Лабораторне заняття № 4

Аеробний ресинтез АТФ в енергозабезпеченні м'язового скорочення. Кількісне визначення піровиноградної кислоти (ПВК) в крові

Мета роботи: вивчити механізм циклу трикарбонових кислот і окислювального фосфорилювання, які протікають в мітохондріях та являють собою універсальну систему аеробного ресинтезу АТФ. Ознайомитися з методикою визначення піровиноградної кислоти як основного метаболіту аеробного окислення вуглеводів.

Питання для самопідготовки:

1. Охарактеризуйте будову мітохондрій.

2. Яка послідовність реакцій циклу Кребса і їх сутність?

3. Які ключові ферменти циклу Кребса? Які фактори його лімітують?

4. Яка роль вуглеводів в забезпеченні функціонування циклу Кребса?

5. Опишіть хімічні процеси дихального ланцюга.

Теоретична частина

Мітохондрії є місцем завершального етапу окиснення поживних речовин і перетворення енергії у форму, доступну для використання клітиною. У мітохондріях утворюється до 90 % АТФ, необхідної для життєдіяльності організму. Мітохондрії мають гладку зовнішню і складчасту внутрішню мембрани, а також внутрішній вміст, який називається матриксом (рис. 13).

У матриксі знаходяться ферменти окиснення пірувата і жирних кислот, а також у високій концентрації розчинні ферменти циклу лимонної кислоти. Тут же містяться і всі речовини, які забезпечують мітохондріальний синтез білка. Цикл лимонної кислоти складає частину аеробного механізму енергозабезпечення.

Реакції циклу Кребса показані на рис. 15.

Рис. 13. Схема будови мітохондрії, локалізації електронтранспортної системи (дихального ланцюга) і утворення АТФ, потоки найважливіших метаболітів, які поступили і утворилися в мітохондрії

1. Ацетил-КоА передає свою двохвуглецеву ацетилову групу чотирьохвуглецевій сполуці – щавлевооцтовій кислоті, і в результаті утворюється шестивуглецева сполука – лимонна кислота. Сам кофермент А (Ко-А) при цьому звільняється і знов може приєднати піровиноградну кислоту.

2. Під дією ряду ферментів від лимонної кислоти відщеплюються у вигляді молекул СО₂ два вуглецеві атоми з шести, а чотирьохвуглецева сполука, яка залишилася, перетворюється врешті-решт на нову молекулу щавлевооцтової кислоти, здатну прийняти нову двохвуглецеву ацетилову групу ацетил - КоА.

При вивченні циклу лимонної кислоти слід запам'ятати:

1. СО₂, який видихається нами, є побічним продуктом циклу лимонної кислоти. Кожна молекула пірувату, який піддається описаним вище перетворенням, віддає усі три своїх вуглецевих атома у вигляді двоокису вуглецю: одна молекула СО₂ утворюється в ході перетворення пірувату на ацетилову групу, а дві інші – в циклі лимонної кислоти.

2. Атоми водню відщеплюються на ранніх етапах циклу лимонної кислоти і передаються акцепторам електронів НАД і ФАД, які при цьому відновлюються відповідно до НАД Н +Н і ФАД+ Н.

3. Одна молекула АТФ утворюється безпосередньо в кожному оберті циклу лимонної кислоти.

4. Цикл лимонної кислоти можна описати наступним сумарним рівнянням:

СН₃СО-SКоА + 3 НАД⁺ + ФАД + ГДФ + Ф_н + 2Н₂О →

→2СО₂ + 3НАДН +3Н⁺ + ФАДН₂ + ГТФ + КоАSН

Висновок: за один оберт циклу трикарбонових кислот (ЦТК) молекула піровиноградної кислоти (ПВК) виявляється повністю окисненою до СО₂ і Н₂О. Всього утворюється 3 молекули СО₂. Діоксид вуглецю (СО₂) виділяється в навколишнє середовище.

У

Рис. 14. Схема роздільного переносу протонів Н⁺ і електронів на кисень в мембрані мітохондрій

стінку внутрішньої мембрани мітохондрій вбудовані ферменти та цитохроми. Серія реакцій, які проходять на цитохромах, називається біологічним окисненням, або тканинним диханням (рис. 14). Як субстрат для аеробного окиснення використовуються, після етапу універсалізації, глюкоза, вищі жирні кислоти, амінокислоти, кетонові тіла, молочна кислота. В результаті підготовки на етапі універсалізації всі ці речовини перетворюються на ацетил-КоА, який в результаті серії хімічних реакцій розпадається в циклі лимонної кислоти до СО₂. Водень зв'язується коферментами НАД і ФАД, і у такому вигляді переноситься на ланцюг цитохромів, де відбувається незалежне перенесення електронів і протонів водню (Н⁺) на молекули кисню, які поступають у мітохондрії за рахунок зовнішнього дихання, та синтез АТФ. Швидкість утворення АТФ в процесі окиснювального фосфорилювання залежить від наступних факторів:

- співвідношення АТФ до АДФ (за відсутності в клітині АДФ синтез АТФ не відбувається);

- кількості кисню в клітині і ефективність його використання;

- активності окиснювальних ферментів;

- кількості дихальних ферментів в мітохондріях;

- цілісності мембран мітохондрій;

- кількості мітохондрій в клітині;

- концентрації гормонів, іонів кальцію і інших регуляторів аеробного обміну.

Рис. 15. Цикл лимонної кислоти (цикл Кребса)

Зниження концентрації АТФ спостерігається відразу після початку виконання інтенсивного фізичного навантаження і активує дихальну і серцево-судинну системи, які доставляють кисень до клітин.

Кількість кисню, який споживається легенями, прямо пропорціональна кількості О₂, який використовується в процесах окиснювального фосфорилювання. Це дозволяє визначати величину аеробного енергоутворення за надходженням кисню.

Найінтенсивніше протікають процеси аеробного енергоутворення в м'язових волокнах, які повільно скорочуються. Отже, чим вище відсотковий вміст таких волокон в м'язах, які несуть основне навантаження при виконанні вправи, тим більша максимальна аеробна потужність у спортсменів, і тим вище фізична працездатність при тривалій роботі.

Метаболічна ємність аеробного механізму практично безмежна, оскільки є великі запаси енергетичних джерел, які дають можливість отримати енергію для ресинтезу АТФ. Так, при окисненні молекули глюкози в аеробних умовах утворюється 38 молекул АТФ, тоді як в анаеробних — тільки 2 АТФ:

П ри окисненні вищих жирних кислот, наприклад пальмітинової, утворюється ще більше енергії:

Ефективність отримання енергії цим механізмом також висока і складає 50 %. Визначається вона за порогом анаеробного обміну (ПАНО): (у нетренованих людей ПАНО наступає при споживанні кисню приблизно 50 % від рівня VO₂max, а у тренованих на витривалість — при 80—90 % максимального споживання кисню (МСК). Збільшення показника ПАНО під впливом спеціального тренування пов'язане з підвищенням (адаптацією) можливостей кисневотранспортної системи, а також ферментативних, регуляторних і інших систем.