Функциональная биохимия мышц

Мышечный аппарат человека и животных характеризуется полифункциональ­ностью. Однако основной функцией мышц является осуществление двигательного акта, т. е. сокращение и расслабление. При сокращении мышц осуществляется работа, связанная с превращением химической энергии в механическую.

Источники энергии мышечной деятельности

В настоящее время принято считать, что процессом, непосредственно связанным с работающим механизмом поперечнополосатого мышечного волокна, является распад АТФ с образованием АДФ и неорганического фосфата. Возникает вопрос, каким образом мышечная клетка может обеспечить свой сократительный аппарат достаточным количеством энергии в форме АТФ, т. е. каким образом в процессе мышечной деятельности происходит непрерывный ресинтез этого соединения?

Прежде всего ресинтез АТФ обеспечивается трансфосфорилированием АДФ с креатинфосфатом. Данная реакция катализируется ферментом креатинкиназой:

К реатинфосфат + АДФ Креатин + АТФ.

креатинкиназа

Креатинкиназный путь ресинтеза АТФ является чрезвычайно быстрым и макси­мально эффективным (за счет каждой молекулы креатинфосфата образуется молекула АТФ). Именно поэтому долгое время не удавалось установить уменьшение концентра­ции АТФ и соответственно повышение концентрации АДФ даже при достаточно продолжительном тетанусе. Лишь применив специфический ингибитор креатинкиназы (1-фтор-2,4-динитрофенол), а также агенты, препятствующие окислительному фосфорилированию АДФ в АТФ, Т. Кейн и соавт. (1962) смогли продемонстрировать прямой распад АТФ с одновременным приростом неорганического фосфата и АДФ при одиночном сокращении изолированной мышцы лягушки.

Некоторое количество АТФ может ресинтезироваться в ходе аденилаткиназной (миокиназной) реакции:

2 АДФ АТФ + АМФ.

аденилаткиназа

Запасы креатинфосфата в мышце невелики, а доступность энергии креатинфосфата имеет ценность для работающей мышцы только в том случае, если расход его постоянно возмещается синтезом АТФ в процессе метаболизма. Для любой ткани, в том числе и мышечной, известны два фундаментальных биохимических процесса, в ходе которых регенерируются богатые энергией фосфорные соединения. Один из этих процессов — гликолиз, другой — окислительное фосфорилирование. Наиболее важным и эффективным из них является последний. При достаточном снабжении кислородом мышца, несмотря на анаэробный механизм сокращения, в конечном итоге работает за счет энергии, образующейся при окислении (в цикле Кребса) как продуктов распада углеводов, так и ряда других субстратов тканевого дыхания, в частности жирных кислот, а также ацетата и ацетоацетата.

В последнее время появились данные, доказывающие, что Креатинфосфат в мы­шечной ткани (в частности, в сердечной мышце) способен выполнять не только роль как бы депо легкомобилизируемых макроэргических фосфатных групп, но и играть также роль транспортной формы- макроэргических фосфатных связей, обра­зующихся в процессе тканевого дыхания и связанного с ним окислительного фосфорилирования. Предложена схема переноса энергии из митохондрий в цитоплазму клетки миокарда:

АТФ, синтезированный в матриксе митохондрий, переносится через внутреннюю мембрану с участием специфической АТФ-АДФ-транслоказы на активный центр митохондриального изофермента креатинкиназы, который расположен на внешней стороне внутренней мембраны; в межмембранном пространстве (в присутствии ионов магния) при наличии в среде креатина обра­зуется равновесный тройной фермент-субстратный комплекс креатин-креатинкиназа--АТФ- Мg^{2 +} , который затем распадается с образованием креатинфосфата и АДФ- Мg²⁺. Креатинфосфат диффундирует в цитоплазму, где используется в миофибриллярной креатинкиназной реакции для рефосфорилирования АДФ, образовавшегося при сокращении.

При работе умеренной интенсивности мышца может покрывать свои энергети­ческие затраты за счет аэробного метаболизма. Однако при больших нагрузках, когда возможность снабжения кислородом отстает от потребности в нем, мышца вынуждена использовать гликолитический путь снабжения энергией. При интенсивной мышечной работе скорость расщепления гликогена или глюкозы с образова­нием молочной кислоты увеличивается в сотни раз. Соответственно содержание молоч­ной кислоты в мышечной ткани может повышаться до 1 — 1,2 г/кг и выше. Последняя с током крови в значительном количестве поступает в печень, где ресинтезируется в глюкозу и гликоген (глюконеогенез) за счет энергии окислитель­ных процессов. Перечисленные механизмы ресинтеза АТФ при мышеч­ной деятельности включаются в строго определенной последовательности. Наиболее экстренным является креатинкиназный механизм, и лишь примерно через 20 с макси­мально интенсивной работы, начинается усиление гликолиза, интенсивность которого достигает максимума через 40 — 80 с. При работе более длительной, а следовательно, и менее интенсивной, все большее значение приобретает аэробный путь ресинтеза АТФ.

Содержание АТФ и креатинфосфата в сердечной мышце ниже, чем в скелетной мускулатуре, а расход АТФ велик, поэтому ресинтез АТФ в миокарде должен происходить намного интенсивнее, чем в скелетной мускулатуре. Для сердечной мышцы теплокровных животных и человека основным путем образования богатых энергией фосфорных соединений является путь окислительного фосфорилирования, связанный с поглощением кислорода. Регенерация АТФ в процессе анаэробного расщепления углеводов (гликолю) в сердце человека практического значения не имеет. Именно поэтому сердечная мышца очень чувствительна к недостатку кислорода. Характерной особенностью обмена веществ в сердечной мышце по сравнению со скелетной мускулатурой является также то, что аэробное окисление веществ неуглеводной природы при работе сердечной мышцы имеет большее значение, чем при сокращении скелетной мышцы. Только 30 — 35% кислорода, поглощаемого сердцем в норме, рас­ходуется на окисление углеводов и продуктов их превращения. Главным суб­стратом дыхания в сердечной мышце являются жирные кислоты. Окисление неугле­водных веществ обеспечивает около 65 — 70 % потребности миокарда в энергии. Из свободных жирных кислот в сердечной мышце особенно легко подвергается окислению олеиновая кислота.

КrФ цитоплазма

Перенос энергии митохондрий в цитоплазму клетки миокарда

(схема по В.А.Саксу и др.).

А – наружная мембрана,

Б –внутренняя мембрана.

Кр – креатин,

КрФ - креатинфосфат,

КК – креатинкиназа,

Т – транслоказа.

АДФ-Mg +Фн