Гликолитический путь ресинтеза АТФ

(гликолиз, лактатный)

Этот путь ресинтеза, так же как и креатинфосфатный, относится к анаэробным способам образования АТФ. Источником энергии, необхо­димой для ресинтеза АТФ, в данном случае является мышечный глико­ген, концентрация которого в саркоплазме колеблется в пределах 0,2-3%. При анаэробном распаде гликогена от его молекулы под воз­действием фермента фосфорилазы поочередно отщепляются концевые остатки глюкозы в форме глюкозо-1-фосфата. Далее молекулы глюко­зо-1-фосфата через ряд последовательных стадий (их всего 10) превра­щаются в молочную кислоту (лактат), которая по своему химическо­му составу является как бы половинкой молекулы глюкозы. В процессе анаэробного распада гликогена до молочной кислоты, называемого гликолизом, образуются промежуточные продукты, содержащие фос­фатную группу с макроэргической связью, которая легко переносится на АДФ с образованием АТФ.

Итоговое уравнение анаэробного расщепления гликогена (гликоли­за) имеет следующий вид:

(С₆Н₁₀О₅)_п + ЗАДФ + ЗН₃Р0₄ ----------------------------------------

Гликоген

(CeH^Og)^ + 2 С₃Н₆0₃ + 3 АТФ + 2 Н₂0

Укороченный Лактат

гликоген

Все ферменты гликолиза находятся в саркоплазме мышечных клеток.

Гликолизу может также подвергаться глюкоза, поступающая в мыщцы из кровяного русла. Анаэробный распад глюкозы протекает по Уравнению:

С₈Н₁₂0₆ + 2 АДФ + 2 Н₃Р0₄----------------- — 2 С₃Н₆0₃ + 2 АТФ + 2 Н₂0

Регуляция скорости гликолиза осуществляется путем изменения ак­тивности двух ферментов: фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Фосфорилаза катализирует первую реакцию распада гликогена - отще­пление от него глюкозо-1-фосфата. Этот фермент активируется адрена­лином, АМФ и ионами кальция, а ингибируется глюкозо-6-фосфатом и избытком АТФ. Второй регуляторный фермент гликолиза - фосфо- фруктокиназа - активируется АДФ и особенно АМФ, а тормозится из­бытком АТФ и лимонной кислотой (лимонная кислота - промежуточ­ный метаболит цикла трикарбоновых кислот). Наличие таких регуля- торных 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, причем повышение скорости гликолиза может наблю­даться уже в предстартовом состоянии за счет выделения адреналина.

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 (в 2000 раз!), отсутствием потребности в кислороде.

Время развертывания - 20-30 с. Это обусловлено тем, что все участники гликолиза (гликоген и ферменты) находятся в саркоплазме миоцитов, а также возможностью активации ферментов гликолиза. Как уже отмечалось, 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 мин. Сущест­вуют две основные причины такой небольшой величины этого крите­рия. Во-первых, гликолиз протекает с высокой скоростью, что быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрации гликогена и, следо­вательно, к последующему снижению скорости его распада. Во-вторых, в процессе гликолиза образуется молочная кислота (лактат), накопле­ние которой приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток. В условиях повышенной кислотности снижается каталитиче­ская активность ферментов, в том числе ферментов гликолиза, что так­же ведет к уменьшению скорости этого пути ресинтеза АТФ.

Гликолитический способ образования АТФ имеет ряд преиму­ществ перед аэробным путем. Он быстрее выходит на максимальную мощность (за 20-30 с, в то время как аэробный путь - за 3-4 мин), цме^ет более высокую величину максимальной мощности (в 2 раза больше, чем у тканевого дыхания) и не требует участия митохондрий _и кислорода.

Однако у этого пути есть и существенные недостатки. Этот процесс малоэкономичен. Распад до лактата одного остатка глюкозы, отщеп­ленного от гликогена, дает только 3 молекулы АТФ, тогда как при аэробном окислении гликогена до воды и углекислого газа образуется 39 молекул АТФ в расчете на один остаток глюкозы. Такая неэконо­мичность в сочетании с большой скоростью быстро приводит к исчер­панию запасов гликогена.

Другой серьезный недостаток гликолитического пути ресинтеза АТФ - образование и накопление лактата, являющегося конечным про­дуктом этого процесса. Повышение концентрации лактата в мышечных волокнах вызывает сдвиг рН в кислую сторону, при этом происходят конформационные изменения мышечных белков, приводящие к сниже­нию их функциональной активности. Таким образом, накопление мо­лочной кислоты в мышечных клетках существенно нарушает их нор­мальное функционирование и 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 или кровь, что делает возможным повторное включение гликолиза.

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. Это прежде всего опреде­ление после физической нагрузки концентрации лактата в крови. В покое, т. е. до начала работы, концентрация лактата в крови обычно 1-2 ммоль/л. После интенсивных непродолжительных нагрузок (2-3 мин) концентрация молочной кислоты в крови резко повышается и Может достигать 18-20 ммоль/л, а у спортсменов высокой квалифика­ции еще больших значений. Другим показателем, отражающим накоп­ление в кровяном русле молочной кислоты, является водородный по­казатель крови (рН). В покое этот показатель равен 7,36-7,40, после интенсивной работы он снижается до 7,2-7,0, причем в литературе от­мечено и еще более значительное снижение рН - до 6,8. Наибольшие Изменения концентрации лактата и рН крови, наблюдаемые после на- Тузки «до отказа» в зоне субмаксимальной мощности характеризуют Метаболическую емкость гликолиза. Максимальную мощность глико­литического ресинтеза АТФ можно оценить по скорости возрастания концентрации лактата в крови или по скорости снижения рН (напри­мер, для расчета скорости изменения концентрации лактата необходи­мо ее наибольший прирост разделить на время выполнения нагрузки. Так же определяется скорость изменения рН).

Еще 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 путем взаимодействия с буферными системами крови (с их ще­лочными компонентами), и поэтому происходит снижение щелочного резерва крови.

Оценить вклад гликолиза в энергообеспечение выполненной физи­ческой работы можно также путем определения лактата в моче. В по­кое в моче лактат практически отсутствует. После тренировки, особен­но с использованием интенсивных упражнений, с мочой выделяются большие количества молочной кислоты. При этом надо учесть, что в процессе тренировки гликолиз включается многократно и поэтому ана­лиз мочи дает информацию о суммарном вкладе гликолитического пу­ти ресинтеза в обеспечение энергией всех нагрузок, выполненных за время тренировки.

Наряду с исследованием крови и мочи для оценки гликолитического пути ресинтеза еще может быть использовано определение лактатного кислородного долга. Лактатньш 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 (более подробно биохими­ческие пути устранения лактата будут рассмотрены в главе 18 «Биохи­мические закономерности восстановления после мышечной работы»). Наибольшие величины лактатного кислородного долга определяются по­сле физических нагрузок продолжительностью 2-3 мин, выполняемых с предельной интенсивностью. У хорошо тренированных спортсменов ве­личина лактатного кислородного долга может достигать 20 л.

По величине лактатного кислородного долга можно судить о воз­можностях гликолитического пути ресинтеза АТФ. Так, величина лак­татного долга свидетельствует о метаболической емкости гликолиза, а его максимальная мощность может быть оценена по отношению вели­чины лактатного долга к времени выполнения предельной нагрузки субмаксимальной мощности.

В результате систематических тренировок с использованием суб­максимальных нагрузок в мышечных клетках повышается концентра­ция гликогена и увеличивается активность ферментов гликолиза. У вы­сокотренированных спортсменов наблюдается развитие резистентности (нечувствительности) тканей и крови к снижению рН, и поэтому они сравнительно легко переносят сдвиг водородного показателя крови до 7 0 и ниже.

Аденилаткиназная (миокиназная) реакция

Аденилаткиназная (или миокиназная) реакция протекает в мы­шечных клетках в условиях значительного накопления в них АДФ, что обычно наблюдается при наступлении утомления. Аденилаткиназная реакция ускоряется ферментом аденилаткиназой (миокиназой), кото­рый находится в саркоплазме миоцитов. В ходе этой реакции одна мо­лекула АДФ передает свою фосфатную группу на другую АДФ, в ре­зультате образуется АТФ и АМФ:

АДФ + АДФ ----------- — АТФ + АМФ

Длительное время этот путь образования АТФ рассматривался как аварийный механизм, обеспечивающий синтез АТФ в условиях, когда другие способы получения АТФ становятся неэффективными. Кроме того, считалось, что аденилаткиназная реакция ведет к уменьшению в миоцитах общего количества адениловых нуклеотидов, так как обра­зующийся в этой реакции АМФ может дезаминироваться и превра­щаться в инозиновую кислоту:

АМФ ------- Инозиновая кислота + NH₃

Однако в настоящее время этой реакции отводят не энергетическую, а регуляторную роль. Это связано с тем, что АМФ является мощным активатором ферментов распада углеводов - фосфорилазы и фосфо- фруктокиназы, участвующих как в анаэробном расщеплении гликогена и глюкозы до молочной кислоты, так и в их аэробном окислении до во­ды и углекислого газа. Оказалось также, что превращение АМФ в ино­зиновую кислоту имеет положительное значение для мышечной дея­тельности. Образующийся в результате дезаминирования аммиак мо­жет нейтрализовать молочную кислоту и тем самым предупреждать на­ступление изменений в миоцитах, связанных с ее накоплением (сдвиг РН, изменение конформации белков, снижение активности ферментов и ДР-)- При этом общее содержание адениловых нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ) в клетках не изменяется, так как инозиновая кислота при взаимодействии с одной из аминокислот - аспарагиновой кислотой снова превращается в АМФ.

В табл. 7 приведены величины критериев описанных выше путей Ресинтеза АТФ.

Таблица 7 Количественные критерии основных путей ресинтеза АТФ

Критерии	Пути ресинтеза
Креатнн- фосфатный	Гликолити- ческий	Аэробный
Максимальная мощность, кал/мин-кг	900-1100	750-850	350-450
Время развертывания	1-2 с	20-30 с	3-4 мин
Время сохранения мак­симальной мощности	8-10 с	2-3 мин	десятки минут

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ ПУТЯМИ РЕСИНТЕЗА АТФ ПРИ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЕ

При любой мышечной работе функционируют все три пути ресин­теза АТФ, но включаются они последовательно. В первые секунды ра­боты ресинтез АТФ идет за счет креатинфосфатной реакции, затем включается гликолиз и, наконец, по мере продолжения работы на сме­ну гликолизу приходит тканевое дыхание (рис. 19).

Рис. 19. Включение путей ресинтеза АТФ при выполнении физической работы

Из рисунка видно, что переход энергообеспечения мышечной дея­тельности с анаэробных путей на аэробный ведет к уменьшению сум­марной выработки АТФ за единицу времени, что находит отражение в снижении мощности выполняемой работы.

Дата добавления: 2015-05-06