Энергетика мышечного сокращения

В динамическом режиме работоспособность мышцы зависит от АТФазной активности миозина, которая, в свою очередь, определяется скоростью ресинтеза АТФ. При этом скорость расщепления АТФ может увеличиваться в 100 раз и более. Источником энергии для мышечного сокращения и расслабления служит только АТФ.

Однако запасы АТФ в клетке ограничены. Поэтому для восполнения запасов АТФ в организме непрерывно происходит его восстановление — ресинтез. Он осуществляется аэробным или анаэробным путем, в зависимости от скорости потребления АТФ или наличия кислорода. Для оценки энергетических возможностей этих путей используются такие критерии как:

• максимальная мощность – наибольшая скорость образования АТФ,

• метаболическая ёмкость – отображает количество АТФ, которое может быть ресинтезировано и лимитирует объём выполняемой работы,

• метаболическая эффективность – определяет то количество АТФ, которое может быть использовано непосредственно для мышечного сокращения.

Процесс анаэробного ресинтеза осуществляется фосфагенной или гликолитической системами. Первая использует для восстановления АТФ запасы креатинфосфата. Креатинфосфат в миофибриллах хранится на нитях актина и при мышечном сокращении может быть использован в первую очередь для ресинтеза АТФ. АТФ идет на энергообеспечение сокращения. При расщеплении креатинфосфата образуется креатин, а фосфат переносится на АДФ (АДФ+Ф=АТФ). Креатинфосфатный механизм имеет самую большую метаболическую мощность -3,8 кДж-кг-мин. Это в 3-4 раза выше, чем аэробный процесс, и в 2 раза выше гликолиза. Эффективность этого механизма также самая высокая из всех возможных, 80% креатинфосфата превращается в АТФ.

Наибольшую скорость и мощность сокращения обеспечивает фосфагенная система ресинтеза. Запасы креатинфосфата в мышцах ограничены, но превышают запасы АТФ в несколько раз. Однако, такой путь ресинтеза АТФ может поддерживать интенсивную работу не очень длительное время, (у лиц, не занимающихся спортом — до 2-3 сек, у спортсменов — до 6-9 мин.). Это говорит о не высокой метаболической ёмкости процесса.

Востановление самого креатинфосфата осуществляется аэробным путём. Креатинфосфат выполняет роль энергетического резерва и энергетического буфера. Относительно постоянный уровень АТФ поддерживается до тех пор, пока в тканях не произойдет значительное снижение запасов креатинфосфата. Этот механизм первым включается в работу, защищая нас от энергетического шока, пока в наших мышечных клетках набирают ускорение другие механизмы энергообеспечения.

Креатин синтезируется из аминокислоты метионина в почках. Метионин относится к незаменимым аминокислотам. Это необходимо учитывать при разработке диеты спортсменам. Креатин поступает в мышечную клетку, и в митохондриях на него переносится фосфатная группа с молекулы АТФ, полученной аэробным способом. Далее креатинфосфат диффундирует к саркомеру и фиксируется на молекулах актина.

Гликолитическая система использует для ресинтеза АТФ анаэробное расщепление глюкозы (гликолиз) или гликогена (гликогенолиз) до молочной кислоты. Каждая молекула глюкозы в анаэробном гликолизе обеспечивает восстановление двух молекул АТФ. О

Рис.11

бщий процесс гликолиза и гликогенолиза выражается следующими уравнениями:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + Фк → 2С₃Н₆О₃ +2 АТФ + 2Н₂О

(С₆Н₁₀О₅)n + 3АДФ + 3Фк → 2С₃Н₆О₃ + (C₆H₁₀O₅)_n-1 + 3АТФ + 2Н₂О (Рис. 17).

Таким образом, бескислородное (лактатное) расщепление, или анаэробный гликолиз, - многоступенчатый ферментативный процесс, в результате которого из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пирувата (ПВК) и четыре молекулы АТФ. Однако, полезный виход АТФ при гликолизе составляет всего две молекулы, поскольку две молекулы АТФ были использованы на ранних стадиях процесса. Далее в отсутствии кислорода ПВК под действием лактатдегидрогеназы (ЛДГ) восстанавливается до лактата. Протоны водорода накапливаются в молекулах НАДН⁺. Этот процесс позволяет поддерживать необходимую концентрацию НАД для протекания гликолиза.

Следует отметить, что при лактатном механизме энергообеспечения затрачиваются большие количества гликогена. Гликоген находится в саркоплазме скелетных мышц и локализован в гранулах, примыкающих к I диску саркомера. Мышечный гликоген является легкодоступным источником глюкозы только для самой мышцы. Молекула глюкозы отщепляется от гликогена в виде глюкозо-6-фосфата и не может покинуть мышечную клетку. Поэтому мышечные клетки не могут поделиться друг с другом энергетическими субстратами. При активной мышечной работе затрачиваются большие количества энергии, которая извлекается в ходе распада гликогена. Однако, его количество не является фактором, лимитирующим гликолиз.

Рис. 17. Анаэробный гликолиз

Энергетические возможности этой системы выше, чем фосфагенной, но и она может служить источником энергии сокращения лишь 0,5-2 мин. Метаболическая мощность гликолиза почти в два раза ниже креатинфосфатного пути. Метаболическая ёмкость в гликолизе определяется не снижением концентрации субстрата как в первом случае, а накоплением метаболита. Физическая работа в анаэробных условиях сопровождается накоплением в мышцах молочной кислоты. Изменение рН в результате накопления молочной кислоты снижает АТФ-азную активность миозина. Поэтому эффективность гликолиза самая низкая (40%) из энергетических механизмов. Гликолиз протекает в цитоплазме, и большая часть энергии теряется в виде тепла. При интенсивной разминке наблюдается свободное окисление, при котором не вся выделяемая энергия идёт на ресинтез АТФ, а рассеивается в виде тепла.

В клетках только скелетной мускулатуры на очень короткое время (доли секунды) срабатывает еще один анаэробный механизм ресинтеза АТФ – миокиназная реакция (аденилаткиназная реакция). Миокиназный механизм ресинтеза АТФ осуществляется путем взаимодействия двух молекул АДФ. Одна АДФ передает свою конечную фосфатную группу другой молекуле при участии фермента миокиназы. Сама, при этом, превращается в АМФ.

2 АДФ → АТФ + АМФ

Эта реакция важна тем, что она повышает концентрацию АМФ в мышечной ткани. АМФ выполняет очень важную функцию. Она сигнализирует про истощение клеточных энергетических ресурсов. К тому же она действует как активатор ключевых ферментов катаболизма углеводов, что ведет к образованию дополнитеьных количеств АТФ.

В противоположность креатинкиназной реакции, являющейся первичным из используемых путей ресинтеза АТФ, миокиназная реакция является аварийным путем.

Аэробный механизм ресинтеза АТФ. Продолжительная работа мышц возможна при стабильном ресинтезе АТФ, который обеспечивает только аэробный механизм окислительного фосфорилирования. Энергетические возможности аэробной окислительной системы значительно больше остальных. Процесс протекает на 70% за счет окисления углеводов, липидов - 25%, и аминокислот до 5%, а, следовательно, метаболическая ёмкость не ограничена.

С₆Н₁₂О₆+О₂----6СО₂+6Н₂О+38АТФ

С₁₈Н₃₂О₂+23О₂----16СО₂+146Н₂О+130АТФ

Аэробный механизм протекает в специализированных органеллах-митохондриях. В митохондриях образуется до 90 % всей АТФ организма.

В матриксе митохондрий находятся ферменты окисления пирувата и жирных кислот, ферменты цикла лимонной кислоты. Здесь же содержатся и все вещества, обеспечивающие митохондриальный синтез белка.

Метаболическая мощность аэробного гликолиза самая низкая из всех процессов, что объясняется очень продолжительным периодом развёртывания процесса. Эффективность составляет 50-60%. Основным лимитирующим фактором процесса является количество кислорода, поступающего к митохондриям. Так при работе в аэробных условиях, благодаря увеличению минутного объема сердца, кровоток работающей мышцы увеличивается примерно в 20 раз. В работающей мышце увеличение частоты дыхания в 2-3 раза и влияние рН среды на диссоциацию НвО₂ приводит к увеличению потребления О₂ в 100 раз. У тренированных спортсменов наблюдается повышение активности митохондриальных ферментов.

Частью аэробного механизма энергообеспечения является цикл лимонной кислоты (ЦТК) (рис. 18).

Рис. 18. Реакции цикла Кребса.

В результате тканевого (межуточного) обмена аминокислоты, моносахариды, жирные кислоты превращаются в ацетил-КоА. Поступая в матрикс митохондрий, ацетил-КоА взаимодействует с щавелево-уксусной кислотой (оксалоацетатом). Это и является началом процесса, называемым циклом трикарбоновых кислот (ЦТК) или циклом Кребса (Рис. 18).

1. Ацетил-КоА передает свою двухуглеродную ацетильную группу четырёхуглеродному соединению ― щавелевоуксусной кислоте. В результате образуется шестиуглеродное соединение - лимонная кислота. Сам кофермент А (Ко-А) при этом освобождается и вновь может присоединить пировиноградную кислоту.

2. Под действием ряда ферментов от лимонной кислоты отщепляются два углеродных атома из шести в виде молекул СО₂. Оставшееся четырехуглеродное соединение превращается в конечном счете в новую молекулу щавелевоуксусной кислоты, способную принять новую ацетильную группу от ацетил - КоА.

При изучении цикла лимонной кислоты следует запомнить:

1. Выдыхаемый нами СО₂ есть побочный продукт цикла лимонной кислоты. Каждая молекула пирувата, подвергающаяся превращениям, отдает все три своих углеродных атома в виде двуокиси углерода. Одна молекула СО₂ образуется в ходе превращения пирувата в ацетильную группу, а две другие — в цикле лимонной кислоты.

2. Кислород, использующийся в образовании СО₂, поступает из Н₂О.

3. Протоны водорода и электроны, отщепляющиеся от субстратов, передаются НАД- или ФАД-зависимым ферментам. При этом коферменты восстанавливаются соответственно до НАД Н⁺ или ФАД Н₂.

4. В каждом обороте цикла Кребса образуется одна молекула ГТФ.

За один оборот ЦТК ацетильная группа, поступившая в митохондрию с АцетилКоА, оказывается полностью окисленной до двух молекул СО₂ и 1 ГТФ. ГТФ используется при синтезе белка, а 3 НАДН⁺, 1ФАДН₂ переносятся на ферменты в дыхательной цепи. Диоксид углерода (СО₂) выделяется из митохондрий в окружающую среду.

Во внутреннюю мембрану митохондрий встроены ферменты - оксидоредуктазы (дыхательная цепь). Серия реакций, проходящих с их участием, называется биологическим окислением (рис.19.). С этим процессом сопряжён синтез АТФ, носящий название окислительного фосфорилирования. Скорость образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависит от следующих факторов:

• соотношения АТФ к АДФ – дыхательный контроль. При отсутствии в клетке АДФ синтез АТФ не происходит;

• количества кислорода в клетке и эффективность его использования;

• активности окислительных ферментов;

• количества ферментов дыхательной цепи в митохондриях;

• целостности мембран митохондрий;

• количества митохондрий в клетке.

Рис. 19. Расположение дыхательной цепи на мембране митохондрии.

Сразу после начала выполнения интенсивной физической нагрузки наблюдается снижение концентрации АТФ. Метаболиты энергообмена и гормоны активируют дыхательную и сердечно-сосудистую системы. Всё это вместе повышает доставку кислорода к клеткам.

При переходе от состояния относительного покоя к интенсивной мышечной деятельности потребность организма в кислороде возрастает во много раз. Однако, сразу эта повышенная потребность не может быть удовлетворена. Необходимо время для того, чтобы усилилась деятельность систем дыхания и кровообращения, чтобы кровь, обогащенная кислородом, достигла работающих мышц. Поэтому начало всякой достаточно интенсивной работы происходит в условиях недостатка в организме кислорода (кислородный дефицит)