Ресинтез АТФ в аэробном процессе. Режим «лошадь».

Аэробный механизм ресинтеза АТФ отличается наибольшей производительностью: в обычных условиях на его долю приходит­ся около 90% от общего количества АТФ, ресинтезируемой в ор­ганизме. Ферментные системы аэробного обмена расположены в основном в митохондриях клеток. Окисление может протекать по суб­стратному циклу (водород от метаболитов отщепляется и акцептируется НАД или ФАД) – первичное окисление и интермедиаторному циклу (водород, акцепти­рованный НАД и ФАД в реакциях его отщепления – дегидрогенирования, через сис­тему дыхательных ферментов передается на кислород), в котором образуется вода – это терминальное окисление.

Интенсивное дыхание продолжается до тех пор, пока организм испытывает потребность в энергии для выполнения ра­боты (можете проверить опытным путем). Когда эта потребность удовлетворена, и большая часть АДФ превращена в АТФ, устанавливается дыхательный конт­роль. Соотношение АТФ и АДФ четко регулирует функционирование цепи переноса электронов (и протонов) в соответствии с энергетическими потребностями клетки.

Эффективность процесса окислительного фосфорилирования оценивается по величине отношения неорганического фосфата (связанного при синтезе АТФ) к поглощенному кислороду (коэффици­ент Р/0). В общем, при переносе двух атомов водоро­да по дыхательной цепи от субстратов, отдающих свои электроны НАД, образуется 3 моля АТФ, а при окислении других субстратов, которые отдают свои электроны в дыхательную цепь при участии флавопротеидов, – только 2. К примеру, при окислении аскорбиновой кислоты, которое происходит при участии цитохрома С в обход двух первых этапов сопряжения, синтезируется 1 моль АТФ.

Состояние митохондриальной мембра­ны и активность ферментов дыхательной цепи подвержены действию разобщающих факторов, которые могут блокировать образова­ние АТФ при переносе электронов на кислород. Разобщаю­щее действие на процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях скелетных мышц оказывают гормон щитовидной же­лезы тироксин, непредельные жирные кислоты, молочная кислота (при высокой концентрации) и некоторые специфические яды (динитрофенол, пентахлорфенол, салициланилиды, олигомицин. и т. п.). Под действием этих агентов ускоряется перенос электро­нов, но АТФ при этом не образуется, освобождающаяся энергия окисления рассеивается в виде тепла (так и вспыхнуть можно «факелом»).

Наряду с обычным путем окисления субстратов на внутренней мембране существует также путь окисления, локализованный на внешней мембране, в котором принимают участие цитохром С 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, образующийся при гликолизе.

Из-за отмеченных причин теоретически возможная величина Р/0 практически никогда не достигается в напряженно функционирующей клетке, где используются различные пути окисления и присутствуют факторы, обладающие разобщающим действием.

При качественной оценке эффективности окислительного фосфорилирования учитывают, что в процессе окисления 1 моля НАД-Н высвобождается около 222 кДж энергии, тогда как на образование 3 молей АТФ затрачивается около 125 кДж. Следовательно, эффективность использования химической энергии окисления для синтеза АТФ составляет 125/222=56%. Поскольку в реальных условиях значение коэффициента Р/0 редко превышает 2,5, эффективность аэробного преобразования энергии можно при­нять равной 50%.

Общий выход энергии при аэробном процессе более чем в 10 раз превышает изменение свободной энергии при гликолитическом распаде углеводов в анаэробных условиях. Эффектив­ность преобразования энергии в аэробных условиях составляет 55-60%.

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 ограничивается измене­ниями гомеостаза вследствие накопления избытка молочной кис­лоты в, организме, конечные продукты аэробных превращений – СО₂ и Н₂О – не вызывают каких-либо 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 плазме 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.

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. Мощность аэробного энергообразования оценивает­ся по величине максимального потребления кислорода (МПК), доступного при выполнении мышечной работы. У спортсменов эта величина составляет 5,5 – 6 л/мин, она отражает ско­рость потребления О₂ в работающих мышцах. На скелетные мыш­цы приходится большая часть активной массы тела, и, в целях сравнения аэробных способностей, величины МПК обычно выражают в относительных единицах – в расчете на 1 кг веса тела. У молодых людей, не занимающихся спортом, величина МПК составляет 40 - 45 мл/кг-мин (800 – 1000 Дж/кг-мин), у спортсменов международного класса – 80 – 90 мл/кг-мин (1600 – 1800 Дж/кг-мин).

Наибольшее количество митохондрий, количество и активность ферментов дыхательного цикла отмечены в красных медленно сокращающихся мышечных волокнах. Чем выше процент содержа­ния таких волокон в мышцах, несущих нагрузку при выполнении упражнения, тем больше максимальная аэробная мощность у спортсменов и тем выше уровень их достижений в продолжитель­ных упражнениях.

Ресинтез АТФ в миокиназной реакции. Режим «загнанная лошадь».

Миокиназная (или аденилаткиназная) реакция происходит в мышцах при значительном увеличении концентрации АДФ в сар­коплазме:

аденилаткиназа АДФ + АДФ →> АТФ + АМФ

Такая ситуация возникает при выраженном мышечном утомле­нии, когда скорость процессов, принимающих участие в ресинтезе АТФ, не уравновешивает скорости расщепления АТФ. С этой точка зрения миокиназную реакцию можно рассматривают как аварийный механизм, обеспечивающий ресинтез АТФ в условиях, когда его невозможно осуществить иными способами.

При усилении миокиназной реакции часть образующейся АМФ необратимо дезаминируется, переходя в инозиновую кис­лоту, и таким образом выводится из сферы энергетического обме­на. Это крайне не выгодно для организма, так как дезаминирование АМФ ведет к уменьшению общих запасов АТФ в мышцах. (Можно так дезаминировать, что восстанавливать будет нечего и не из чего, как «загнанной» лошади). Однако, выявлено, некоторое увеличение концентрации АМФ в саркоплазме при мио­киназной реакции оказывает активирующее влияние на ферменты гликолиза (в частности, на фосфофруктокиназу) и этим способст­вует повышению скорости анаэробного ресинтеза АТФ. С этих позиций миокиназную реакцию рассматривают как своеобразный метаболический усилитель, способствующий передаче сигнала от АТФ-азы миофибрилл на АТФ-синтезирующие системы клетки.

Миокиназная реакция, как и креатинфосфокиназная, легко об­ратима и может быть использована для буферирования резких перепадов в скорости образования и использования АТФ. В случае появления в клетке избытков АТФ они быстро устраняются через миокиназную реакцию (это относится и к искусственно вводимой АТФ).