы поддерживать напряжение О2 в митохондриях на уровне, превышающем критическое значение, при котором еще сохраняются условия для адаптативной регуляции клеточного обмена, напряжение О^ на наружной клеточной мембране должно составлять не менее 15-20 мм рт. ст. Для подцержания этого критического напряжения О^, при котором возможно нормальное функционирование мышц, напряжение О^ в артериолах, достав-ляющих кровь непосредственно к работающим мышцам, должно составлять



277

приблизительно 40 мм рт. ст., а в магистральных артериях - до 80-90 мм рт. ст. В легочных альвеолах, где осуществляется газообмен между кровью и ат-мосферным воздухом, напряжение О^ составляет около 100 мм рт. ст., во вдыхаемом воздухе оно равняется 150 мм рт. ст.

На рис. 13.7 вышеуказанные значения критических иапряжений О^ на различных этапах транспорта кислорода в организме обозначены в виде нис-ходящих ступеней с постепенно понижающимися уровнями рСЬ и скоро-стью доставки О^ к тканям. Этот «кислородный каскад» обеспечивает посто-янную «накачку» О^ в работающие ткани в точном соответствии с их метабо-лической потребностью. Сохранение критических напряжений кислорода на каждом из обозначенных на схеме этапов транспорта кислорода к тканям обеспечивается совокупной деятельностью всех вегетативных систем орга-низма.

13.4. Потребление кислорода, кислородный

дефицит, кислородный долг и кислородный запрос при мышечной работе

При переходе от состояния покоя к интенсивной мышечной деятель-ности потребность в кислороде возрастает во много раз, однако сразу она не может быть удовлетворена. Нужно время, чтобы усилилась деятельность сис-тем дыхания и кровообращения и чтобы кровь, обогащенная кислородом, могла дойти до работающих мышц. По мере усиления активности системы вегетативного обеспечения мышечной деятельности постепенно увеличива-ется потребление кислорода работающими мышцами. При умеренной работе, если ЧСС не превышает 150 уд/мин, скорость потребления О2 возрастает до тех пор, пока не наступит устойчивое состояние метаболических процессов, при котором О^-потребление достигает постоянного уровня и в каждый дан-ный момент времени точно соответствует потребности организма в нем. Та-кое устойчивое состояние называется истинным. Уровень потребленйя О^ в устойчивом состоянии зависит от мощности выполняемого упражнения (см. рис. 13.8).

При более интенсивной работе (ЧСС 150-180 уд/мин) устойчивое со-стояние не устанавливается и потребление О^ может возрастать до конца ра-боты или до достижения максимальнб возможного уровня. В последнем слу-чае может наблюдаться «ложное устойчивое состояние», когда потребление О^ некоторое время (6-10 мин) поддерживается на постоянном максимальном уровне не потому, что потребность организма в кислороде полностью удов-летворяется, а потому, что исчерпаны возможности сердечно-сосудистой сис-темы по доставке его к тканям. Именно эти возможности в большинстве слу-чаев ограничивают потребление О^ мышечными клетками, хотя иногда лими-тирующим фактором становится окислительная способность самих работаю-щих мышечных клеток, в частности активность дыхательных ферментов в митохондриях.


278








РО2,ммрт. ст. 'ЛЮм;


140


120

100


80

60

40



20

10

с 0






Л " Рис. 13.7. Кислородный каскад организма

Значения РО2 на важнейших этапах транспорта кислорода к тканям: во вдыхаемом воздухе (I), в альвеолах (АЛ), в артериальной (АР) и смешанной венозной (В) крови, на наружной клеточной мембране и в митохондриях скелетных мышц




279






2,5П

;у.ч -v,



2,0-1,5-1,0-0,5-0


неустойчивое состояние





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница