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. 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 gt; 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 креатинфос- фокиназной 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 креатин- фосфокиназная 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. 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, (5-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 — С02 и Н20 — 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 02. 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 02 в клетках должно поддерживаться на уровне не ниже 5—10 мм рт. ст. Чтобы обеспечить его, напряжение 02 снаружи (в мышечных капиллярах) должно быть примерно 15—20 мм рт. ст., поскольку кислород поступает в клетки путем диффузии.
Поддержание критического напряжения 02 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 02 в клетках (а она, в свою очередь, от общего числа митохондрий в клетке, количества и активности ферментов аэробного окисления), так и от скорости поставки 02 в ткани.

«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 02 в ткани не оказывают влияния на скорость ресинтеза АТФ (зона насыщения). Однако при снижении р02 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 02 в ткани. Максимальная скорость потребления 02 митохондриями скелетных мышц может быть поддержана только до определенного критического значения р02 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 02 недостаточна для поддержания необходимого уровня ресинтеза АТФ, обычно обозначаются как гипоксические состояния (т. е. состояния кислородной недостаточности) разной тяжести.
Для того чтобы поддерживать напряжение 02 в митохондриях на уровне, превышающем критическое значение, при котором еще сохраняются условия для адаптивной регуляции клеточного обмена, напряжение 02 на

Рис. 22.2. «Кислородный каскад» организма.

В обычных условиях процессы биологического окисления в клетках тканей на уровне митохондрий обеспечиваются при сохранении постоянства парциального давления кислорода на этапах внешнего дыхания (альвеолярный воздух), транспорта газов кровью (артериальная и смешанная венозная кровь), а также в тканях — на мембранах клеток и внутри митохондрий.
наружной клеточной мембране должно составлять не менее 15—20 мм рт. ст. Для поддержания этого критического напряжения 02, при котором возможно нормальное функционирование мышц, напряжение 02 в артериолах, доставляющих кровь непосредственно к работающим мышцам, должно составлять приблизительно 40 мм рт. ст., а в магистральных артериях —до 80—90 мм рт. ст. В легочных альвеолах, где осуществляется газообмен между кровью и атмосферным воздухом, напряжение 02 составляет около 100 мм рт. ст., во вдыхаемом воздухе оно равняется 150 мм рт. ст.
На рис. 22.2 вышеуказанные значения критических напряжений 02 на различных этапах транспорта кислорода в организме обозначены в виде нисходящих ступеней с постепенно понижающимися уровнями р02 и скоростью доставки 02 к тканям. Этот «кислородный каскад» обеспечивает постоянную «накачку» 02 в работающие ткани в точном соответствии с их метаболической потребностью. Сохранение критических напряжений кислорода на каждом из обозначенных на схеме этапов транспорта кислорода к тканям обеспечивается совокупной деятельностью всех вегетативных систем организма. Потребление кислорода, кислородный дефицит,
кислородный долг и кислородный запрос при мышечной работе
При переходе от состояния покоя к интенсивной мышечной деятельности потребность организма в кислороде возрастает во много раз, однако сразу она не может быть удовлетворена. Нужно время, чтобы усилилась деятельность систем дыхания и кровообращения и чтобы кровь, обогащенная кислородом, могла дойти до работающих мышц. По мере усиления активности системы вегетативного обеспечения мышечной деятельности постепенно увеличивается потребление кислорода работающими мышцами. При умеренной работе, если ЧСС не превышает 150 уд/мин, скорость потребления 02 возрастает до тех пор, пока не наступит устойчивое состояние метаболических процессов, при котором 02-потребление достигает постоянного уровня и в каждый данный момент времени точно соответствует потребности организма в нем. Такое устойчивое состояние называется истинным. Уровень потребления 02 в устойчивом состоянии зависит от мощности выполняемой работы (рис. 22.3).
При более интенсивной работе (ЧСС 150—180 уд/мин) устойчивое состояние не устанавливается и потребление 02 может возрастать до конца

Рис. 22.3. Потребление кислорода в организме человека при легкой и тяжелой физической работе. Потребление кислорода резко возрастает в тканях организма с момента начала физической работы.

Однако для приспособления кровотока к возросшим метаболическим потребностям тканей требуется некоторое время, что приводит к формированию кислородного дефицита (Кд). При легкой работе величина кислородного дефицита остается постоянной после достижения устойчивого состояния. При тяжелой физической работе величина кислородного дефицита возрастает до момента ее окончания. Поэтому по окончании как легкой, так и тяжелой физической работы скорость потребления кислорода остается некоторое время выше уровня покоя, что обеспечивает ликвидацию («выплату») кислородного долга. По окончании тяжелой физической работы происходит ликвидация не только «алактатного», но и «лактатного» кислородного долга. Лр — легкая и Тр — тяжелая физическая работа.
работы или до достижения максимально возможного уровня. В последнем случае может наблюдаться «ложное устойчивое состояние», когда потребление 02 некоторое время (6—10 мин) поддерживается на постоянном максимальном уровне не потому, что потребность организма в кислороде полностью удовлетворяется, а потому, что исчерпаны возможности сердечно-сосудистой системы по доставке его к тканям. Именно эти возможности в большинстве случаев ограничивают потребление 02 мышечными клетками, хотя иногда лимитирующим фактором становится окислительная способность самих работающих мышечных клеток, в частности активность дыхательных ферментов в митохондриях.
Максимальный уровень потребления 02 не может поддерживаться долго. Во время длительной работы он снижается из-за утомления.
Количество кислорода, которое необходимо организму, чтобы полностью удовлетворить энергетические потребности за счет аэробных процессов, называется кислородным запросом работы. При интенсивной работе реальное потребление кислорода — кислородный приход — составляет только часть кислородного запроса. Разность между кислородным запросом работы и реально потребляемым кислородом составляет кислородный дефицит организма (см. рис. 22.3). В условиях кислородного дефицита активируются анаэробные реакции ресинтеза АТФ, что приводит к накоплению в организме недоокисленных продуктов анаэробного распада. Во время работы, при которой возможно установление устойчивого состояния, часть анаэробных метаболитов может ликвидироваться по ходу работы за счет усиления аэробных реакций, другая их часть устраняется после работы. Если устойчивого состояния не наступает или при ложном устойчивом состоянии количество недоокисленных продуктов все время увеличивается по ходу работы, они устраняются в восстановительном периоде.
Для этих процессов требуется дополнительное количество кислорода, поэтому некоторое время после окончания работы потребление его продолжает оставаться повышенным по сравнению с уровнем покоя. Этот восстановительный излишек кислородного потребления получил название кислородного долга. Кислородный долг всегда больше кислородного дефицита, и чем больше интенсивность и продолжительность работы, тем значительнее это различие.
В период восстановления после мышечной работы, когда в организме имеется достаточное количество субстратов биологического окисления и доставка кислорода к митохондриям клеток не ограничена, уровень потребления кислорода зависит от количества свободной АТФ, осуществляющей дыхательный контроль в митохондриях. Субстратами окислительных энергетических превращений являются накопившиеся во время работы молочная кислота, янтарная кислота, альфа-глицерофосфат, а на поздних стадиях восстановления — и жирные кислоты.
Некоторая часть избыточно потребленного в период отдыха кислорода идет на восстановление его запасов в миоглобиновом и гемоглобиновом депо. При утомительной работе эффективность использования кислорода снижается вследствие частичного разобщения процессов окисления и образования АТФ. Это разобщение может сохраняться и после работы, что обусловливает увеличение потребления кислорода по сравнению с уровнем покоя.
При работе различного характера разные факторы становятся ведущими в образовании 02-долга. Например, при выполнении кратковременной работы решающую роль в образовании 02-долга играет ресинтез КрФ и АТФ. С увеличением длительности нагрузки возрастает значение окисления молочной кислоты, восстановления pH, ионного равновесия и других процессов.
После работы, в которой возможно установление устойчивого состояния, снижение потребления 02 происходит быстро. 02-долг наполовину оплачивается за 27—30 с, а полностью — за 3—5 мин. При более интенсивной работе в кривой снижения потребления 02 выявляются две фазы — начальный быстрый спад и более медленный затяжной процесс возвращения к уровню покоя. Быстрый компонент 02-долга (так называемый алактат- ный) позволяет приблизительно оценить вклад креатинфосфатного механизма в энергетическое обеспечение работы. Медленный компонент кислородного долга (лактатный) при сравнительно кратковременной работе может служить отражением развития анаэробного гликолитического процесса. При длительной работе в его образовании значительна доля и других процессов, оценить которую точно очень трудно. Медленный компонент кислородного долга уменьшается наполовину за 15—20 мин, а ликвидируется полностью за 1,5—2 ч (см. рис. 22.3).

<< | >>

↑

Источник: Ткаченко Б.И. Нормальная физиология человека. 2005

Еще по теме Образование энергии в скелетных мышцах при физической работе:

- Кардиология - Физиология человека - Философия здоровья -