Рубрика: "Биохимия".
Анаэробные и аэробные пути ресинтеза АТФ при мышечной деятельности.
Ресинтез АТФ в процессе гликолиза, эффективность и особенности этого процесса при мышечной деятельности.
Миокиназная реакция и ее роль в поддержании постоянства концентрации АТФ в работающих мышцах.
Роль ресинтеза АТФ в процессе аэробного окисления в обеспечении энергией длительной мышечной деятельности.
Взаимосвязь между анаэробным и аэробным процессами в мышцах
В двухфазной мышечной деятельности, т.е. при чередовании актов сокращения и расслабления, происходит несколько процессов, для протекания которых необходимо расщепление АТФ. Гидролиз АТФ происходит по уравнению:
Наличие широкого круга процессов, потребляющих энергию при мышечной работе, обуславливает высокую скорость ее расходования. Запасы АТФ в мышечном волокне составляют 0,4 – 0,5 % от веса мышцы, их хватает на 0,5 – 1 сек. работы с субмаксимальной интенсивностью.
Мышечные волокна нормально работают только при содержании АТФ
, колеблющемся в небольшом диапазоне. Накопление больших количсеств АТФ, чем 0,5 % (от веса мышцы) в мышце не происходит, так как возникает субстратное угнетение миозиновой АТФ-азы, препятствующее образованию связей между нитями актина и миозина, ведущее к утрачиванию сократительной способности мышцы. При концентрации АТФ 0,15-0,2 % от веса мышцы наблюдается затруднение в работе «кальциевого насоса», и становится невозможным разрыв между актином и миозином. Все вышесказанное предъявляет высокие требования к процессам, обеспечивающим восполнение (ресинтез) запасов АТФ.
При повышении работоспособности под влиянием физической тренировки происходит не только увеличение скорости расщепления АТФ при работе, но и совершенствование процессов, в которых АТФ ресинтезируется.
Ресинтез АТФ при мышечной работе можно выразить суммарным уравнением:
Фосфорилирование АДФ неорганическим фосфатом в физиологических условиях требует затрат энергии в количестве около 10 ккал/моль. Нужное количество энергии освобождается в процессах двух типов: аэробных, происходящих с участием кислорода, и анаэробных, осуществляющих ресинтез АТФ без участия кислорода. Прежде чем переходить к характеристике различных путей ресинтеза АТФ, следует остановиться на показателях, позволяющих сравнивать, оценивать их достоинства и недостатки. К таким показателям относятся максимальная мощность процесса, скорость его развертывания, метаболическая емкость и эффективность.
Под максимальной мощностью понимается наибольшая скорость освобождения энергии, используемой для ресинтеза АТФ, в том или ином процессе (наибольшее количество АТФ, ресинтезируемое в единицу времени).
Скорость развертывания оценивается временем от начала работы до момента достижения процессом максимальной мощности.
Метаболическая емкость – общее количество энергии, которое может быть освобождено в процессе распада вещества до исчерпания возможностей его мобилизации (общее количество ресинтезируемой АТФ).
Эффективность процесса – характеризуется отношением количества энергии, затраченной на выполнение механической работы, к общему количеству освободившейся энергии. Различают термодинамическую, метаболическую и механическую эффективность.
Термодинамическая эффективность - оценивается той долей энергии АТФ, которая преобразуется в механическую работу. В механическую работу преобразуется 40-49 % (0,4%) энергии, освобождающейся при расщеплении АТФ.
Метаболическая эффективность
показывает, какая часть освободившейся в ходе химических превращений энергии фиксируется в макроэргических фосфатных связях АТФ. В частности, для аэробного окисления углеводов максимальная метаболическая эффективность составляет около 60%.
Механическая эффективность – количественно характеризует способность организма использовать энергию химических связей различных энергетических источников для обеспечения мышечной работы. Она рассчитывается как произведение термодинамической эффективности и метаболической.
Аэробный процесс
– основной механизм ресинтеза АТФ, практически полностью обеспечивающий в обычных условиях энергетические потребности организма. Он характеризуется высокой эффективностью, большой метаболической емкостью, широким кругом субстратов окисления (субстратами аэробного окисления могут быть углеводы, липиды, продукты белкового обмена), отсутствием накопления в организме токсических продуктов обмена. Однако, многостадийность этого процесса, сложный путь транспорта кислорода к работающим органам и ограниченные возможности систем, обеспечивающих этот транспорт, ограничивают аэробный процесс по максимальной мощности. Наряду с этим, аэробный процесс имеет низкую скорость развертывания. У нетренированных лиц процесс аэробного ресинтеза АТФ достигает своей максимальной мощности только через 3-4 минуты после начала напряженной мышечной работы. Наибольшая скорость ресинтеза АТФ в аэробном процессе у лиц с высокой степенью тренированности, выполняющих разминку, достигается только к концу первой минуты интенсивной мышечной работы. Учитывая, что многие спортивные упражнения имеют продолжительность меньшую, чем нужно для полного включения аэробного процесса, даже такую скорость развертывания можно рассматривать как недостаточно высокую. Другая особенность аэробного процесса заключается в том, что и при максимальной мощности в единицу времени в нем образуется меньше АТФ, чем расходуется за это же время при интенсивной физической работе. При наличии только аэробного механизма энергообеспечения организма не обладал бы способностью быстро переходить от состояния покоя к напряженной работе, быстро повышать мощность по ходу упражнения, выполнять кратковременные интенсивные упражнения скоростно-силового характера.
Анаэробные процессы
, включающие меньшее число химических реакций, чем аэробные, и не зависящие от поставки кислорода, превосходят аэробные процессы по скорости развертывания и характеризуются более высокой максимальной мощностью. Однако, их метаболическая емкость, зависящая от запасов креатинфосфата и гликогена, а также от устойчивости организма к воздействию продуктов анаэробного обмена значительно уступает аэробному процессу по метаболической емкости. Можно выделить три основных анаэробных процесса: креатинфосфокиназную реакцию, гликолиз и миокиназную реакцию
. Во всех трех процессах ресинтез АТФ происходит путем взаимодействия АДФ с макроэргическими соединениями либо присутствующими в мышцах (АДФ и креатинфосфат), либо образующимися в процессе анаэробных окислительных превращений углеводов (дифосфоглицериновая и фосфопировиноградная кислоты). Следует рассмотреть локализацию этих энергопоставляющих процессов в мышечном волокне и их взаимоотношение при мышечной деятельности. Потребление АТФ миофибриллами в саркоплазме приводит к образованию АДФ, которая тут же в саркоплазме (на миофибриллах), регенирируется в АТФ в ходе креатинкиназной реакции. Креатинфосфат (КФ) отдает свою фосфатную группу и превращается в креатин.
Гликолиз также происходит в саркоплазме. Субстратом для него является глюкоза, которая образуется из мышечного гликогена или приносится в мышцу кровью. В процессе гликолиза ресинтезируется АТФ, а конечный продукт – молочная кислота - покидает мышцу, диффундируя в кровь. Аэробные процессы окисления локализованы в митохондриях, туда поступает кислород и субстраты окисления – образовавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота (ПВК) и жирные кислоты. ПВК и жирные кислоты окисляются, и в форме ацетил КоА вступают в цикл Кребса.
Следует указать на важную роль КФ в энергетике сердечной и скелетной мышц. КФ является связующим звеном между процессами, идущими с освобождением энергии (окислительное фосфорилирование, гликолиз), и процессами, ее потребляющими, он является переносчиком макроэргических фосфатных групп из митохондрий в саркоплазму - к миофибриллам. Мембраны митохондрий непроницаемы для АТФ, но проницаемы для КФ. Как только КФ отдает свою фосфатную группу АДФ, креатин проникает в митохондрии и получает от образовавшейся там АТФ фосфатную группу.
Далее КФ из митохондрий движется в саркоплазму и снова вступает в реакцию с АДФ, восстанавливая АТФ. Механизм этот зависит от соотношения АТФ/АДФ в саркоплазме. Чем больше расход АТФ и увеличение содержания АДФ, тем интенсивнее он работает.
При выполнении любой мышечной деятельности действуют все механизмы ресинтеза АТФ, хотя вклад каждого из них в ее энергетическое обеспечение зависит от мощности и продолжительности упражнения.
Существует определенная последовательность включения и преобладания различных путей ресинтеза АТФ по мере продолжения мышечной деятельности: первые 2 – 3 с. расщепляется только АТФ, затем от 3 до 20 с. ее ресинтез происходит в основном за счет креатинфосфата, через 30 – 40 с. работы с максимальной интенсивностью основная доля энергии вырабатывается за счет анаэробного гликолиза, дальнейшее увеличение продолжительности работы повышает значимость в энергообеспечении аэробного механизма.
Мышцы – главный биохимический преобразователь химической энергии АТФ непосредственно в механическую энергию сокращения и движения. Мышечная ткань занимает первое место по объёму среди других тканей человека; на её долю при рождении приходится чуть меньше 25%, у людей среднего возраста – более 40%, у пожилых – чуть меньше 30%, а у спортсменов, наращивающих мускулатуру – 60% и более от общей массы тела.
Эффективное преобразование химической энергии в механическую возможно при соблюдении ряда условий:
1) должно быть обеспечено постоянное снабжение химической энергией. В мышцах человека химическая энергия заключена в молекулах АТФ и КрФ;
2) должны существовать средства регуляции механической активности – скорости, длительности и силы сокращения;
3) процесс преобразования должен находиться под контролем оператора – нервной системы;
4) для того, чтобы система преобразования энергии могла использоваться многократно, необходим механизм возврата системы в исходное состояние.
В настоящее время мышца рассматривается как высокоэффективная, универсальная машина, которая «тянет», но не «толкает», следовательно, каждая мышца должна находиться под антагонистическим воздействием другой группы мышц или какой-либо иной силы, такой, как сила тяжести или эластичная отдача.
Обе фазы мышечной деятельности – сокращение и расслабление – протекают при обязательном использовании энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ. Однако запасы АТФ в мышечных клетках незначительны и их достаточно для мышечной работы в течение 1 – 2 секунд. Поэтому для обеспечения более продолжительной мышечной деятельности в мышцах должно происходить пополнение запасов АТФ. Образование АТФ в мышечных клетках непосредственно во время физической работы называется ресинтезом АТФ и идёт с потреблением энергии. В зависимости от источника энергии выделяют несколько путей ресинтеза АТФ.
Для количественной характеристики различных путей ресинтеза АТФ обычно используются следующие критерии:
1) максимальная мощность, или максимальная скорость, – это наибольшее количество АТФ, которое может образоваться в единицу времени за счёт данного пути ресинтеза. Измеряется максимальная мощность в калориях или джоулях, исходя из того, что 1 ммоль АТФ соответствует в физиологических условиях примерно 12 кал или 50 Дж. Поэтому данный критерий имеет размерность кал/мин×кг мышечной ткани или соответственно Дж/мин×кг мышечной ткани.
2) время развертывания – это минимальное время, необходимое для выхода ресинтеза АТФ на свою наибольшую скорость, т.е. для достижения максимальной мощности. Этот критерий измеряется в единицах времени (с, мин).
3) время сохранения или поддержания максимальной мощности – это наибольшее время функционирования данного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью. Единицы измерения – с, мин, ч.
4) метаболическая емкость – общее количество АТФ, которое может образоваться во время мышечной работы за счёт данного пути ресинтеза АТФ.
В зависимости от потребления кислорода пути ресинтеза АТФ делятся на аэробные и анаэробные.
АЭРОБНЫЙ ПУТЬ РЕСИНТЕЗА АТФ
Аэробный путь ресинтеза АТФ (тканевое дыхание) – основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород, доставляемый кровью в мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счёт энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез трёх молекул АТФ.
Скорость аэробного пути ресинтеза АТФ контролируется содержанием в мышечных клетках АДФ, который является активатором ферментов тканевого дыхания. В состоянии покоя, когда в клетках почти нет АДФ, тканевое дыхание протекает с очень низкой скоростью. При мышечной работе за счёт интенсивного использования АТФ происходит образование и накопление АДФ. Появившийся избыток АДФ ускоряет тканевое дыхание, и оно может достигнуть максимальной интенсивности.
Другим активатором аэробного пути ресинтеза АТФ является углекислый газ. Возникая при физической работе в избытке, он активирует дыхательный центр мозга, что в итоге приводит к повышению скорости кровообращения и улучшению снабжения мышц кислородом.
Аэробный путь образования АТФ характеризуется следующими критериями. Максимальная мощность составляет 350 – 450 кал/мин×кг. По сравнению с анаэробными путями ресинтеза АТФ тканевое дыхание обладает самой низкой величиной максимальной мощности. Это обусловлено тем, что возможности аэробного процесса ограничены доставкой кислорода в митохондрии и их количеством в мышечных клетках. Поэтому за счёт аэробного пути ресинтеза АТФ возможно выполнение физических нагрузок только умеренной мощности.
Время развёртывания – 3 – 4 мин (у хорошо тренированных спортсменов может быть около 1 мин). Такое большое время развёртывания объясняется тем, что для обеспечения максимальной скорости тканевого дыхания необходима перестройка всех систем организма, участвующих в доставке кислорода в митохондрии мышц.
Время работы с максимальной мощностью составляет десятки минут. Источниками энергии для аэробного ресинтеза АТФ являются углеводы, жиры и аминокислоты, распад которых завершается циклом Кребса. Причём для этой цели используются не только внутримышечные запасы данных веществ, но и углеводы, жиры, кетоновые тела и аминокислоты, доставляемые кровью в мышцы во время физической работы. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ функционирует с максимальной мощностью в течение такого продолжительного времени.
По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ. Он отличается высокой экономичностью: в ходе этого процесса идёт глубокий распад окисляемых веществ до конечных продуктов – углекислого газа и воды, поэтому выделяется большое количество энергии. Другим достоинством этого пути ресинтеза является универсальность в использовании субстратов. В ходе аэробного ресинтеза окисляются все основные органические вещества организма: белки, углеводы, жирные кислоты и др. Ещё одним преимуществом этого способа образования АТФ является очень большая продолжительность его работы: практически он функционирует постоянно в течение всей жизни.
Однако аэробный способ образования АТФ имеет и ряд недостатков. Так, действие этого способа связано с обязательным потреблением кислорода, доставка которого в мышцы обеспечивается дыхательной и сердечно-сосудистой системами (вместе они обозначаются термином «кардиореспираторная система»). Функциональное состояние кардиореспираторной системы является лимитирующим фактором, ограничивающим продолжительность работы аэробного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью и величину самой максимальной мощности. Возможности аэробного пути ограничены ещё и тем, что все ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в форме дыхательных ансамблей и функционируют только при наличии неповреждённой мембраны. Любые факторы, влияющие на состояние и свойства мембран, нарушают образование АТФ аэробным способом. Ещё одним недостатком аэробного образования АТФ можно считать большое время развёртывания (3 – 4 мин) и небольшую по абсолютной величине максимальную мощность. В спортивной практике для оценки аэробного фосфорилирования часто используют три показателя: максимальное потребление кислорода (МПК), порог анаэробного обмена (ПАНО), кислородный приход.
МПК – максимально возможная скорость потребления кислорода организмом при выполнении физической работы. Этот показатель характеризует максимальную мощность аэробного пути ресинтеза АТФ: чем выше величина МПК, тем больше значение максимальной скорости тканевого дыхания, это обусловлено тем, что практически весь поступающий в организм кислород используется в этом процессе. МПК представляет собой интегральный показатель, зависящий от многих факторов: от функционального состояния кардиореспираторной системы, от содержания в крови гемоглобина, от количества и размера митохондрий. У нетренированных молодых людей МПК обычно равно 3 – 4 л/мин, у спортсменов высокого класса, выполняющие аэробные нагрузки, МПК – 6 – 7 л/мин. На практике, для исключения влияния на эту величину массы тела МПК рассчитывают на кг массы тела. В этом случае у молодых людей, не занимающихся спортом, МПК равно 40 – 50 мл/мин×кг, а у хорошо тренированных спортсменов – 80 – 90 мл/мин×кг.
ПАНО – минимальная относительная мощность работы, измеренная по потреблению кислорода в процентах по отношению к МПК, при которой начинает включаться гликолитический путь ресинтеза АТФ. У нетренированных ПАНО составляет 40 – 50% от МПК, а у спортсменов ПАНО может достигать 70% от МПК.
Кислородный приход – это количество кислорода, использованное во время выполнения данной нагрузки для обеспечения аэробного ресинтеза АТФ. Кислородный приход характеризует вклад тканевого дыхания в энергообеспечение проделанной работы.
КРЕАТИНФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОБРАЗОВАНИЯ АТФ
Анаэробные пути ресинтеза АТФ являются дополнительными способами образования АТФ в тех случаях, когда основной путь получения АТФ – аэробный – не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количеством энергии. Это бывает на первых минутах любой работы, когда тканевое дыхание ещё полностью не развернулось, а также при выполнении физических нагрузок высокой мощности.
В мышечных клетках всегда имеется креатинфосфат – соединение, содержащее фосфатную группу, связанную с остатком креатина макроэргической связью. Содержание КрФ в мышцах в покое – 15 – 20 ммоль/кг.
КрФ обладает большим запасом энергии и высоким сродством к АДФ. Поэтому он легко вступает во взаимодействие с молекулами АДФ, появляющимися в мышечных клетках при физической работе в результате гидролиза АТФ. В ходе этой реакции остаток фосфорной кислоты с запасом энергии переносится с КрФ на молекулу АДФ с образованием креатина и АТФ. Эта реакция катализируется ферментом креатинкиназой. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ ещё называют креатинкиназным. Креатинфосфатная реакция обратима, но её равновесие смещено в сторону образования АТФ, и поэтому она начинает осуществляться сразу же, как только в миоцитах появляются первые порции АДФ.
При мышечной работе активность креатинкиназы значительно возрастает за счёт активирующего воздействия на неё ионов кальция, концентрация которых в саркоплазме под действием нервного импульса увеличивается почти в 1000 раз. Другой механизм регуляции креатинфосфатной реакции связан с активирующим воздействием на креатинкиназу креатина, образующегося в ходе данной реакции. За счёт этих механизмов активность креатинкиназы в начале мышечной работы резко увеличивается и креатинфосфатная реакция очень быстро достигает максимальной скорости.
Креатинфосфат, обладая большим запасом химической энергии, является веществом непрочным. От него легко может отщепляться фосфорная кислота, в результате чего происходит циклизация остатка креатина, приводящая к образованию креатинина, которое происходит без участия ферментов, спонтанно. Образовавшийся креатинин в организме не используется и выводится с мочой. Поэтому по выделению креатинина с мочой можно судить о содержании креатинфосфата в мышцах, так как в них находятся основные запасы этого соединения.
Синтез креатинфосфата в мышечных клетках происходит во время отдыха путём взаимодействия креатина с избытком АТФ. Частично запасы КрФ могут восстанавливаться и при мышечной работе умеренной мощности, при которой АТФ синтезируется за счёт тканевого дыхания в таком количестве, которого хватает и на обеспечение сократительной функции миоцитов, и на восполнение запасов креатинфосфата. Поэтому во время выполнения физической работы креатинфосфатная реакция может включаться многократно.
Образование креатина в печени происходит с использованием трёх аминокислот: глицина, метионина и аргинина. В спортивной практике для повышения в мышцах концентрации КрФ используют в качестве пищевых добавок препараты глицина и метионина. Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ характеризуется следующими величинами принятых количественных критериев:
Максимальная мощность составляет 900 – 1100 кал/мин×кг, что в три раза выше соответствующего показателя для аэробного ресинтеза. Такая большая величина обусловлена высокой активностью фермента креатинкиназы и, следовательно, очень высокой скоростью креатинфосфатной реакции.
Время развёртывания всего 1 – 2 секунды. Исходных запасов АТФ в мышечных клетках хватает на обеспечение мышечной деятельности как раз в течение 1 – 2 с, и к моменту их исчерпания креатинфосфатный путь образования АТФ уже функционирует со своей максимальной скоростью. Такое малое время развёртывания объясняется действием механизмов регуляции активности креатинкиназы, позволяющих резко повысить скорость этой реакции.
Время работы с максимальной скоростью всего лишь 8 – 10 с, что связано с небольшими исходными запасами креатинфосфата в мышцах.
Главными преимуществами креатинфосфатного пути образования АТФ являются очень малое время развёртывания и высокая мощность, что имеет крайне важное значение для скоростно-силовых видов спорта. Главным недостатком этого способа синтеза АТФ, существенно ограничивающим его возможности, является короткое время его функционирования. Время поддержания максимальной скорости всего 8 – 10 с, к концу 30-й его скорость снижается вдвое. А к концу 3-й минуты интенсивной работы креатинфосфатная реакция в мышцах практически прекращается.
Исходя из такой характеристики креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ, следует ожидать, что эта реакция окажется главным источником энергии для обеспечения кратковременных упражнений максимальной мощности. Креатинфосфатная реакция может неоднократно включаться во время выполнения физических нагрузок, что делает возможным быстрое повышение мощности выполняемой работы, развития ускорения на дистанции и финишный рывок.
ИНСУЛИН И ОБМЕН ГЛЮКОЗЫ
Поджелудочная железа, по сути дела, представляет собой два разных органа, объединённых в единую морфологическую структуру. Её ацинарная часть выполняет экзокринную функцию, секретируя в просвет двенадцатиперстной кишки ферменты и ионы, необходимые для процессов пищеварения. Эндокринная часть железы состоит из 1 – 2 млн. островков Лангерганса, на долю которых приходится 1 – 2% всей массы поджелудочной железы. Островки в поджелудочной железе были обнаружены в 1860 году. Лангерганс, которому принадлежит это открытие, не представлял себе, что удаление поджелудочной железы ведёт к сахарному диабету. Это было доказано в 1921 году Бантингом и Бестом. Экстрагировав подкисленным этанолом ткань поджелудочной железы, они выделили некий фактор, обладающий мощным гипогликемизирующим действием. Этот фактор был назван инсулином. Вскоре было установлено, что инсулин, содержащийся в островках поджелудочной железы крупного рогатого скота и свиней, активен и у человека. Инсулин во многих отношениях может служить моделью пептидных гормонов. Он первым из гормонов этой группы был получен в очищенном виде, кристаллизован и синтезирован химическим путём и методами генной инженерии. Исследование путей биосинтеза привело к созданию концепции пропептидов.
Молекула инсулина – полипептид, состоящий из двух цепей, А и В, связанных между собой двумя дисульфидными мостиками, соединяющими остаток А7 с остатком В7 и остаток А20 с остатком В19. Третий дисульфидный мостик связывает между собой остатки 6 и 11 А-цепи. Локализация всех трёх дисульфидных мостиков постоянна, а А- и В-цепи у представителей большинства видов имеют по 21 и 30 аминокислот соответственно. Молекулярная масса человеческого инсулина 5734. В обеих цепях во многих положениях встречаются замены, не оказывающие влияние на биологическую активность гормона, однако наиболее часты замены по положениям 8,9 и 10 А-цепи. Из этого следует, что данный участок не имеет критического значения для биологической активности инсулина. Однако некоторые участки и области молекулы инсулина обладают высокой консервативностью. К ним относятся 1) положения трёх дисульфидных мостиков 2) гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи 3) С- и N-концевые участки А-цепи. Использование химических модификаций и замен отдельных аминокислот шести этих участков помогает идентифицировать сложный активный центр.
Синтез инсулина и его упаковка в гранулы происходит в определённом порядке. Проинсулин синтезируется на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума. Затем в цистернах этой органеллы происходит ферментативное отщепление лидерной последовательности, образование дисульфидных мостиков и складывание молекулы. После этого молекула инсулина переносится в аппарат Гольджи, где начинается протеолиз и упаковка в секреторные гранулы. Созревание гранул продолжается по мере продвижения по цитоплазме в направлении плазматической мембраны.
Поджелудочная железа человека секретирует 40 – 50 ед. инсулина в сутки, что соответствует 15 – 20% общего количества гормона в железе. Секреция инсулина – энергозависимый процесс, происходящий с участием системы микротрубочек и микрофиламентов островковых В-клеток и ряда медиаторов.
Повышение концентрации глюкозы в крови – главный физиологический стимул секреции инсулина. Пороговой для секреции инсулина является концентрация глюкозы натощак 80 – 100 мг%, а максимальная реакция достигается при концентрации глюкозы 300 – 500 мг%. Секреция инсулина в ответ на повышение концентрации глюкозы носит двухфазный характер. Немедленный ответ, или первая фаза реакции, начинается в пределах 1 минуты после повышения концентрации глюкозы и продолжается в течение 5 – 10 мин. Затем наступает более медленная и продолжительная вторая фаза, обрывающаяся сразу после удаления глюкозного стимула. Согласно существующим представлениям, наличие двух фаз ответной реакции инсулина отражает существование двух различных внутриклеточных пулов инсулина. Абсолютная концентрация глюкозы в плазме – не единственная детерминанта секреции инсулина. В-клетки реагируют и на скорость изменения концентрации глюкозы в плазме.
Внутриклеточная концентрация свободной глюкозы значительно ниже её внеклеточной концентрации. Большинство имеющихся данных свидетельствуют о том, что скорость транспорта глюкозы через плазматическую мембрану мышечных и жировых клеток определяет интенсивность фосфорилирования глюкозы и её дальнейший метаболизм. D-глюкоза и другие сахара с аналогичной конфигурацией проникают в клетки путём облегчённой диффузии, опосредованной переносчиком. Во многих клетках инсулин усиливает этот процесс, что обусловливается увеличением числа переносчиков, а не повышением сродства связывания. В жировых клетках это происходит путём мобилизации переносчиков глюкозы из неактивного их пула в АГ с дальнейшим направлением их к активному участку плазматической мембраны.
Инсулин оказывает влияние на внутриклеточную утилизацию глюкозы различными путями. В норме примерно половина поглощённой глюкозы вступает на путь гликолиза и превращается в энергию, другая половина запасается в виде жиров или гликогена. В отсутствие инсулина ослабевает интенсивность гликолиза и замедляются анаболические процессы гликогенеза и липогенеза. Действительно, при дефиците инсулина всего лишь 5% поглощённой глюкозы превращается жир.
Инсулин усиливает интенсивность гликолиза в печени, повышая активность и концентрацию ряда ключевых ферментов, таких как, глюкокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Более интенсивный гликолиз сопровождается более активной утилизацией глюкозы и, следовательно, косвенно способствует снижению выхода глюкозы в плазму. Инсулин, кроме того, подавляет активность глюкозо-6-фосфатазы – фермента, обнаруживаемого в печени, но не в мышцах. В результате глюкоза удерживается в печени, так как для глюкозо-6-фосфата плазматическая мембрана непроницаема.
В жировой ткани инсулин стимулирует липогенез путём 1) притока ацетил-СоА и NADFH, необходимых для синтеза жирных кислот, 2) поддержания нормального уровня фермента ацетил-СоА-карбоксилазы, катализирующего превращение ацетил-СоА в малонил-Соа, и 3) притока глицерола, участвующего в синтезе триацилглицеролов. При инсулиновой недостаточности все эти процессы ослабляются и в результате интенсивность липогенеза снижается.
Механизм влияния инсулина на утилизацию глюкозы включает в себя и другой анаболический процесс. В печени и в мышцах инсулин стимулирует превращение глюкозы в гл-6-ф, который затем подвергается изомеризации в гл-1-ф и в таком виде включается в гликоген под действием фермента гликогенсинтазы. Это действие имеет двойственный и непрямой характер. В результате высвобождение глюкозы из гликогена снижается.
Влияние инсулина на транспорт глюкозы, гликолиз и гликогенез проявляется за считанные секунды или минуты, поскольку первичные реакции этого влияния сводятся к активации или инактивации ферментов путём их фосфорилирования или дефосфорилирования. Более продолжительное влияние инсулина на содержание глюкозы в плазме крови связано с ингибированием глюконеогенеза. Образование глюкозы из предшественников неуглеводной природы осуществляется в результате ряда ферментативных реакций, многие из которых стимулируются глюкагоном, глюкокортикоидными гормонами и в меньшей степени ангиотензином и вазопрессином. Инсулин же подавляет данные ферментативные реакции.
Результирующее действие всех перечисленных выше эффектов инсулина сводится к снижению содержания глюкозы в крови. Этому действию инсулина противостоят эффекты целого ряда гормонов, что, несомненно, отражает один из важнейших защитных механизмов организма, поскольку длительная гипогликемия способна вызвать несовместимые с жизнью изменения в мозге и, следовательно, её нельзя допускать.
ГЛИКОЛИТИЧЕСКИЙ ПУТЬ РЕСИНТЕЗА АТФ
Этот путь ресинтеза, так же как и креатинфосфатный, относится к анаэробным способам образования АТФ. Источником энергии, необходимой для ресинтеза АТФ, является мышечный гликоген, концентрация которого в саркоплазме колеблется в пределах 0,2 – 3%. При анаэробном распаде гликогена от его молекулы под воздействием фермента фосфорилазы поочерёдно отщепляются концевые остатки глюкозы в форме гл-1-ф. Далее молекулы гл-1-ф через ряд последовательных стадий превращаются в молочную кислоту. В процессе гликолиза образуются промежуточные продукты, содержащие фосфатную группу с макроэргической связью, которая легко переносится на АДФ с образованием АТФ. Все ферменты гликолиза находятся в саркоплазме мышечных клеток.
Регуляция скорости гликолиза осуществляется путём изменения активности двух ферментов: фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Фосфорилаза катализирует первую реакцию распада гликогена – отщепление от него гл-1-ф. Этот фермент активируется адреналином, АМФ и ионами кальция, а ингибируется гл-6-ф и избытком АТФ. Второй регуляторный фермент гликолиза – фосфофруктокиназа – активируется АДФ и особенно АМФ, а тормозится избытком АТФ и лимонной кислотой. Наличие таких регуляторных механизмов приводит к тому, что в покое гликолиз протекает очень медленно, при интенсивной мышечной работе его скорость резко возрастает и может увеличиваться по сравнению с уровнем покоя почти в 2000 раз.
Количественные критерии гликолитического пути ресинтеза АТФ:
Максимальная мощность – 750 – 850 кал/мин×кг, что примерно вдвое выше соответствующего показателя тканевого дыхания. Высокое значение максимальной мощности гликолиза объясняется содержанием в мышечных клетках большого запаса гликогена, наличием механизмов активации ключевых ферментов, приводящих к значительному росту скорости гликолиза, отсутствием потребности в кислороде.
Время развёртывания – 20 – 30 с. Это обусловлено тем, гликоген и ферменты находятся в саркоплазме миоцитов, а также возможностью активации ферментов гликолиза. Фосфорилаза – фермент, запускающий гликолиз, - активируется адреналином, который выделяется в кровь непосредственно перед началом работы. Ионы кальция, концентрация которых в саркоплазме повышается примерно в 1000 раз под воздействием двигательного нервного импульса, также являются мощными активаторами фосфорилазы.
Время работы с максимальной мощностью – 2 – 3 минуты. Существуют две основные причины такой небольшой величины этого критерия. Во-первых, гликолиз протекает с высокой скоростью, что быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрация гликогена и, следовательно, к последующему снижению скорости его распада. Во-вторых, в процессе гликолиза образуется молочная кислота, накопление которой приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток. В условиях повышенной кислотности снижается каталитическая активность ферментов, в том числе ферментов гликолиза, что также ведёт к уменьшению скорости данного пути ресинтеза АТФ.
Гликолитический способ образования АТФ имеет ряд преимуществ перед аэробным путём. Он быстрее выходит на максимальную мощность (20-30 с), имеет более высокую величину максимальной мощности (в 2 раза больше) и не требует участия митохондрий и кислорода.
Однако у этого пути есть существенные недостатки. Этот процесс малоэкономичен. Распад до лактата одного остатка глюкозы, отщеплённого от гликогена, даёт только 3 молекулы АТФ, тогда как при аэробном окислении гликогена до воды и углекислого газа образуется 39 молекул АТФ в расчёте на один остаток глюкозы. Такая неэкономичность в сочетании с большой скоростью быстро приводит к исчерпанию запасов гликогена. Другой серьёзный недостаток гликолитического пути – образование и накопление лактата, являющегося конечным продуктом этого процесса. Накопление лактата в мышечных клетках существенно влияет на их функционирование. В условиях повышенной кислотности, вызванной нарастанием концентрации лактата, снижается сократительная способность белков, участвующих в мышечной деятельности, уменьшается каталитическая активность белков-ферментов, в том числе АТФазная активность миозина и активность кальциевой АТФазы, изменяются свойства мембранных белков, что приводит к повышению проницаемости биологических мембран. Кроме того, накопление лактата в мышечных клетках ведёт к набуханию этих клеток вследствия поступления в них воды, что в итоге уменьшает сократительные возможности мышц. Можно также предположить, что избыток лактата внутри миоцитов связывает часть ионов кальция и тем самым ухудшает управление процессами сокращения и расслабления, что особенно сказывается на скоростных свойствах мышцы.
Известные в настоящее время биохимические методы оценки использования при физической работе гликолитического пути ресинтеза АТФ основаны на оценке биохимических сдвигов в организме, обусловленных накоплением молочной кислоты. Одним из показателей, отражающих накопление в кровяном русле молочной кислоты, является водородный показатель крови (рН). В покое этот показатель равен 7,36 – 7,40, а после интенсивной работы он снижается до 7,2 – 7,0.
Ещё один метод оценки скорости гликолиза, фиксирующий последствия образования и накопления молочной кислоты – это определение щелочного резерва крови. Щелочной резерв крови – это щелочные компоненты всех буферных систем крови. При поступлении во время мышечной работы в кровь молочной кислоты она вначале нейтрализуется путём взаимодействия с буферными системами крови, и поэтому происходит снижение щелочного резерва крови.
Также может быть использовано определение лактатного кислородного долга. Лактатный кислородный долг – это повышенное потребление кислорода в ближайшие 1 – 1,5 часа после окончания мышечной работы. Этот избыток кислорода необходим для устранения молочной кислоты, образовавшейся при работе. Наибольшие величины лактатного кислородного долга определяются после физических нагрузок продолжительностью 2 – 3 минуты, выполняемых с предельной интенсивностью. У хорошо тренированных спортсменов величина лактатного кислородного долга может достигать 20 л.
Самым основным методом оценки гликолитического пути образования АТФ является определение после физической нагрузки концентрации лактата в крови.
Тканевое дыхание - это основной способ получения АТФ, используемый всеми клетками организма (кроме красных клеток крови).
В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молекулярный водород - О 2 , доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при движении электронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно образование одной молекулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.
В упрощенном виде тканевое дыхание может быть представлено следующей схемой.
В качестве субстратов окисления (т.е. веществ, от которых отнимается водород) в тканевом дыхании используются разнообразные промежуточные продукты распада белков, углеводов и жиров. Однако наиболее часто окислению подвергаются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) - цикла Кребса (изолимонная, кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты). Цикл Кребса - это завершающий этап катаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетилкофермент А - это универсальный метаболит организма, в который при своем распаде превращаются главные органические вещества - белки, углеводы и жиры.
В некоторых случаях отнятие атомов водорода от окисляемых веществ происходит в цитоплазме и здесь же отщепленный водород присоединяется не к кислороду (как в случае тканевого дыхания), а к какому-то другому веществу. Наиболее часто таким акцептором водорода является пировиноградная кислота, возникающая при распаде углеводов и аминокислот. В результате присоединения атомов водорода пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту (лактат). Таким образом, при данном типе окисления вместо конечного продукта - воды - образуется другой конечный продукт - молочная кислота, причем это происходит без потребления кислорода, т.е. анаэробно. За счет выделяющейся при этом энергии в цитоплазме осуществляется синтез АТФ, который получил название анаэробное, или субстратное фосфорилирование, или же анаэробный синтез АТФ. Биологическое назначение данного типа окисления - получение АТФ без участия тканевого дыхания и кислорода.
Мышечное сокращение является сложным механохимическим процессом, в ходе которого происходит преобразование химической энергии гидролитического расщепления АТФ в механическую работу, совершаемую мышцей.
Процесс мышечного расслабления, или релаксация, так же как и процесс мышечного сокращения, осуществляется с использованием энергии гидролизата АТФ. Обе фазы мышечной деятельности - сокращение и расслабление - протекают при обязательном использовании энергии, которая выделяется при гидролизате АТФ.
Однако запасы АТФ в мышечных клетках незначительны (в покое концентрация АТФ в мышцах около 5 ммоль/л) и их достаточно для мышечной работы в течение 1-2 с. Поэтому для обеспечения более продолжительной мышечной деятельности в мышцах должно происходить пополнение запасов АТФ. Образование АТФ в мышечных клетках непосредственно во время физической работы называется ресинтезом АТФ и идет с потреблением энергии. В зависимости от источника энергии выделяют несколько путей ресинтеза АТФ.
Для количественной характеристики различных путей ресинтеза АТФ обычно используются следующие критерии:
Максимальная мощность, или максимальная скорость, - это наибольшее количество АТФ, которое может образоваться в единицу времени за счет данного пути ресинтеза. Измеряется максимальная мощность в калориях или джоулях, исходя из того, что 1 ммоль АТФ (506 мг) соответствует в физиологических условиях примерно 12 кал или 50 Дж (1 кал = 4,18 Дж). Поэтому данный критерий имеет размерность кал/мин кг мышечной ткани или соответственно Дж/мин кг мышечной ткани;
Время развертывания - это минимальное время, необходимое для выхода ресинтеза АТФ на свою наибольшую скорость, т.е. для достижения максимальной мощности. Этот критерий измеряется в единицах времени (с, мин);
Время сохранения или подержания максимальной мощности - это наибольшее время функционирования данного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью. Единицы измерения - с, мин, ч;
Метаболическая емкость - это общее количество АТФ, которое может образоваться во время мышечной работы за счет данного пути ресинтеза АТФ.
В зависимости от потребления кислорода пути ресинтеза делятся на аэробные и анаэробные /24/.
Аэробный путь ресинтеза АТФ
(синонимы: тканевое дыхание, аэробное или окислительное фосфорилирование) - это основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи передаются на Молекулярный кислород - О 2 , доставляемый кровью в мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счет энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез трех молекул АТФ. В свою очередь, ацетил - КоА может образовываться из углеводов, жиров и аминокислот, т.е. через ацетил - КоА в цикл Кребса вовлекаются углеводы, жиры и аминокислоты.
Скорость аэробного пути ресинтеза АТФ контролируется содержанием в мышечных клетках АДФ, который является активатором ферментом тканевого дыхания. В состоянии покоя, когда в клетках почти нет АДФ, тканевое дыхание протекает с очень низкой скоростью. При мышечной работе за счет интенсивного использования АТФ происходит образование и накопление АДФ. Появившийся избыток АДФ ускоряет тканевое дыхание, и оно может достигнуть максимальной интенсивности.
Другим активатором аэробного пути ресинтеза АТФ является СО. Возникающий при физической работе в избытке углекислый газ активизирует дыхательный центр мозга, что в итоге приводит к повышению скорости кровообращения и улучшению снабжения мышц кислородом.
Аэробный путь образования АТФ характеризуется следующими критериями:
Максимальная мощность (составляет 350-450 кал/мин кг);
Время развертывания (3-4 минуты, у хорошо тренированных спортсменов может быть около 1 мин.);
Время работы с максимальной мощностью (составляет десятки минут).
Как уже указывалось, источниками энергии для аэробного ресинтеза АТФ являются углеводы, жиры и аминокислоты, распад которых завершается циклом Кребса. Причем для этой цели используются не только внутримышечные запасы данных веществ, но и углеводы, жиры кетоновые тела и аминокислоты, доставляемые кровью в мышцы во время физической работы. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ функционирует с максимальной мощностью течение такого продолжительного времени.
По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ. Он отличается высокой экономичностью: в ходе этого процесса идет глубокий распад окисляемых веществ до конечных продуктов - СО и НО и поэтому выделяется большое количество энергии. Другим достоинством этого пути ресинтеза является универсальность в использовании субстратов. В ходе аэробного ресинтеза АТФ окисляются все основные органические вещества организма: аминокислоты (белки), углеводы, жирные кислоты, кетоновые тела и др. Еще одним преимуществом этого способа образования АТФ является очень большая продолжительность его работы: практически он функционирует постоянно в течение всей жизни.
Однако аэробный способ образования АТФ имеет и ряд недостатков, Функциональное состояние кардиореспираторной системы является лимитирующим фактором, ограничивающим продолжительность работы аэробного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью и величину самой максимальной мощности. Возможности аэробного пути ограничены еще и тем, что все ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в форме дыхательных ансамблей и функционируют только при наличии неповрежденной мембраны. Любые факторы, влияющие на состояние и свойства мембран, нарушают образование АТФ аэробным способом. Например, нарушения окислительного фосфорилирования наблюдаются при ацидозе (повышение кислотности), набухании митохондрий, при развитии в мышечных клетках процессов свободно радикального окисления липидов, входящих в состав мембран митохондрий.
Еще одним недостатком аэробного образования АТФ можно считать большое время развертывания (3-4 мин.) и небольшую по абсолютной величине максимальную мощность /24/.
Анаэробные пути ресинтеза АТФ
Анаэробные пути ресинтеза АТФ (креатинфосфатный, гликолитинический) являются дополнительными способами образования АТФ в тех случаях, когда основной путь получения АТФ - аэробный - не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количеством энергии. Это бывает на первых минутах любой работы, когда тканевое дыхание еще полностью не развернулось, а также при выполнении физических нагрузок высокой мощности.
Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ
(креатинкиназный, алактатный)
В мышечных клетках всегда имеется креатинфосфат - соединение, содержащее фосфатную группу, связанную с остатком креатина макроэргической связью. Содержание креатинфосфата в мышцах в покое - 15-20 ммоль/кг.
Креатинфосфат обладает большим запасом энергии и высоким сродством к АДФ. Поэтому он легко вступает во взаимодействие с молекулами АДФ, появляющимися в мышечных клетках при физической работе в результате гидролиза АТФ.
Креатинфосфатная реакция обратима, но ее равновесие смещено в сторону образования АТФ, и поэтому она начинает осуществляться сразу же, как только в миоцитаз появляются первые порции АДФ. Эта реакция катализируется ферментом креатинкиназой. При мышечной работе активность креатикиназы значительно возрастает за счет активирующего воздействия на нее ионов кальция, креатина, образующегося в ходе данной реакции. За счет этих механизмов активность креатинкиназы в начале мышечной работы резко увеличивается и кеатинфосфатная реакция очень быстро достигает максимальной скорости.
Креатинфосфат, обладая большим запасом химической энергии, является веществом непрочным. От него легко может отщепляться фосфорная кислота, в результате чего происходит циклизация остаток креатина, приводящая к образованию креатина.
Образование креатина происходит без участия ферментов, спонтанно, Эта реакция необратима. Образовавшийся креатинин в организме не используется и выводится с мочой.
Синтез креатинфосфата в мышечных клетках происходит во время отдыха путем взаимодействия креатина с избытком АТФ. Частично запасы креатинфосфата могут восстанавливаться и при мышечной работе умеренной мощности, при которой АТФ синтезируется за счет тканевого дыхания в таком количестве, которого хватает и на обеспечение сократительной функции миоцитов, и на восполнение засов креатифосфата. Поэтому во время выполнения физической работы креатинфосфатная реакция может включаться многократно. Образование креатина происходит в печени использованием тех аминокислот: глицина, метионина и аргинина.
Креатинфосфатный путь синтеза АТФ характеризуется следующими величинами принятых количественных критериев:
Максимальная мощность (составляет 900-1100 кал/мин кг);
Время развертывания (всего 1-2 с);
Время работы с максимальной скоростью (всего лишь 8-10 с).
Главными преимуществами креатинфосфатного пути образования АТФ являются очень малое время развертывания и высокая мощность, что имеет крайне важное значение для скоростно-силовых видов спорта. Главным недостатком этого способа синтеза АТФ, существенно ограничивающим его возможности, является короткое время его функционирования. Время поддержания максимальной скорости всего 8-10 с, к концу его скорость снижается вдвое, а к концу 3-й минуты интенсивной работы креатинфосфатная реакция в мышцах практически прекращается.
Биохимическая оценка состояния креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ обычно проводится по двум показателям: креатининовому коэффициенту и алактатному кислородному долгу.
Креатининовый коэффициент характеризует запасы креатинфосфата в мышцах, так как между содержанием креатинфосфата и образованием его из креатинина существует линейная зависимость, поскольку это превращение протекает неферментативным путем и является необратимым.
Алактатный кислородный долг - это повышение (сверх уровня покоя) потребление кислорода в ближайшие 4-5 мин после выполнения кратковременного упражнения максимальной мощности. Этот избыток кислорода требуется для обеспечения высокой скорости тканевого дыхания сразу после окончания нагрузки для создания в мышечных клетках повышенной концентрации АТФ. Таким образом, использование креатинфосфата во время работы приводит к накоплению креатина, превращение которого снова в креатинфосфат требует определенного количества кислорода.
Гликолитический путь ресинтеза АТФ (гликолиз)
Гликолиз так же является анаэробным способом образования АТФ. Источником энергии, необходимой для ресисинтеза АТФ является мышечный гликоген. При анаэробном распаде гликоген под воздействием фермента фосфорилазы через ряд последовательных стадий превращается в молочную кислоту. В процессе гликолиза образуются промежуточные продукты, содержащие фосфатную группу с макроэргической связью, которая легко переносится на АДФ с образованием АТФ.
Все ферменты гликолиза находятся в саркоплазме мышечных клеток. Гликолизу может также подвергаться глюкоза, поступающая в мышцы из кровяного русла.
Ферменты фосфорилаза и фосфофруктокиназа регулируют скорость гликолиза. Причем в покое гликолиз протекает очень медленно, при интенсивной мышечной работе его скорость резко возрастает и может увеличиваться по сравнению с уровнем покоя почти в 2000 раз, причем повышение скорости гликолиза может наблюдаться уже в предстартовом состоянии за счет выделения адреналина.
Максимальная мощность - 750-850 кал/мин кг.
Время развертывания - 20-30 с.
Время работы с максимальной мощностью - 2-3 мин.
Преимущества гликолиза перед аэробным путем образования АТФ: быстрее выходит на максимальную мощность, протекает с высокой скоростью, имеет более высокую величину максимальной мощности и не требует участия в процессе митохондрий и кислорода.
Недостатки гликолиза: высокая скорость протекания процесса быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрации гликогена, а накопление в процессе гликолиза молочной кислоты приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток, что снижает каталитическую активность ферментов гликолиза; гликолиз малоэкономичен. Повышение концентрации лактата в мышечных волокнах вызывает сдвиг pH в кислую сторону, при этом проходят конформационные изменения мышечных белков, приводящие к снижению их функциональной активности, т.е. ведет к развитию утомления.
При снижении интенсивности физической работы, а также в промежутках отдыха во время тренировки образовавшийся лактат может частично выходить из мышечных клеток в лимфу и кровь, что делает возможным повторное включение гликолиза.
Зоны относительной мощности мышечной работы
В настоящее время приняты различные классификации мощности мышечной деятельности. Одна из них - классификация по В.С.Фарфелю, базирующаяся на положении о том, что мощность выполняемой физической нагрузки обусловлена соотношением между тремя основными путями ресинтеза АТФ, функционирующими в мышцах во время работы. Согласно этой классификации выделяют четыре зоны относительной мощности мышечной работы: максимальной, субмаксимальной, большой и умеренной.
Работа в зоне максимальной мощности может продолжаться в течение 15-20 с. Основной источник АТФ в этих условиях - креатин-фосфат. Только в конце работы креатинфосфатная реакция замещается гликолизом.
Работа в зоне субмаксимальной мощности имеет продолжительность до 5 мин. Ведущий механизм ресинтенза АТФ - гликолитический. В начале работы, пока гликолиз не достиг максимальной скорости, образование АТФ идет за счет креатинфосфата, а в конце работы гликолиз начинает заменяться тканевым дыханием. Работа в зоне субмаксимальной мощности характеризуется самым большим кислородным долгом.
Работа в зоне большой мощности имеет продолжительность до 30мин. Для работы в этой зоне характерен примерно одинаковый вклад гликолиза и тканевого дыхания. Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ функционирует только в самом начале.
Работа в зоне умеренной мощности продолжается свыше 30мин. Энергообесечение мышечной деятельности происходит преимущественно аэробным путем /24/.
Ресинтез АТФ – это метаболический процесс, перманентно про-ис-хо-дя-щий в ор-га-низ-ме . Почему? Потому что АТФ является уни-вер-саль-ным источником энергии для всех клеток организма . Рас-шиф-ро-вы-ва-ет-ся аббревиатура АТФ, как аде-но-зин-три-фос-фор-ная кислота. И именно она обеспечивает работу мозга, сердца, мышц и все-го остального . Со-от-вет-ст-вен-но, раз она является источником энергии, её за-па-сы мо-гут истощаться. В зависимости от ин-тен-сив-нос-ти истощения, ресинтез АТФ мо-гут обес-пе-чи-вать фос-фо-ри-ли-ро-ва-ние, гликолиз или окисление . Каждый способ ха-рак-те-ри-зу-ет эф-фек-тив-ность и дли-тель-ность процесса. Наиболее эффективно фос-фо-ри-ли-ро-ва-ние, а дольше всего син-те-зи-ро-вать АТФ может окисление .
Зачем вообще Вам знать, как осуществляется ресинтез АТФ? Затем, что это позволит Вам более адекватно составлять себе тренировочный план , подбирать со-от-вет-ст-вую-щее спортивное питание, тре-ни-ро-вать-ся в наиболее оптимальном объё-ме и лиш-ний раз убедиться в не-об-хо-ди-мос-ти кардио тренировок . Например, имен-но вви-ду сис-те-мы ресинтеза АТФ длительность силовой тренировки не должна пре-вы-шать 60 ми-нут . Просто потому, что на-кап-ли-ва-ет-ся избыток лактата, что при-во-дит к ре-син-те-зу АТФ за счёт окисления три-гли-це-ри-дов, а не углеводов. С другой сто-ро-ны, ес-ли есть не-об-хо-ди-мость похудеть и, сле-до-ва-тель-но, мо-би-ли-зо-вать жир-ные кис-ло-ты, то наи-бо-лее эф-фек-тив-но проводить тре-ни-ро-воч-ные сессии дольше 90 минут. Вот да-вай-те и раз-бе-рём-ся, что, как и почему надо делать!
Системы ресинтеза АТФ
Фосфорилирование – это три типа реакций, основной из которых является процесс ре-син-те-за АТФ при участии креатина . Всего процесс фос-фо-ри-ли-ро-ва-ние длится око-ло 10–15 се-кунд, но первые 5–6 секунд АТФ вос-ста-нав-ли-ва-ет-ся ис-клю-чи-тель-но этой сис-те-мой . Пос-ле этого подключается гликолиз, и именно поэтому существует такая су-щест-вен-ная раз-ни-ца между силовыми показателями на раз и силовыми показателями на 2–3 пов-то-ре-ния. Ре-син-тез креатина занимает около 5–15 минут, причём за первые 1,5 ми-ну-ты вос-ста-нав-ли-ва-ет-ся примерно 65%, за последующие 4,5 минуты 85% и уже по-том ос-тав-шие-ся 15% . Имен-но поэтому во время силовых циклов существует не-об-хо-ди-мость в дол-гом от-ды-хе между подходами и низком количестве повторений.
Гликолиз – это процесс ресинтеза АТФ при участии углеводов в форме гликогена . На-чи-на-ет-ся этот процесс при нагрузках, длящихся дольше нескольких секунд . Все-го гли-ко-лиз участвует в процессе вос-ста-нов-ле-ния АТФ около 2–3 минут в за-ви-си-мос-ти от вы-нос-ли-вос-ти спортсмена . Но доля гликолиза по истечении 30 се-кунд бес-пре-рыв-ной нагрузки перманентно снижается, а в процессе гликолиза вы-ра-ба-ты-ва-ет-ся всё боль-ше пирувата, который затем ме-та-бо-ли-зи-ру-ет-ся в лактат, сти-му-ли-руя вос-па-ле-ние в мышечных волокнах . По факту уже по истечении 15 се-кунд на-чи-на-ет-ся син-те-зи-ро-вать-ся пируват, а значит, подключается система окис-ле-ния. Дли-тель-ность отдыха для вос-ста-нов-ле-ния этой системы ресинтеза АТФ на-хо-дит-ся в диа-па-зо-не 30–90 секунд . В случае, если атлет це-ле-на-прав-лен-но пы-та-ет-ся до-бить-ся ме-та-бо-ли-чес-ко-го стресса , ему может быть выгодно отдыхать 30 се-кунд, но ес-ли при-ме-ня-ет-ся объёмно-силовой тренинг , то пред-поч-ти-тель-но от-ды-хать 60–90 секунд.
Окисление – это процесс ресинтеза АТФ посредством мобилизации и дальнейшей ути-ли-за-ции жирных кислот и/или углеводов. «Топливо» может поступать из три-гли-це-ри-дов и гликогена в мышцах, липидов из подкожно-жировой клетчатки и из глю-ко-зы в кро-ви . Но в том случае, если гликогена будет не хватать для выполнения тя-жё-лой на-груз-ки, организм будет разрушать белки скелетной мускулатуры для мо-би-ли-за-ции ами-но-кис-лот, и их дальнейшей утилизации в виде источника АТФ . Имен-но по-это-му, ес-ли человек тренируется в большом количестве повторений, ему име-ет смысл уве-ли-чить количество потребляемых углеводов и/или употреблять «прос-тые» уг-ле-во-ды во время тренировки. Во время похудения может быть осмысленно при-ни-мать BCAA .
Заключение: поскольку процесс фос-фо-ри-ли-ро-ва-ния осу-щест-вля-ет-ся пре-иму-щест-вен-но при учас-тии креатина, во время силовых циклов имеет смысл при-ни-мать креа-тин в виде добавки . Оптимальным временем под нагрузкой во время объём-ных цик-лов является 30–40 секунд, потому что потом начинает активно вы-ра-ба-ты-вать-ся пируват. Чем более развиты митохондрии, тем дольше организму уда-ёт-ся эф-фек-тив-но ути-ли-зи-ро-вать продукты распада, образующиеся в процессе гли-ко-ли-за, что по-ло-жи-тель-но ска-зы-ва-ет-ся на адап-та-ци-он-ном резерве атлета и пре-дель-но эф-фек-тив-ном для него тренировочном объёме – это ещё одна причина де-лать кар-дио на мас-се.
Источники
Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2716334/
Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4898252/
Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2917728/
Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3005844/
Sciencedirect.com/science/article/pii/S1550413112005037
Ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8964751/
Ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1157744/
Ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/4030556/
Ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9950784/
Ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2600022/
Ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20847704
Покоящаяся мышца, подобно другим тканям, для поддержания постоянства своего состава и непрерывного протекания метаболических процессов, требует постоянного обеспечения АТФ. В то же время мышца сильно отличается от других тканей тем, что ее потребность в энергии в форме АТФ при сокращении мышцы может почти мгновенно возрастать в 200 раз.
Содержание АТФ в мышце относительно постоянно: около 0,25% массы мышцы. Бо́льшая концентрация АТФ приводит к угнетению миозиновой АТФазы, что препятствует образованию спаек между миозином и актином, а следовательно - мышечному сокращению. С другой стороны, концентрация АТФ не может быть ниже 0,1%, поскольку при этом перестает действовать кальциевый насос в пузырьках саркоплазматического ретикулума, и мышца будет сокращаться вплоть до полного исчерпания запасов АТФ и развитияригора - стойкого непроходящего сокращения. Запасов АТФ в мышце достаточно на 3 - 4 одиночных сокращения. Следовательно, необходимо постоянное и весьма интенсивное восполнение АТФ - ее ресинтез.
Ресинтез АТФ при мышечной деятельности может осуществляться как в ходе реакций, идущих в анаэробных условиях, так и за счет окислительных превращений в клетках, связанных с потреблением кислорода. В скелетных мышцах выявлены три вида анаэробных процессов, в ходе которых возможен ресинтез АТФ, и один аэробный.
Рассмотрим все процессы ресинтеза АТФ в мышце и порядок их включения.
Креатинкиназная реакция. Первым и самым быстрым процессом ресинтеза АТФ является Креатинкиназная реакция. Креатинфосфат (Кф) - макроэргическое вещество (глава 5), которое при исчерпании запасов АТФ в работающей мышце отдает фосфорильную группу на АДФ:
Катализирует этот процесс креатинкиназа, которая относится к фосфотрансферазам (по названию фермента назван рассматриваемый процесс).
АТФ и креатин находятся рядом и вблизи от сократительных элементов мышечного волокна. Как только уровень АТФ начинает снижаться, немедленно запускается Креатинкиназная реакция, обеспечивающая ресинтез АТФ. Скорость расщепления Кф в работающей мышце прямо пропорциональна интенсивности выполняемой работы и величине мышечного напряжения.
В первые секунды после начала работы, пока концентрация Кф высока, высока и активность креатинкиназы. Почти все количество АДФ, образовавшейся при распаде АТФ, вовлекается в этот процесс, блокируя тем самым другие процессы ресинтеза АТФ в мышце. После того как запасы Кф в мышцах будут исчерпаны примерно на 1/3, скорость креатинкиназной реакции будет снижаться; это вызовет включение других процессов ресинтеза АТФ.
Креатинкиназная реакция обратима. Во время мышечной работы преобладает прямая реакция, пополняющая запасы АТФ, в период покоя - обратная реакция, восстанавливающая концентрацию Кф в мышце. Однако ресинтез Кф возможен от части и по ходу длительной мышечной работы, совершаемой в аэробных условиях.
Креатинкиназная реакция играет основную роль в энергообеспечении кратковременных упражнений максимальной мощности - бег на короткие дистанции, прыжки, метание, тяжелоатлетические упражнения.
Гликолиз. Следующий путь ресинтеза АТФ - гликолиз. Подробно этот метаболический путь был рассмотрен в главе 6. Ферменты, катализирующие реакции гликолиза, локализованы на мембранах саркоплазматического ретикулума и в саркоплазме мышечных клеток. Гликогенфосфорилаза и гексокиназа - ферменты гликогенолиза и первой реакции гликолиза - активируются при повышении в саркоплазме содержания АДФ и фосфорной кислоты.
Как было показано выше (глава 9), энергетический эффект гликолиза невелик и составляет всего 2 моль АТФ на 1 моль глюкозо-1-фосфата, полученного при фосфоролизе гликогена. Кроме того, следует учесть, что примерно половина всей выделяемой энергии в данном процессе превращается в тепло и не может использоваться при работе мышц; при этом температура мышц повышается до 41 - 42°С.
Конечным продуктом гликолиза является молочная кислота. Накапливаясь в мышцах, она вызывает изменение концентрации ионов водорода во внутриклеточной среде, т.е. происходит сдвиг рН среды в кислую область. В слабокислой среде происходит активация ферментов цепи дыхания в митохондриях, с одной стороны, и угнетение ферментов, регулирующих сокращение мышц (АТФазы миофибрилл) и скорость ресинтеза АТФ в анаэробных условиях, с другой. Но, прежде чем перейти к рассмотрению процесса ресинтеза АТФ в аэробных условиях, отметим, что гликолиз играет важную роль в энергообеспечении упражнений, продолжительность которых составляет от 30 до 150 с. К ним относятся бег на средние дистанции, плавание на 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и др. За счет гликолиза совершаются длительные ускорения по ходу упражнения и на финише дистанции.
Ресинтез АТФ в аэробных условиях. Аэробным процессом ресинтеза АТФ служит окисление глюкозы до оксида углерода (IV) и воды. В главе 6 был подробно рассмотрен этот многостадийный процесс, а в главе 9 рассчитан его энергетический эффект. Сопоставляя энергетические эффекты гликолиза и полного распада глюкозы в аэробных условиях, можно констатировать, что второй процесс отличается наибольшей производительностью. Общий выход энергии при аэробном процессе в 19 раз превышает таковой при гликолизе.
Обратим внимание на тот факт, что АТФ, образующаяся в митохондриях при окислительном фосфорилировании, недоступна АТФазам, локализованным в саркоплазме мышечных клеток, так как внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для заряженных нуклеотидов. Поэтому существует система активного транспорта АТФ из матрикса митохондрий в саркоплазму. Сначала транслоказа осуществляет перенос АТФ из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство, где АТФ вступает во взаимодействие с креатином, проникающим из саркоплазмы. Это взаимодействие катализирует митохондриальная креатинкиназа, которая локализована во внешней мембране митохондрий. Образующийся креатинфосфат снова переходит в саркоплазму, где отдает снятый с АТФ остаток фосфорной кислоты на саркоплазматическую АДФ.
Эффективность образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависит от снабжения мышцы кислородом. В работающей мышце запасы кислорода невелики: небольшое количество кислорода растворено в саркоплазме, часть кислорода находится в связанном с миоглобином мышц состоянии. Основное количество кислорода, нужного мышце для аэробного ресинтеза АТФ, доставляется через систему легочного дыхания и кровообращения. Для образования 1 моль АТФ в процессе окислительного фосфорилирования требуется 3,45 л кислорода; такое количество кислорода потребляется в покое за 10 - 15 мин, а при интенсивной мышечной деятельности - за 1 мин.
Миокиназная реакция происходит в мышце при значительном увеличении концентрации АДФ в саркоплазме, когда возможности других путей почти исчерпаны или близки к тому. Суть этой реакции состоит в том, что при взаимодействии 2 молекул АДФ образуется 1 молекула АТФ:
| миокиназа |
| -----→ |
Условия для включения миокиназной реакции возникают при выраженном мышечном утоплении. Поэтому миокиназную реакцию следует рассматривать как "аварийный" механизм. Миокиназная реакция мало эффективна, так как из двух молекул АДФ образуется только одна молекула АТФ. Возникшая в результате миокиназной реакции АМФ может путем дезаминирования превращаться в инозинмонофосфат, который не является участником энергетического обмена. Однако увеличение концентрации АМФ в саркоплазме оказывает активирующее действие на ряд ферментов гликолиза, что приводит к повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ. В данном случае миокиназная реакция выполняет роль своеобразного метаболического усилителя, способствующего передаче сигнала от АТФазы миофибрилл на АТФ-синтезирующие системы клетки.
Похожая информация.
