Біоенергетика м’язового скорочення

Тривалість м’язового скорочення повністю зале­жить від наявності АТФ. Реакція розщеплення АТФ служить безпосереднім джерелом енергії для м’язової діяльно­сті:

_{АТФ-аза}

АТФ + Н₂О → АДФ + Н₃РО₄ + D G

За фізіологічних умов енергія гідролізу одного моля АТФ становить близько 40 кДж.

Вміст АТФ у м’язі відносно постійний, складає приблизно 5 мМ на 1 кг сирої ваги м’язів і не може зменшуватися нижче 2 мМ, оскільки при цьому перестане працювати «кальцієва помпа». М’яз буде скорочуватися до повного вичерпання всієї АТФ, після чого настане задубіння (контрактура) м’язів.

Запасів АТФ, що є в м’язовій клітині, вистачає лише на 1/30 долю секунди роботи (3-4 одиночних скорочення максима­льної сили). Проте в процесі м’язової роботи помітного зниження концентрації АТФ не спостерігаєть­ся. Це пояснюється тим, що в перервах між скороченнями м’язів АТФ відновлюється (ресинтезується) із тією ж швидкістю, з якою вона розщеплюється в процесі м’язових скорочень. Для обернення ре­акції гідролізу АТФ кінцеві продукти розпаду АДФ і Н₃РО₄ пови­нні одержати енергію, яка дорівнює тій, що виділилася при розще­пленні АТФ. Тому синтез АТФ у клітині спряжений із катаболітичними реакціями, при яких звільняється значна кількість по­тенційної енергії. У ході таких реакцій утворюються проміжні багаті на енергію сполуки, що містять фосфатну групу і здатні передавати її разом із запасом енергії на АДФ. Макроергічні сполуки, які використовуються для ресинтезу АТФ, постійно при­сутні в організмі (креатинфосфат) або утворюються під час роботи при окисненні різних речовин (1,3-ди-фосфогліцеринова і фосфопіровиноградна кислоти).

Ресинтез АТФ у процесі скорочення м’язів може здійснюва­тись як під час реакцій, що відбуваються без кисню, так і за рахунок реакцій, пов’язаних з його споживанням.

Анаеробний шлях ресинтезу АТФ включає в себе відновні процеси за рахунок креатинфосфату (креатинфосфокіназна ре­акція), сполучення між собою двох молекул АДФ (міокіназна реакція), а також реакцій гліколізу і глікогенолізу.

Креатинкіназне відновлення. Креатинфосфат адсор­бований на скорочувальних білках міофібрил. Реакцію переносу фосфатної групи з креатинфосфату на АДФ з наступним утворенням креатину і АТФ каталізує креатинфосфокіназа:

КрФ + АДФ АТФ + Кр

Креатинфосфокіназа в скелетних м­’язах людини має велику активність. Креатинфосфокіназна реакція досягає найвищої швидкості вже на другій секунді після початку роботи. Ця реа­кція першою включається в процесі ресинтезу АТФ у момент початку м’язової роботи і відбувається з максимальною швидкі­стю до значного зменшення запасів креатинфосфату в м’язах. Ця реакція є своєрідним «енергетич­ним буфером», який підтримує постійну концентрацію АТФ у м’я­зах у періоди інтенсивного її використання.

Запаси креатинфосфату в м’язах приблизно в 3 рази переви­щують кількість АТФ. Загальний же запас АТФ і КрФ забезпечує енергією м’язову тканину для роботи максимальної потужності протягом 10-15 сек. Після того як запаси КрФ у м’язах зменшуються приблизно на 1/3 (через 5-6 сек.), швид­кість креатинфосфокіназної реакції зменшується, і в процес ре­синтезу АТФ підключаються реакції гліколізу і дихання. Це відбувається при збільшенні тривалості роботи. До 30-ї секунди швидкість креатинфосфокіназної реакції зменшується наполо­вину, а до кінця 3-ї хвилини вона складає лише 1,5% початково­го значення. Креатинфосфокіназна реакція зворотна. Під час скорочення м’язів переважає пряма реакція, яка супроводжуєть­ся утворенням АТФ і креатину. Але як тільки робота м’язів припиняється й у м’язі з’являється надлишок АТФ, посилюється зворотна реакція, яка відновлює запаси КрФ до вихідного рі­вня.

Креатинфосфокіназна ре­акція є короткочас­ною, але енергетично дуже ефективною (1 моль КрФ відновлює 1 моль АТФ) і складає біохімічну основу такої рухової якості, як локаль­на м’язова витривалість.

Міокіназна реакція. При значному збільшенні концентрації АДФ у сар­коплазмі відбувається міокіназна (або аденілаткіназна) реакція:

_{аденілаткіназа}

АДФ + АДФ → АТФ + АМФ

У процесі такої взаємодії одна молекула АДФ віддає фосфат­ну групу і перетворюється в АМФ, а інша приєднує цю групу, перетворюючись в АТФ. Такий ресинтез АТФ включається в організмі в крайньому разі, коли працюючі м’язи не можуть одержати енергію з інших джерел. Міокіназну реакцію можна розглядати як аварійний механізм. Така ситуація може виникнути при сильному м’язовому втомлені, коли використані майже всі види клітинного палива.

Аденілатний шлях ресинтезу АТФ украй невигідний для організму, оскільки веде до зменшення кількості аденілових нуклеотидів у результаті подальшого розщеплення утвореної АМФ, до аміаку і токсичної інозитової кислоти.

Гліколіз і глікогеноліз. Швидкому включенню гліколізу для ресинтезу АТФ в умовах недостатнього поста­чання киснем сприяє висока активність фосфорилази, яка легко активується при підвищенні концентрації АДФ і неорганічної фосфат­ної кислоти в саркоплазмі. У процесі гліколізу утворюються проміжні макроергічні сполуки (1,3-дифосфорногліцеринова і фосфоенолпіровиноградна кислоти), які передають багату енергією фос­фатну групу на АДФ (фосфорилювання на рівні субстрату), здійснюючи таким чином ресинтез АТФ. Найбільшої швидкості гліколіз досягає вже на 20-30 секунді від початку роботи, а до кінця 1-ї хвилини роботи м’язів стає основним джерелом для ресинтезу нових молекул АТФ.

Енергетична ефективність гліколізу невисока: при розщеп­ленні 1 молекули глюкози до 2 молекул молочної кислоти утво­рюється 2 молекули АТФ. Проте, гліколіз в організмі відбувається з використанням вуглеводних запасів (глюкози, глікогену) і може тривати довше, ніж креатинфосфокіназне відновлення. Гліколіз слу­жить біохімічною основою такої рухової якості, як швидкісна витривалість; є домінуючим джерелом енергії при виконанні вправ, тривалість яких становить від 30 сек. до 2,5 хв.

Гліколіз має і негативні сторони. Це недостатня енергетична ефектив­ність (2 молекули АТФ) і накопичення великої кількості проду­кту неповного окиснення глюкози − молочної кислоти. У водному середови­щі молочна кислота дисоціює:

СН₃ − СН − СООН СН₃ − СН − СОО^- + Н⁺

| |

ОН ОН

Молочна кислота Лактат-іон

 

Утворюючись у великих кількостях, вона змінює рН внутріш­ньоклітинного середовища вбік кислого. При значних змінах рН відбувається пригнічення АТФ-ази міофібрил, креатинфосфокінази й основних ферментів, що регу­люють скорочувальну діяльність м’язів.

Збільшення кількості молочної кислоти в саркоплазмі су­проводжується зміною осмотичного тиску. При цьому вода з міжклітинного середовища надходить усередину м’язових воло­кон, викликаючи тим самим їх набрякання і ригідність. Значні зміни осмотичного тиску в м’язах можуть викликати відчуття болю і втоми у працюючих м’язах.

Аеробний шлях ресинтезу АТФ. Ресинтез АТФ в аеробних умовах здійснюється шляхом окиснювального фосфорилювання за наявності достатньої кількості кисню. Це найбільш продуктивний шлях віднов­лення енергії в організмі людини. У звичайних умовах на його частку припадає близько 90% загальної кількості АТФ, яка ресинтезується в організмі. Ферментні системи аеробного ресинте­зу зосереджені у мітохондріях. Цей шлях містить у собі аеробне перетворення молочної кислоти (через утворення піровиноградної кислоти) до ацетил-КоА (активова­ної форми оцтової кислоти) і всі реакції циклу трикарбонових кислот (циклу Кребса), які безпосередньо спряжені з окиснювальним фосфорилюванням АДФ і разом здатні давати велику кількість енергії (з 1 молекули глюкози − 38 молекул АТФ). Аеробний шлях ресинтезу АТФ у 18 разів ефективніший за гліколіз, при якому утворюється лише 2 молеку­ли АТФ. Висока продуктивність цього шляху ресинтезу АТФ можлива тому, що крім внутрішньом’язових запасів глікогену в нього можуть включатися і позам’язові резерви вуглеводів (на­приклад, глікоген печінки), жирів, а в окремих випадках і білків, окиснюючись при цьому до кінцевих продуктів обміну. Загальна ємність аеробного процесу дуже велика. Кінцеві про­дукти аеробних перетворень СО₂ і Н₂О не викликають значних змін внутрішнього середовища і легко видаляються з організму.

Утворення 1 моля АТФ у процесі окиснювального фосфори­лювання супроводжується споживанням 3,45 л кисню. Стільки ж кисню в стані спокою споживається протягом 10-15 хв., а за умови напруженої м’язової діяльності за 1 хв. Запаси кисню в працюючих м’язах обмежені. Невелика його кількість знаходиться в розчиненому стані у внутрішньоклітинній плазмі й у зв’язано­му стані з міоглобіном. Основна ж кількість кисню, що споживається м’язами для ресинтезу АТФ, надходить у тка­нини через систему легеневого дихання і кровообігу.

Оскільки відновлення АТФ зазначеним шляхом здійсню­ється в умовах достатньої кількості кисню, в організмі людини він використовується при виконанні більш довгих і менш інтен­сивних фізичних вправ.

РОЗДІЛ 14. БІОХІМІЯ КРОВІ

Теоретична частина

Кров – це рідка тканина організму людини та вищих тварин, його внутрішнє середовище, яке забезпечує звʼязок та інтеграцію обміну речовин різних органів і тканин.

Кров виконує в організмі ряд важливих функцій:

− дихальну – гемоглобін, що входить до складу еритроцитів, разом із плазмою крові здійснюють транспорт О₂ від альвеол легень до всіх органів і тканин та зворотний транспорт СО₂;

− трофічну (поживну) – транспорт поглинутих поживних речовин (вуглеводів, ліпідів, амінокислот, нуклеотидів, продуктів їх метаболізму, вітамінів) до клітин, де вони використовуються в катаболічних та анаболічних процесах;

− екскреторну (видільну) – за допомогою плазми крові забезпечується транспортування до органів виділення (нирок, легень, шкіри, кишківника) кінцевих продуктів метаболізму та продуктів біотрансформації чужорідних органічних сполук для наступного їх виведення;

− захисну (імунну) – різні типи лейкоцитів та плазма крові за допомогою системи ферментів та специфічних білків забезпечують широкий спектр захисних реакцій, протидіючи порушенням внутрішнього гомеостазу, зокрема проникненню у внутрішнє середовище органзму генетично чужорідних для нього білків та інших макромолекул;

− регуляторну – здійснюється за допомогою гормонів та інших біорегуляторів, що секретуються в кров ендокринними залозами і за допомогою специфічних транспортних білків плазми крові переносяться у відповідні органи-мішені. Виявляється також у підтриманні кислотно-лужного та водно-сольового балансу, осмотичного тиску міжклітинної рідини, участі у регуляції температури тіла.

Кров складається з твердих елементів – червоних (еритроцитів) і білих (лейкоцитів) кровʼяних клітин та тромбоцитів, завислих в рідкому середовищі – плазмі. Між плазмою і форменими елементами існує певне співвідношення – гематокрит (гематокритне число), згідно якого об’єм клітин складає у людини 40-45% об’єму крові, решта (55-60%) припадає на плазму. Майже всі функції крові (за винятком специфічних клітинних, наприклад, транспорт кисню чи імунний захист) здійснюються плазмою чи її компонентами. Кров здатна до згортання (коагуляції); рідка фаза, яка при цьому залишається називається сироваткою крові. Сироватка крові являє собою плазму, звільнену від фібриногену.

Загальна кількість крові у ссавців різна і залежить від виду, статі, інтенсивності обміну речовин. В середньому цей показник складає 8-15% від маси тіла. У людини кількість крові складає приблизно 6-8% від маси тіла (6-8 л), у чоловіків об’єм крові – 5,2 л, у жінок – 3,9 л. Кількість крові в організмі – величина доволі стала. В звичайних умовах кров, що міститься в організмі циркулює по судинах не в повному обсязі. Частина крові міститься у депо: в печінці – до 20%, селезінці – до 16%, в шкірі – до 10% від загальної кількості крові.