Funktsional'naia_biokhimiia

141

3. Биоэнергетика мышечной деятельности. Механизмы ресинтеза АТФ в мышечной ткани.

Важнейшей функцией мышечного волокна является сократительная. Процесс сокращения и расслабления связан с потреблением АТФ, гидролиз которого катализирует миозин-АТФ-аза. Однако небольшой запас АТФ, имеющийся в мышцах, расходуется менее чем за 1 с после стимуляции.

Потребности работающей мышцы в АТФ удовлетворяются за счет ниже описанных ферментативных реакций. Эти реакции обычно называют реакции ресинтеза АТФ. Данные процессы описаны ниже и суммированы на рис. 6.6.

Рисунок 6.6. – Механизмы ресинтеза (регенерации) АТФ при мышечном сокращении

Креатинфосфатный механизм (на рисунке этап 1). Быстрая регенерация АТФ может быть достигнута за счет переноса фосфатной группы креатинфосфата на АДФ в реакции, катализируемой креатинкиназой

(2). Однако и этот мышечный резерв «высокоэргического фосфата»

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

142

расходуется в течение нескольких секунд. В спокойном состоянии креатинфосфат вновь синтезируется из креатина. При этом фосфатная группа присоединяется по гуанидиновой группе креатина (N-гуанидино-N- метилглицина). Креатин, который синтезируется в печени, поджелудочной железе и почках, в основном накапливается в мышцах. Здесь креатин медленно циклизуется за счет неферментативной реакции (3) с образованием креатинина, который поступает в почки и удаляется из организма.

Анаэробный гликолиз. В мышечной ткани наиболее важным долгосрочным энергетическим резервом является гликоген. В покоящейся ткани содержание гликогена составляет до 2% от мышечной массы. При деградации под действием фосфорилазы гликоген легко расщепляется с образованием глюкозо-6-фосфата, который при последующем гликолизе превращается в пируват. При большой потребности в АТФ и недостаточном поступлении кислорода пируват за счет анаэробного гликолиза восстанавливается в молочную кислоту (лактат), которая диффундирует в кровь.

Окислительное фосфорилирование. В аэробных условиях образующийся пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислению. Окислительное фосфорилирование – наиболее эффективный и постоянно действующий путь синтеза АТФ. Однако этот путь реализуется при условии хорошего снабжения мышц кислородом. Наряду с глюкозой, образующейся при расщеплении мышечного гликогена, для синтеза АТФ используются и другие «энергоносители», присутствующие в крови: глюкоза крови, жирные кислоты и кетоновые тела.

Образование инозинмонофосфата (миокиназный механизм). Другим источником быстрого восстановления уровня АТФ является конверсия АДФ в АТФ и АМФ (AMP), катализируемая аденилаткиназой (миокиназой). Образовавшийся АМФ за счет дезаминирования частично превращается в ИМФ (инозинмонофосфат), что сдвигает реакцию в нужном направлении.

Из всех способов синтеза АТФ наиболее продуктивным является окислительное фосфорилирование. За счет этого процесса обеспечиваются потребности в АТФ постоянно работающей сердечной мышцы (миокарда). Вот почему для успешной работы сердечной мышцы обязательным условием является достаточное снабжение кислородом (инфаркт миокарда – это следствие перебоев в поступлении кислорода).

4. Особенности биохимии красных, промежуточных и белых мышечных волокон.

У человека нет мышц, состоящих исключительно из красных или исключительно из белых волокон, но их соотношение в разных мышцах различное: так, камбаловидные мышцы голени, сгибающие стопу в голеностопном суставе, содержат преимущественно красные волокна, а глазодвигательные мышцы – преимущественно белые. Красные и белы мышечные волокна обладают разными свойствами.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

143

Если рассмотреть функциональные особенности разных волокон, то можно увидеть, что красные волокна сокращаются существенно медленнее белых. Они слабее, чем белые, т. е. они развивают меньшую силу на единицу площади поперечного сечения.

В красных мышечных волокнах главным способом синтеза АТФ является высокоэффективный, но медленный способ окислительного фосфорилирования. В них содержится много миоглобина. Это белок, способный связывать и отдавать кислород. Он создает запас кислорода в красных мышечных волокнах, которые нуждаются в нем для выработки АТФ в их митохондриях. Именно благодаря миоглобину красные волокна и окрашены в красный цвет.

Белые волокна содержат мало митохондрий и мало гемоглобина. Они добывают энергию в основном анаэробным способом. Благодаря большому количеству ферментов гликолиза они могут синтезировать АТФ с высокой скоростью, но при этом из глюкозы будет образовываться большое количество молочной кислоты. Цитоплазма белых мышечных волокон переходит в диапазон низких значений рН (рН может опуститься до 5 и ниже), это затруднит их работу и будет способствовать быстрому утомлению белых волокон. В белых волокнах содержатся большие запасы гликогена.

Кроме того, в красных и белых мышцах содержатся различные формы белка миозина. Каждая форма лучше приспособлена для выполнения функций, свойственных именно данному волокну.

Промежуточные волокна структурно и функционально занимают среднее положение между красными и белыми волокнами, но считаются подклассом белых волокон. Они распределены среди красных и белых волокон в мышцах с преобладанием того или иного типа волокон. В отличие от красных волокон эти волокна содержат много гликогена способны к анаэробному гликолизу. Такие волокна преобладают у спринтеров на средние дистанции (400-800 м), пловцов и хоккеистов.

Быстрые волокна типа IIA и IIB (соответственно промежуточные и белые) характеризуются высокой активностью АТФ-азы миозина, поэтому скорость их сокращения практически в два раза выше, чем у медленных. С высокой скоростью сокращения связан хорошо развитый саркоплазматический ретикулум, который характерен для быстрых мышечных волокон, так как он содержит ионы кальция, необходимые для сокращения мышечного волокна.

Волокна типа IIA (промежуточные) имеют набор ферментов для полного окисления углеводов и жирных кислот, такой же, как и в медленных волокнах и к тому же они располагают ферментами гликолиза, то есть способностью расщеплять углеводы до молочной кислоты. Быстрые мышечные волокна типа IIB (белые) способны к коротким периодам сократительной активности. Они имеют набор ферментов гликолиза с высокой активностью и небольшое количество митохондрий с окислительными ферментами. Быстрые мышечные волокна типа IIA и IIB

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

144

имеют большие запасы гликогена, который сразу используется в качестве источника энергии при сокращении скелетной мышцы.

5. Саркоплазматические белки: миоглобин, строение и функции.

Главными саркоплазматическими белками являются миоглобин, миоальбумин и миогеновая фракция (ферменты гликолиза и ЦКТ). Главным белком, переносящим кислород в мышечной ткани, является миоглобин. Миоглобин человека обладает бóльшим сродством к кислороду, чем гемоглобин, и способен связывать до 14% от общего количества кислорода в организме. Среднее содержание МГ: в сердце – около 4 мг на 1 г ткани, в скелетных мышцах – около 0,25 мг на 1 г ткани, в крови – около 100 нг/мл, всего в организме человека около 10 г МГ. Выводится с мочой (около 4 мкг/сут).

Миоглобин (Мb) имеет молекулярную массу 16 700 и является сравнительно простым кислородсвязывающим белком, обнаруженным практически у всех млекопитающих преимущественно в мышечной ткани. Он служит транспортным белком, облегчающим доставку кислорода к мышцам. Особенно богаты миоглобином мышцы морских млекопитающих, например, тюленей и китов; этим животным, проводящим длительное время под водой, миоглобин позволяет запасать необходимое количество кислорода.

Миоглобин представляет собой единственную полипептидную цепь из 153 аминокислотных остатков, связанную с одной молекулой гема. Он является типичным представителем семейства глобинов, все члены которого имеют сходные первичную и третичную структуры. Полипептидная цепь миоглобина образует восемь α-спиральных участков, соединенных петлями (рис. 6.7). В α-спиральных участках сосредоточено около 78% аминокислотных остатков.

Рисунок 6.7. – Пространственная структура миоглобина

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

145

Как видно из рис. 6.7, спиральные участки молекулы обозначены буквами от А до Н. Отдельные аминокислотные остатки обозначены в соответствии с их позицией либо во всей полипептидной последовательности, либо в определенном α-спиральном участке.

Для выполнения своей функции миоглобин должен быть способен не только связывать кислород, но и высвобождать его по мере необходимости.

6. Небелковые азотистые вещества мышц. Углеводный и липидный метаболизм мышц: функциональные особенности и регуляция.

Азотистые вещества и аминокислотный обмен. Среди небелковых азотистых веществ мышц выделяют адениловая система (АТФ, АДФ, АМФ, ИМФ), креатин, креатинфосфат (~60% небелкового азота), карнозин, анзерин, глутаминовая кислота, глутамин, аланин, мочевая кислота, мочевина.

В мышцах есть особенности аминокислотного обмена. Поскольку в мышцах недостаточна активность глутаматдегидрогеназы (ГДГ), то при интенсивной физической работе функционирует еще один путь непрямого дезаминирования с участием ИМФ и АМФ. Сначала аминокислоты переаминируются с α-кетоглутаратом, образованный при этом глутамат подвергается переаминированию с оксалоацетатом с образованием аспартата, который переносится на ИМФ, образуя сложное соединение – аденилосукцинат, которое распадается и дает АМФ и фумарат. При дезаминировании АМФ образуется аммиак, который может использоваться для нейтрализации лактата в мышцах. Мышцы являются главным местом катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Мышечная ткань окисляет лейцин до СО2 и превращает углеродный скелет аспартата, аспарагина, глутамата, изолейцина и валина в субстраты ЦТК. Способность мышц разрушать аминокислоты с разветвленной цепью при голодании и диабете возрастает в 3-5 раз.

Особенности липидного обмена в мышцах. Из липидов мышц преобладают фосфолипиды и холестерин. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфолипидами. В мышцах выражен катаболизм липидов. Жирные кислоты, кетоновые тела в аэробных условиях окисляются в мышцах для получения энергии.

Углеводный обмен в мышцах и его регуляция. Основным углеводом является гликоген (0,3-3,0%). Также в мышечной ткани присутствуют гликозаминогликаны, моносахариды глюкоза, фруктоза и т.д. В мышцах преобладает катаболизм углеводов. Глюкоза окисляется в аэробных или анаэробных условиях для синтеза АТФ. Из глюкозы в мышцах образуется аланин (об этом подробно будет сказано ниже). Также в мышцах протекает глюконеогенез, однако он идет не до конца и свободная глюкоза не выделяется в кровь. В скелетных мышцах глюконеогенез дает глюкозу-6- фосфат, в миокарде – фруктозу-1,6-бифосфат. Глюкоза, поступившая из

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

146

крови и образовавшаяся в глюконеогенезе, запасается в мышцах в форме гликогена (до 1%). Большие запасы гликогена локализованы в гранулах, примыкающих к I-диску.

Гликогенолиз в мышцах кроме адреналина, также стимулируется Ca2+.Поэтому Са2+ не только стимулирует мышечное сокращение, но и усиливает образование необходимого для этого процесса источника энергии.

Регуляция углеводного обмена в мышцах осуществляется следующим образом. В мышцах АТФ синтезируется за счет процесса превращений глюкозы в лактат, т. е. за счет процесса брожения. Лактат переносится кровью в печень, где в процессе глюконеогенеза с затратой АТФ вновь конвертируется в глюкозу (цикл Кори, рис. 6.8, пояснения ниже).

Рисунок 6.8. – Цикл Кори и аланина

При интенсивной работе мышцы максимально активируется гликолиз. Продукт гликолиза, пировиноградная кислота (пируват) накапливается в цитоплазме и недостаточно быстро поступает в митохондрии, если они из-за недостатка кислорода не готовы к окислению пирувата. В анаэробных условиях пируват в реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

147

(заключительный этап гликолиза) восстанавливается до лактата. Одновременно НАДН (NADH на рисунке), кофермент лактатдегидрогеназы, окисляется до НАД+ (NAD+ на рисунке), который вновь используется на окислительном этапе гликолитического пути. Этой реакции способствует относительно высокое отношение НАДН/НАД+ в мышечной ткани. Лактат диффундирует в кровь и поступает в печень, где конвертируется в глюкозу. Таким образом, образование лактата временно заменяет аэробный метаболизм глюкозы и частично переносит этот процесс из мышц в печень.

Обратная связь, подобная циклу Кори, существует в цикле аланина, в котором также участвует пируват. Цикл аланина берет начало с протеолиза белков. Образующиеся аминокислоты в результате трансаминирования в присутствии ферментов превращаются в α-кетокислоты (на схеме не приведено), которые в основном включаются в цикл трикарбоновых кислот (цитратный цикл). Одновременно в реакции, катализируемой аланинтрансаминазой, аминогруппы из разных аминокислот переносятся на имеющийся субстрат, пируват. Образующийся аланин поступает в кровь и переносится в печень. Таким образом, цикл аланина служит каналом передачи азота и предшественников глюкозы в печень, которая является местом синтеза конечных продуктов азотистого обмена, например мочевины.

При анаэробном гликолизе образуются кислоты, которые, не принимая участие в последующем обмене, существуют в форме анионов. Поэтому при интенсивном анаэробном гликолизе рН мышечной клетки может понизиться настолько, что сокращение станет невозможным. Обычно этого не происходит благодаря быстрому выходу кислых метаболитов (лактата и пирувата) в кровь, которая также может оказаться закисленной

(метаболический ацидоз).

7. Биохимия сердечной мышцы и гладкой мускулатуры.

Сердечная мышца, или миокард, имеет определённые особенности в биохимическом смысле:

1) является преимущественно аэробная тканью (потребляет 7-20% всего кислорода);

2) преобладают аэробные изоферменты: ЛДГ1 и ЛДГ2;

3)высокая скорость ЦТК, β-окисления жирных кислот, очень низкая – анаэробного гликолиза;

4)энергосубстраты – жирные кислоты, глюкоза, лактат, кетоновые

тела;

5)особенно активно из крови миокард извлекает ненасыщенные жирные кислоты – олеиновую кислоту;

6)интенсивный метаболизм аминокислот, с высокой активностью АлАТ, АсАТ;

7)саркоплазматический ретикулум развит хорошо, однако Ca2+ поступает из внеклеточной среды;

8)на сарколемме высокая активность АТФаз.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

148

Интересен факт того, что для энергообеспечения миокард использует преимущественно неуглеводные источники энергии. Миокард в норме в качестве субстратов для синтеза АТФ использует жирные кислоты (65-70%), глюкозу (15-20%) и молочную кислоту (10-15%). Роль аминокислот, кетоновых тел и пирувата в энергообеспечении миокарда сравнительно невелика.

При физической нагрузке потребление кислорода миокардом может возрастать почти в 10 раз. Кислород во многом определяет экспрессию генов в миокарде. В ходе метаболизма миокард использует различные источники энергии: жирные кислоты, глюкозу, лактат, кетоновые тела, аминокислоты с окислением их в аэробных условиях. Кроме того, кислород участвует в образовании NO, который играет важную роль в формировании сосудистого тонуса, сократительной способности миокарда.

При недостатке кислорода катаболизм глюкозы заканчивается на образовании молочной кислоты, при этом образуется гораздо меньше АТФ, чем необходимо для обеспечения потребностей миокарда. Кроме того, молочная кислота проявляет токсичность по отношению к сердечной мышце.

Согласно современным представлениям энергия кардиомиоцитов расходуется на следющие процессы:

–сокращение в миофибриллах, где под влиянием повышенной концентрации Са2+ образуются актомиозиновые связи, обеспечивающие сокращение сердечной мышцы;

–работу кальциевого насоса в саркоплазматическом ретикулуме: эта структура способна выделять ионы кальция, активирующие миофибриллы, и поглощать их обратно против концентрационного градиента, на что нужна энергия АТФ, т.е. поддержка работы кальциевого насоса является энергозависимым процессом;

–работу мембранного натрий-калиевого насоса, транспортирующего ионы натрия наружу, а ионы калия внутрь клетки против концентрационного градиента, что также требует энергетических затрат;

–обеспечение функционирования специальных калиевых каналов (АТФ-зависимых калиевых каналов – К+-АТФ-каналов и Са2+-зависимых К+- каналов), которые, присоединяя молекулы АТФ, закрываются, что препятствует выходу ионов калия из этих каналов;

–обеспечение синтетических процессов.

Другим особым типом мышц являются гладкие мышцы. Их особенности:

1)существенно отличаются по химическому составу от поперечнополосатых: у них более низкое содержание контрактальных белков

–актомиозина, макроэргических соединений, дипептидов и др.;

2)для них характерно медленное сокращение, способность долго находиться в состоянии сокращения, затрачивая сравнительно мало энергии и не подвергаясь утомлению;

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

149

3)важным свойством гладкой мышцы является ее большая пластичность, т.е. способность сохранять приданную растяжением длину без изменения напряжения.

4)специально приспособлены для того, чтобы поддерживать длительное напряжение, затрачивая на это в 5-10 раз меньше АТФ, чем понадобилось бы для выполнения той же задачи скелетной мышце, а если

оценивать по потреблению O2, то в 100-500 раз меньше.

Гладкие мышцы состоят из гораздо более мелких волокон, диаметром обычно от 1 до 5 мкм и длиной лишь 20-500 мкм. Волокна скелетных мышц примерно в 30 раз больше в диаметре и в сотни раз длиннее. Многие из основных принципов сокращения применимы как к скелетным, так и к гладким мышцам. Особенно важно, что, по сути, и в скелетных, и в гладких мышцах сокращение вызывают одни и те же силы притяжения между миозиновыми и актиновыми нитями, но внутренняя анатомическая структура гладкомышечных волокон иная.

Особенности сокращения гладких мышц. Пусковой механизм в сокращении гладких мышц – повышение концентрации Ca2+ в клетке.

Основной путь поступления ионов кальция – кальциевые каналы плазматической мембраны. Ca2+ связывается с кальмодулином, активирует киназу легких цепей миозина. Фосфорилирование легких цепей миозина вызывает сокращение.

Процесс сокращения в гладких мышцах происходит значительно медленнее. В гладких мышцах потеря тропонина не приводит к утрате сократительной способности, она продолжает регулироваться уровнем

цитозольного кальция.

Главная роль принадлежит белку, связывающему Са2+/кальмодулин, который получил название кальдесмон. Увеличение уровня цитозольного кальция приводит к повышенному его связыванию с кальмодулином, комплекс кальция с кальмодулином связывает кальдесмон (рис. 6.9).

Рисунок 6.9. – Особенности сокращения гладких мышц

.КЛЦМ – киназа легкой цепи миозина

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ

150

Одновременно наблюдается изменение местоположения тропомиозина

вспиральной бороздке F-актина и активация актомиозиновой АТФазы. Когда количество кальция уменьшается, его комплекс с кальмодулином диссоциирует; кальдесмон отщепляется от этого комплекса и соединяется с тонкими нитями. Соответственно, ингибируется активность актомиозиновой АТФазы.

Другой отличительной особенностью гладких мышц является наличие

всоставе миозина уникальной короткоцепочечной полипептидной цепи, получившей название “легкая цепь Р”. Эта субъединица может находиться в фосфорилированном и дефосфорилированном состоянии. Присоединение к ней остатка фосфорной кислоты катализирует специальный фермент – киназа

легкой цепи миозина (КЛЦМ), которая также зависит от комплекса Са2+/кальмодулин. В отсутствие этого комплекса гладкие мышцы неподвижны, киназа неактивна, а легкие Р-цепи нефосфорилированы. Повышение концентрации этого комплекса приводит к активации КЛЦМ,

соответственно, к фосфорилированию легких Р-цепей и сокращению. Увеличение концентрации Са2+ до 10–5 М вызывает образование

комплекса кальция с кальмодулином (СаКМ), который активирует тонкие нити за счет связывания кальдесмона и освобождает места связывания миозина на тонких нитях. Комплекс СаКМ также связывает и активирует КЛЦМ. Активная киназа катализирует фосфорилирование легкой P$цепи миозина, в результате активируется актомиозиновая АТФ-азная активность головок миозина. Связывание адреналина с адренорецепторами увеличивает количество цАМФ и, следовательно, активность зависимой от цАМФ протеинкиназы. В результате снижается сродство КЛЦМ к СаКМ, тем самым регулируется сила сокращений, вызванных увеличенным уровнем цитозольного кальция.

Ионы кальция регулируют сократимость гладкой мышцы. При повышении концентрации до 10 мкМ четыре иона кальция связываются с кальмодулином и активируют миозинкиназу, образуя комплекс 4Са- кальмодулин-миокиназа и запуская через фосфорилирование легких цепей

миозина процесс мышечного сокращения. Снижение концентрации ионов кальция ниже 0,1 мкМ (10–7 М) приводит к диссоциации 4Ca-КМ комплекса, освобождению и инактивации миозинкиназы, дефосфорилированию под действием фосфатазы легких цепей миозина – начинается процесс расслабления.

Особую роль в функционировании организма играет гладкомышечная ткань кровеносных сосудов, которые в зависимости от стимула могут сокращаться или расслабляться, уменьшая или увеличивая просвет кровеносного сосуда. Одним из важнейших путей регуляции сокращения гладких мышц играет расслабление гладких мышц сосудов монооксидом азота (NO). NO вызывает расслабление гладких мышц сосудов. Обнаружено, что оксид азота вырабатывается различными клетками

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ