Образование энергии в скелетных мышцах при физической работе

В мышечных клетках человека, как и в любых других видах клеток, проис­ходит энергетический обмен, при котором богатые энергией питательные вещества усваиваются и химически преобразуются, а конечные продукты обмена с более низким содержанием энергии выделяются из клетки. Вы­свобождающаяся при этом энергия в мышцах обеспечивает их сокраще­ние. Основным источником энергии для мышечного сокращения при фи­зической работе является гидролиз АТФ. Макроэргические фосфатные связи молекулы АТФ нестойкие и концевые фосфатные группы легко от­щепляются, при этом освобождается энергия (7—10 ккал/моль АТФ). При­соединение молекул АТФ к головкам миозиновых мостиков и последую­щий гидролиз АТФ являются ключевым моментом в процессе преобразо­вания химической энергии фосфатных связей в механическую энергию мышечного сокращения. В нормальных физиологических условиях мы­шечная активность как низкой, так и высокой мощности не сопровождает­ся истощением запасов энергии макроэргических соединений. Это связано с процессами ресинтеза АТФ. Различают аэробный и анаэробный пути ре­синтеза АТФ.

22.1.1. Анаэробный путь ресинтеза АТФ

При кратковременной физической работе большой мощности ресинтез АТФ происходит анаэробным путем, в котором выделяют три процесса: фосфогенный, миозинкиназный и гликолиз.

Фосфогенный анаэробный процесс (креатинфосфокиназная реакция). В мышцах наряду с АТФ содержится другое макроэргическое фосфорное соединение — креатинфосфат, являющееся вторым после АТФ по значи­мости макроэргическим фосфатным соединением. Креатинфосфат адсор­бируется на сократительных белках миофибрилл и на мембране саркоплаз­матического ретикулума. С тонким филаментом — актином связан фер­мент креатинфосфокиназа, который катализирует реакцию перефосфори- лирования между креатинфосфатом и аденозидифосфатом (АДФ), обра­зующимся при гидролизе АТФ.

Креатинфосфат + АДФ--------------------------- > АТФ + Креатин

Креатинфосфокиназная реакция первой включается в процесс ресинте­за АТФ в момент начала мышечной работы и протекает с максимальной скоростью до тех пор, пока запасы креатинфосфата в мышцах не будут ис­черпаны примерно на 30 % (в течение 5—6 с). Затем скорость креатинфос­фокиназной реакции начинает уменьшаться и в процесс ресинтеза АТФ вступают гликолиз и аэробный механизм.

Фосфогенный аэробный процесс ресинтеза АТФ играет решающую роль в энергетическом обеспечении кратковременной физической работы максимальной мощности (например, подъем и перенос тяжелых грузов), в процессе быстрого перехода от покоя к работе, во время финишного уско­рения у спортсменов.

Анаэробный гликолиз. Как только в процессе мышечной работы креатин­фосфокиназная реакция перестает обеспечивать необходимую скорость ре­синтеза АТФ и в саркоплазме мышечных волокон увеличивается концен­трация молекул АДФ, происходит активация ресинтеза АТФ за счет ана­эробного гликолиза. Источником энергии для ресинтеза АТФ являются за­пасы гликогена в миоцитах и глюкоза плазмы крови. Повышение концен­трации АДФ в саркоплазме, а также увеличение содержания ионов Са⁺⁺ активируют ферменты фосфорилазу и гексокиназу. Молекулы этих фер­ментов локализованы на мембране саркоплазматического ретикулума, а также на других внутриклеточных компонентах.

В процессе гликолиза образуется до 2,5 кДж/кг/мин. Гликолиз как ис­точник энергии мышечного сокращения эффективно обеспечивает сокра­тительный процесс с 20-30-й секунды после начала сокращения и спосо­бен обеспечивать мышечную активность высокой мощности до 2—2,5 мин. Скорость гликолиза угнетается под влиянием повышения концентрации молочной кислоты в миоцитах и уменьшения pH в саркоплазме. Накопле­ние молочной кислоты при анаэробной работе находится в прямой зависи­мости от мощности и общей продолжительности физической работы.

Увеличение количества молочной кислоты в саркоплазматическом про­странстве мышц вызывает рост осмотического давления в саркоплазме, при этом вода из межклеточной среды поступает внутрь мышечных воло­кон и вызывает их набухание. Значительные изменения осмотического давления в мышцах могут быть причиной болевых ощущений.

Миокиназная реакция. Физическая активность высокой мощности, а также развитие утомления (фаза истощения) приводят к повышению в саркоплазме концентрации молекул АДФ, которые являются источником ресинтеза АТФ:

Аденилатциклаза

АДФ + АДФ > АТФ + АМФ.

Миокиназная реакция, как и креатинфосфокиназная, легко обратима и используется в организме для уменьшения резких перепадов в скорости образования и использования АТФ. В случае появления в клетке избытка АТФ он быстро устраняется с помощью миокиназной реакции.

22.1.2. Аэробный гликолиз

Примерно 90 % запасов АТФ в миоцитах образуется в процессе аэробного ресинтеза, т. е. при участии кислорода. Ферментные системы аэробного обмена расположены в основном в митохондриях клеток. К числу суб­стратных циклов окисления относятся: гликолитическое расщепление уг­леводов, заканчивающееся образованием пировиноградной кислоты, окис­лительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл превра­щений трикарбоновых кислот, окислительное дезаминирование аминокис­лот, [J-окисление жирных кислот. Суть химических превращений в суб­стратных циклах заключается в постепенном преобразовании исходного субстрата в форму, доступную действию специфических дегидрогеназ, с последующим высвобождением энергии в ходе окислительно-восстанови­тельных реакций, где участвуют дыхательные ферменты. Энергия окисле­ния, выделяющаяся в реакциях дегидрогенирования, сохранятся в соеди­нениях водорода с коферментами НАД или ФАД. Для ресинтеза АТФ она используется при переносе водорода от коферментов НАД и ФАД на ки­слород по системе дыхательных ферментов, которая расположена на внут­ренней мембране митохондрий.

В дыхательной цепи имеется три пункта сопряжения, где за счет энер­гии, высвобождающейся при переносе электронов, может синтезироваться АТФ. Первый пункт сопряжения находится на участке переноса водорода от НАД к ФАД. Количества свободной энергии, высвобождаемой в этой реакции, достаточно для синтеза 1 моля АТФ. Второй пункт сопряжения локализуется на участке переноса электронов от кофермента Q через цито­хром к цитохрому с. Третья молекула АТФ синтезируется на завершающем этапе дыхательной цепи в цитохромоксидазной реакции, где происходит перенос электронов с системы цитохромов на кислород. В этом пункте со­пряжения энергии освобождается больше, чем при любой другой реакции дыхательной цепи. Этой энергии вполне могло бы хватить для образования нескольких молей АТФ, но, тем не менее, в этом пункте сопряжения, как и в первых двух, синтезируется только 1 моль АТФ. Излишек энергии, вы­деляемой в цитохромоксидазной реакции, служит главной движущей си­лой для всего процесса переноса электронов по дыхательной цепи. Кисло­род, акцептирующий электроны, которые поставляет цитохромоксидазная реакция, служит резервуаром, обеспечивающим постоянный отток элек­тронов из дыхательной цепи и поддерживающим ее компоненты в окис­ленном состоянии, благодаря чему они могут принимать водород от раз­личных субстратов окисления.

Наряду с обычным путем окисления субстратов на внутренней мембра­не мышечной клетки существует также путь окисления, локализованный на внешней мембране, в котором принимают участие цитохром с, система ФП5 — цитохром Ь5 и цитохромоксидаза. Активация этого пути приводит к быстрому окислению внемитохондриального НАД-Н, но он не связан с синтезом АТФ и ведет к рассеиванию энергии в виде тепла. Этот путь ис­пользуется в качестве буферной системы, поддерживающей необходимую концентрацию окисленной формы НАД в саркоплазме и устраняющей из­быток молочной кислоты, образующейся при гликолизе.

Общая схема, иллюстрирующая взаимосвязь аэробных и анаэробных превращений в энергетическом обмене скелетной мышцы, представлена на рис. 22.1.

Общий выход энергии при аэробном процессе более чем в 10 раз пре­вышает изменение свободной энергии при гликолитическом распаде угле­водов в анаэробных условиях. В качестве субстратов аэробных превраще­ний в работающих мышцах могут быть использованы не только внутримы­шечные запасы гликогена, но и внемышечные резервы углеводов (напри­мер, гликоген печени), жиров, а в отдельных случаях и белков. Поэтому суммарная емкость аэробного процесса очень велика и трудно поддается точной оценке. В отличие от гликолиза, метаболическая емкость которого в значительной степени зависит от изменений внутренней среды вследст­вие накопления в организме избытка молочной кислоты, конечные про­дукты аэробных превращений — СО₂ и Н₂О — не вызывают каких-либо

Рис. 22.1. Общая схема образования энергии в мышечных клетках.

Источниками образования АТФ в мышечных клетках являются окислительное фосфорилиро­вание, а также фосфогенная система «гликоген—молочная кислота». Аэробное дыхание явля­ется наиболее эффективным, так как из каждой молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, а при анаэробном дыхании — только две.

значительных изменений внутренней среды и легко удаляются из орга­низма.

Образование 1 моля АТФ в процессе окислительного фосфорилирова­ния эквивалентно потреблению 3,45 л О₂. Столько же кислорода в покое потребляется в течение 10—15 мин, а. при напряженной мышечной дея­тельности (например, во время бега на марафонскую дистанцию) — за 1 мин. Однако в самих работающих мышцах запасы кислорода крайне не­велики. Небольшое его количество находится в растворенном состоянии во внутриклеточной саркоплазме и в связанном состоянии с миоглобином мышц. Основное же количество кислорода, потребляемого в мышцах для ресинтеза АТФ, доставляется в ткани через систему легочного дыхания и кровообращения.

Для бесперебойной работы дыхательной цепи и механизма окислитель­ного фосфорилирования напряжение О₂ в клетках должно поддерживаться на уровне не ниже 5—10 мм рт. ст. Чтобы обеспечить его, напряжение О₂ снаружи (в мышечных капиллярах) должно быть примерно 15—20 мм рт. ст., поскольку кислород поступает в клетки путем диффузии.

Поддержание критического напряжения О₂ на наружной клеточной мембране независимо от изменений скорости расхода кислорода в тканях осуществляет сложная система регуляции, в которую наряду с внутрикле­точными механизмами метаболического контроля входят также нервная и гормональная регуляция внешнего дыхания, центрального и перифериче­ского кровообращения.

Максимальная мощность аэробного процесса в равной мере зависит как от скорости утилизации О₂ в клетках (а она, в свою очередь, от общего числа митохондрий в клетке, количества и активности ферментов аэробно­го окисления), так и от скорости поставки О₂ в ткани.

22.1.3. «Кислородный каскад» и эффективность транспорта кислорода к работающим мышцам

Скорость доставки кислорода к тканям является одним из важнейших факторов, определяющих возможность обеспечения энергией работаю­щих мышц. В митохондриях скелетных мышц, где образуется до 90 % всей необходимой энергии, скорость ресинтеза АТФ находится в зависи­мости от достигнутой концентрации или напряжения кислорода в клетке. Общая скорость ресинтеза АТФ, обеспечиваемая различными источника­ми энергии, является функцией напряжения кислорода в клетке. При низком уровне метаболических превращений в клетке, как это имеет ме­сто в покоящейся мышце, изменения в скорости доставки О₂ в ткани не оказывают влияния на скорость ресинтеза АТФ (зона насыщения). Одна­ко при снижении рО₂ в клетке ниже некоторого критического уровня под­держание скорости ресинтеза АТФ на необходимом уровне возможно только за счет адаптивных сдвигов клеточного метаболизма, связанных с природой используемых субстратов, размерами их внутриклеточных запа­сов, с состоянием фосфорилирования и величиной внутриклеточного pH, что с неизбежностью потребует увеличения скорости доставки О₂ в ткани. Максимальная скорость потребления О₂ митохондриями скелетных мышц может быть поддержана только до определенного критического значения рО₂ в клетке, которое составляет от 0,5 до 3,5 мм рт. ст. Если уровень ме­таболической активности при мышечной работе превысит значение мак­симально возможного усиления аэробного ресинтеза АТФ, то возрастаю­щая энергетическая потребность в этих условиях может быть компенсиро­вана за счет анаэробного ресинтеза АТФ. Однако этот диапазон анаэроб­ной метаболической компенсации весьма узок, и выше значения макси­мального увеличения скорости ресинтеза АТФ, обеспечиваемого сочетан­ной метаболической активностью аэробного и анаэробных процессов в работающей мышце, дальнейшее исполнение ее сократительной функции становится невозможным. Диапазоны метаболической активности, в пре­делах которых текущая поставка О₂ недостаточна для поддержания необ­ходимого уровня ресинтеза АТФ, обычно обозначаются как гипоксиче­ские состояния (т. е. состояния кислородной недостаточности) разной тя­жести.

Для того чтобы поддерживать напряжение О₂ в митохондриях на уров­не, превышающем критическое значение, при котором еще сохраняются условия для адаптивной регуляции клеточного обмена, напряжение О₂ на