Лабораторне заняття № 3 Вивчення механізмів анаеробного ресинтезу атф при фізичній роботі. Визначення вмісту молочної кислоти ензиматичним методом

Мета роботи: Ознайомитися з шляхами анаеробного ресинтезу АТФ: креатинкіназним, гліколізом і міокіназним.

Питання для самопідготовки:

1. Вкажіть основні субстрати в анаеробному ресинтезі АТФ.

2. Які основні метаболіти утворюються в анаеробному ресинтезі АТФ?

3. Розкрийте особливості протікання анаеробного ресинтезу АТФ.

4. Дайте визначення потужності, ємності і ефективності анаеробних процесів.

5. Охарактеризуйте лімітуючі фактори анаеробного механізму ресинтезу АТФ.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

У нашому організмі запас АТФ складає близько 50 г на 70 кг маси тіла. Такої концентрації вистачає на 2-3 м'язових скорочення, тобто на тривалість роботи менше 1 сек, тому одночасно з початком використання АТФ при м'язовому скороченні починається і його ресинтез:

А ДФ+фосфорна кислота+енергія АТФ

Енергію для цього процесу клітини отримують двома принципово різними шляхами: аеробним (кисневим) – окиснювальне фосфорилювання і анаеробним (безкисневим). Останній, у свою чергу, у зв'язку з використанням різних субстратів розподіляють на гліколітичний (гліколіз), креатинфосфокіназний і міокіназний. Кожний механізм має різні енергетичні можливості, які характеризуються за наступними критеріями оцінки енергоутворення: максимальна потужність, швидкість розгортання, метаболічна ємність і ефективність.

Максимальна потужність — це найбільша швидкість утворення АТФ в даному метаболічному процесі. Вона лімітує граничну інтенсивність роботи, що виконується за рахунок даного механізму.

Швидкість розгортання оцінюється часом досягнення максимальної «потужності» даного шляху ресинтезу АТФ від початку роботи.

Метаболічна ємність відображає загальну кількість АТФ, яка може бути отримана в даному механізмі ресинтезу за рахунок величини запасів енергетичних субстратів; ємність лімітує об'єм виконуваної роботи.

Метаболічна ефективність — це та частина енергії, яка накопичується в макроергічних зв'язках АТФ; вона визначає економічність виконуваної роботи і оцінюється загальним значенням коефіцієнта корисної дії (ККД), який представляє відношення всієї корисно витраченої енергії до її загальної кількості, виділеної в даному метаболічному процесі.

Загальний ККД при перетворенні енергії метаболічних процесів в механічну роботу (Ем) залежить від двох показників:

а) ефективності перетворення, енергії, яка виділяється в ході метаболічних перетворень, в енергію ресинтезуємих молекул АТФ, тобто ефективності фосфорилювання (Еф);

б) ефективності перетворення АТФ в механічну роботу, тобто ефективності хемомеханічного сполучення (Ее). Ефективність хемомеханічного сполучення в процесах аеробного і анаеробного метаболізму приблизно однакова і складає 50%, тоді як ефективність фосфорилювання найвища в алактатному анаеробному процесі (креатинфосфокіназному) — близько 80% і найменша — в лактатному анаеробному (гліколізі) — в середньому 44%; в аеробному процесі вона складає приблизно 60 %.

Алактатний механізм включає креатинфосфокіназну і міокіназну реакції.

Креатинфосфокіназний шлях ресинтезу АТФ. У цьому механізмі ресинтезу АТФ джерелом енергії є внутрішньом'язові запаси креатинфосфату. Креатинфосфат локалізований безпосередньо на молекулах актину і здатний швидко вступати в реакцію перефосфорилювання за участю ферменту креатинфосфокінази (КФК). Ресинтез АТФ за рахунок креатинфосфату здійснюється шляхом перенесення фосфатної групи з молекули креатинфосфату на АДФ з утворенням АТФ і нефосфорильованого креатину (креатинкіназна реакція). Креатинкіназна реакція протікає надзвичайно швидко. Це створює можливість виконувати рухи максимальної швидкості і сили. Ресинтезу АТФ з креаинфосфату починається одочасно з розпадом АТФ, характерний для короткочасних фізичних навантажень максимальної потужності і здійснюється в анаеробних умовах. Запаси креатинфосфату в м'язах обмежені, але перевищують запаси АТФ у декілька разів, і тому такий шлях ресинтезу АТФ може здійснюватися не дуже тривалий час (у нетренованих людей – до 12 сек, у тренованих – до 1-2 хв.). Отже, креатинфосфат виконує роль енергетичного резерву і енергетичного буфера. Відносно постійний рівень АТФ підтримується до тих пір, доки в тканинах не відбудеться значне зниження запасів креатинфосфату. Цей механізм першим включається в роботу, захищаючи від енергетичного шоку доки в м'язових клітинах набирають прискорення інші механізми енергозабезпечення. Максимальна потужність цього процесу 3,8 кДж·кг·хв^-1, що в 3-4 рази вище, ніж аеробний процес, і в 2 рази вище за гліколіз. Ефективність цього механізму найвища зі всіх можливих, 80% креатинфосфату перетворюються на АТФ.

Креатин синтезується за участю нирок і печінки, головним чином із аргініну і гліцину. При цьому метіонін виступає як донор метильних груп в печінці (у формі S-аденозилметіоніну). Метіонін відноситься до незамінних амінокислот, що необхідно враховувати спортсменам при розробці дієти. Креатин поступає в м'язову клітину, і в мітохондріях на нього переноситься фосфатна група з молекули АТФ, отриманої аеробним способом, далі за рахунок дифузії креатинфосфат транспортується до саркомеру і фіксується на молекулах актину.

Міокіназна реакція (аденілаткіназна реакція) або міокіназний шлях ресинтезу АТФ здійснюється шляхом взаємодії двох молекул АДФ, одна з яких, за участю ферменту міокінази, передає свою кінцеву фосфатну групу іншій молекулі, перетворюючись на АМФ.

2 АДФ → АТФ + АМФ

Цей механізм ресинтезу АТФ використовує другу реакційноспроможну фосфатну групу для утворення з АДФ додаткових кількостей АТФ; ця реакція важлива тим, що вона служить для підвищення концентрації АМФ в м'язовій тканині. АМФ виконує найважливішу функцію сигналізації про виснаження клітинних енергетичних ресурсів і діє як активатор ключових ферментів катаболізму вуглеводів, який веде до утворення додаткових кількостей АТФ.

В протилежність креатинкіназній реакції, яка є першим з шляхів ресинтезу АТФ, що використовуються, міокіназна реакція є останнім, аварійним шляхом.

При переході від стану відносного спокою до інтенсивної м'язової діяльності потреба організму в кисні зростає у багато разів. Проте відразу ж ця підвищена потреба не може бути задоволена, оскільки потрібний час для того, щоб посилилася діяльність систем дихання і кровообігу, щоб кров, збагачена киснем, досягла працюючих м'язів. Тому початок будь-якої достатньо інтенсивної роботи відбувається в умовах недоліку в організмі кисню (кисневий дефіцит). Проте, скелетні м'язи людини можуть розвивати напругу без споживання кисню. Таку можливість забезпечує алактатний (розглядався раніше) і лактатний або гліколітичний механізм енергозабезпечення. В гліколітичній системі субстратом виступає глюкоза, а метаболітом – лактат (молочна кислота).

Гліколіз (греч.glycos – солодкий і Lysis – розщеплювання) – багатоступеневий ферментативний процес перетворення шестивуглецевого ланцюга глюкози в дві трьохвуглецеві молекули піровиноградної кислоти (пірувату, ПВК) С₃Н₄О₃. В ході реакцій гліколізу виділяється велика кількість енергії – 200 кДж/моль. З них на синтез АТФ використовується (40%), а 60% енергії, яка виробляється, розсіюється у вигляді тепла. В результаті гліколізу з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули ПВК і АТФ, а також атоми водню, які запасаються клітиною у формі НАД Н₂.

Г

Рис.11

ліколіз умовно можна розбити на два етапи. На першому етапі (1-5 реакції) (рис. 11) витрачається енергія (2 молекули АТФ), на другому (6-11 реакції) навпаки, - накопичується у вигляді 4 молекул АТФ (рис. 12). Перший етап гліколізу закінчується утворенням двох тріоз – 3-гліцеринового альдегіду і фосфодіоксиацетону. При ізомеризації фосфодіоксиацетон також утворює 2-фосфодігліцериновий альдегід. В результаті другого етапу гліколізу утворюється по дві молекули АТФ і піровиноградної кислоти (ПВК).

Т

Рис.12

аким чином, безкисневе розщеплювання, або гліколіз, - багатоступеневий ферментативний процес, в результаті якого з однієї молекули глюкози утворюються дві молекули пірувату (піровиноградної кислоти – ПВК) і чотири молекули АТФ. Проте, корисний вихід АТФ при гліколізі складає всього дві молекули, оскільки дві молекули АТФ були використані на ранніх стадіях п роцесу. Надалі ПВК за відсутності кисню і участі лактатдегідрогенази (ЛДГ) відновлюється до лактату, використовуючи протони водню, накопичені в молекулах НАД Н₂. Цей процес дозволяє підтримувати необхідну концентрацію НАД для протікання процесу гліколізу, звільняючи НАД, який через невелику кількість в клітині є лімітуючим фактором процесу.

Слід зазначити, що при лактатному механізмі енергозабезпечення витрачаються великі кількості глікогену, який знаходиться в саркоплазмі скелетних м'язів і локалізований в гранулах, що межують з I диском саркомера. М'язовий глікоген є доступним джерелом глюкози тільки для самого м'яза. Молекула глюкози відщеплюється від глікогену у вигляді глюкозо-1-фосфату і не може покинути м'язову клітину, отже, м'язові клітини не можуть надати одна одній енергетичних субстратів. І хоча при активній м'язовій роботі витрачаються великі кількості енергії, яка вилучається в ході розпаду глікогену, його кількість не є лімітуючим фактором гліколізу. Лімітуючим фактором гліколізу виступає збільшення кількості лактату.

Основна кількість молочної кислоти, що утворилася, використовується в аеробному енергообміні міокардом і червоними м'язовими волокнами, які поволі скорочуються, тому слід після інтенсивного анаеробного навантаження продовжити менш інтенсивну роботу. Решта частини молочної кислоти, яка накопичилася за час роботи у відновному періоді, вимивається з м'язової тканини в кров, і транспортується в печінку, де використовується для синтезу глюкози в ході глюконеогенезу. Глюкоза, синтезована в печінці, йде на відновлення запасів глікогену або поступає в кров.

Глікоген печінки використовується, головним чином, для підтримки фізіологічних концентрацій глюкози в крові в перервах між їжею. Через 12-18 годин після їжі запас глікогену в печінці майже повністю виснажується.

Загальний процес гліколізу і глікогенолізу виражається наступними рівняннями:

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

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

Це основний шлях енергоутворення при виконанні вправ субмаксимальної потужності з тривалістю роботи від 30 сек до 3 хв. Також за рахунок гліколізу здійснюються прискорення в ігрових видах спорту і на фініші тривалих дистанцій.

ПРАКТИЧНА ЧАСТИНА