Механизм аэробного ресинтеза АТФ

Аэробный ресинтез АТФ происходит при участии кислорода вдыхаемого воздуха. Именно таким путем в основном синтезируется энергия в организме человека в обычных условиях. При аэробном окислении субстратами служат глюкоза, жирные кислоты, некоторые аминокислоты, молочная кислота, кетоновые тела (продукты окисления жирных кислот). Этот процесс называется «окислительное фосфорилирование».

Все окисляемые вещества в ходе химических реакций постепенно превращаются в единое вещество — ацетил-КоА, который далее расщепляется в цикле лимонной кислоты до конечных продуктов СО₂ и Н₂О с участием многочисленных окислительных ферментов и вдыхаемого кислорода. В крови перенос кислорода осуществляет специальный железосодержащий белок эритроцитов - гемоглобин, а в скелетных мышцах — миоглобин.

Энергия окисления накапливается в восстановленной форме переносчиков водорода НАДН и ФАДН₂, которые передают высокоэнергетические электроны по дыхательной цепи на вдыхаемый кислород, а протоны водорода создают на мембране митохондрий протонный градиент (Н⁺), который является движущей силой для генерирования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, Когда разница протонного градиента достигает определенной величины (200 мВ), протоны движутся через мембрану митохондрий и взаимодействуют с кислородом с образованием Н₂О. Энергия движения Н⁺ аккумулируется в молекулы АТФ при их синтезе из АДФи Н₃РО₄ ферментом АТФ-синтетазой.

Скорость образования АТФ в процессе окислительного фосфорилирования зависит от следующих факторов:

· соотношения АТФ/АДФ; при отсутствии в клетке АДФ синтез АТФ не происходит;

• количества О₂ в клетке и эффективности его использования;
• активности окислительных ферментов;
• количества систем дыхательных ферментов в митохондриях;
• целостности мембран митохондрий;
• количества митохондрий в клетке;
• концентрации гормонов, ионов Са²⁺ и других регуляторов аэробного окисления веществ.

Снижение концентрации АТФ, что наблюдается сразу после начала вы­полнения интенсивной физической нагрузки, активирует дыхательную и сердечно-сосудистую системы, доставляющие кислород к клеткам. Количество кислорода, потребляемого легкими, прямо пропорцио­нально количеству О₂, используемому в процессах окислительного фосфорилирования. Это позволяет определять величину аэробного энергообра­зования по поступлению кислорода. Нормализация частоты дыхания и ЧСС происходит только после удовлетворения повышенных потребностей кле­ток в АТФ.

При потреблении одинакового количества кислорода объем выполнен­ной работы будет большим в том случае, если энергетическим субстратом будут углеводы, а не жиры. Углеводы являются более эффективным "топ­ливом" по сравнению с жирами, так как на их окисление требуется на 12 % меньше кислорода в расчете на молекулу синтезированной АТФ. Поэтому в условиях недостаточного поступления кислорода при физических нагрузках энергообразование происходит в первую очередь за счет окисления углеводов.

Поскольку запасы углеводов в организме ограничены, ограничена и воз­можность их использования в видах спорта, требующих проявления общей выносливости. После исчерпания запасов углеводов к энергообеспечению работы подключаются жиры, запасы которых позволяют выполнять очень длительную работу. Так, в марафонском беге за счет использования мы­шечного гликогена работа мышц продолжается в течение 80 мин. Часть АТФ может быть получена за счет мобилизации гликогена печени. Следовательно, за счет углеводов можно обеспечить энергией 75 % марафонской дистанции. Остальное количество энергии образуется за счет окисления жирных кислот. Учитывая, что жирные кислоты содержат большое количество энергии, весьма важно развивать способность организма спортсмена к более ранней их мобилизации для энергообеспечения работы. Для этого рекомендуется периодически использовать в тренировке аэробные нагрузки — бег на сверхдлинные дистанции (по 30—40 км и более). В качестве субстрата окисления могут использоваться и белки, кото­рые распадаются на аминокислоты, способные превращаться в глюкозу или другие метаболиты аэробного процесса окисления. Однако вклад бел­ков в образование энергии при мышечной деятельности составляет всего 5-10%.

Максимальная мощность аэробного механизма наименьшая и составляет 1,2 кДж • кг-¹ в мин и в равной степени зависит от скорости поступления и скорости утилизации О₂ в клетках. На этот уровень аэробный процесс выходит на 2—3-й минуте неинтенсивной работы у спортсменов и на 4—5-й минуте у неспортсменов и может поддерживаться до 15—30-й минуты. В более длительных упражнениях мощность постепенно уменьшается. При марафонском беге средний уровень ресинтеза АТФ составляет 80—85% максимальной аэробной мощности.

Наиболее интенсивно протекают процессы аэробного энергообразования в медленно сокращающихся мышечных волокнах. Следовательно, чем выше процентное содержание таких волокон в мышцах, несущих нагрузку при выполнении упражнения, тем больше максимальная аэробная мощность у спортсменов и тем выше физическая работоспособность при продолжительной работе.

Метаболическая емкость аэробного механизма практически безгранична, поскольку имеются большие запасы энергетических источников, дающих большое количество АТФ. Так, при окислении 1 молекулы глюкозы в аэробных условиях образуется 38 молекул АТФ, да как в анаэробных — только 2 АТФ. При окислении высших жирных кислот, например пальмитиновой, разуется еще больше энергии.

Аэробный механизм энергообразования является основным при тельной работе большой и умеренной мощности: беге на дистанции 10 000 м, марафонском беге на 25 000 м, велогонках, плавании на 1500 м, беге на коньках на 5000 и 10 000 м. Он является биохимической основой общей выносливости.

В процессе тренировки происходит изменение механизмов энергообеспечения. Наибольшего увеличения достигают анаэробные механизмы, возрастает их мощность и емкость. Это связано с повышением запасов энергетических субстратов и усилением активности ферментов. Каждый механизм энергообразования имеет определенные резервы, которые развиваются в ходе адаптации к нагрузкам.

Вопросы для самопроверки:

1. Охарактеризуйте основные критерии энергообразования в организме.

2. Дайте понятие ресинтеза АТФ.

3. Опишите креатинкиназный механизм ресинтеза АТФ и назовите упражнения, при которых он является основным путем образования АТФ.

4. Опишите гликолиз, назовите упражения, при которых основное количество АТФ образуется за счет гликолиза.

5. охарактеризуйте миокиназный механизм. Почему его называют «аварийным» механизмом ресинтеза АТФ?

6. От чего зависит эффективность анаэробного и аэробного ресинтеза АТФ?

7. Почему аэробный путь ресинтеза требует больше времени для выхода на максимальную мощность?

8. Что такое ПНАО, как определяется этот показатель?