РЕСИНТЕЗ АТФ В ПРОЦЕССЕ ГЛИКОЛИЗА

Как только в процессе мышечной работы Креатинфосфокиназ­ная реакция перестает обеспечивать необходимую скорость восста­новления АТФ, расщепляемой в миофибриллах при сократитель­ной деятельности, и в саркоплазме увеличивается концентрация свободных молекул АДФ, основную роль в ресинтезе АТФ начи­нает играть анаэробный гликолиз. В процессе гликолиза внутри­мышечные запасы гликогена и глюкоза, поступающая в клетки из крови, расщепляются ферментативным путем до молочной кислоты. Большинство ферментов, катализирующих от­дельные реакции гликолиза, локализованы на мембранах SR или рассеяны в саркоплазме мышечных клеток. Ферменты фосфорилаза и гексокиназа, обслуживающие начальные реакции гликолиза, легко активируются при повышении концентрации АДФ и неорга­нического фосфата в саркоплазме. Кроме того, образование ак­тивной формы фоcфорилазы стимулируется выделением катехоламинов и ионов Са²⁺ в процессе активации мышечного сокращения. Все это способствует быстрому включению гликолиза в процесс ресинтеза АТФ с началом мышечной работы.

В начальной стадии гликолиза молекула углевода активирует­ся за счет присоединения фосфатной группы от АТФ и через ряд последующих реакций преобразуется в фосфоглицериновый альде­гид, служащий субстратом анаэробного окисления в одной из центральных реакций этого ферментативного процесса. В резуль­тате окисления альдегид превращается в кислоту, а высвободив­шаяся при этом энергия используется для образования макроэр-гических фосфатных связей. На заключительной стадии гликолиза промежуточные макроэргические соединения — дифосфоглицериновая и фосфопировиноградная кислоты — передают богатую энергией фосфатную группу на АДФ и приводят таким образом к ресинтезу АТФ.

При расчете энергетического балансагликолиза необходимо учитывать затраты АТФ на активацию молекулы углевода в на­чальной стадии процесса. Если вычесть это количество АТФ, то чистый выход вновь ресинтезируемой АТФ составит {в случае, когда исходным веществом служит глюкоза) 2 моля на 1 моль расщепляемых углеводов или (в случае, когда исходным веществом служит гликоген мышц) 3 моля на 1 моль расщепляе­мого глюкозного эквивалента.

Максимальная мощность гликолиза составляет около 2,50 кДж/кг-мин. Это несколько ниже, чем мощность креатинфосфокиназной реакции, но в 2 — 3 раза выше мощности аэробного процесса. Наибольшей скорости гликолиз достигает уже на 20 — 30-й секунде после начала работы, а к концу 1-й минуты работы становится основным источником вновь ресинтезируемой АТФ. Однако быстрое исчерпание относительно небольших запасов гли­когена в мышцах и снижение активности ключевых ферментов гликолитической цепи под влиянием образующейся молочной кис­лоты и снижения внутриклеточного рН приводят к падению ско­рости гликолиза с увеличением продолжительности упражнения. На 15-й минуте от начала работы скорость гликолитического процесса составляет только половину от начального значения.

Метаболическая емкость гликолиза, определяемая внутримы­шечными запасами углеводов и размерами буферных систем, ста­билизирующих значение внутриклеточного рН, обеспечивает под­держание заданной мощности упражнения в интервале от 30 с до '2,5 мин. Значит, емкость этого процесса на порядок (более чем в 10 раз) выше емкости креатинфосфокиназной реакции.

Табл . Энергия, освобождаемая при анаэробном гликолитическом

Распаде углеводов

Гликолизотличается относительно невысокой эффективностью: в процессе анаэробного ферментативного распада углеводов из 2860 кДж энергии, содержащейся в 1 моле глюкозы, высвобож­дается только 240 кДж; большая же часть энергии оказывается законсервированной в молекулах образующейся молочной кислоты и может быть выделена путем аэробного окисления. Из общего количества энергии, выделенной в ходе гликолиза, в доступную для использования форму макроэргических фосфатных связей АТФ преобразуется от 84 до 125 кДж. Исходя из этого, метаболи­ческая эффективность гликолиза должна оцениваться значениями к.п.д. порядка 0,35—0,52. Это значит, что примерно половина всей выделяемой энергии превращается в тепло и не может быть использована при работе. В ре­зультате повышения при гли­колизе скорости теплопродук­ции в работающих мышцах их температура увеличивается до 41 -- А 9°

Образование молочной кис­лоты — конечного продукта гликолиза — происходит толь­ко в анаэробных условиях, но гликолиз может осуществлять­ся и в присутствии кислорода. Однако в этом случае он за­канчивается на стадии образо­вания пировиноградной кисло­ты, которая в дальнейшем мо­жет быть подвергнута окисли­тельным превращениям в ми­тохондриях мышц. При высо­кой концентрации пировино­градной кислоты часть ее мо­жет превращаться в аланин и, включаться в глюкозо-аланиновый цикл.

Образование молочной кислоты в процессе гликолиза представлена как функция энергетического запроса в зависимости от интенсивности и продолжительности упражнений.

Часть углеводов, расщепляющихся по гликолитическому пути, пре­вращается в молочную кислоту. Образование каждого моля молочной кислоты при этом эквивалентно ресинтезу от 1,0 до 1,5 моля АТФ. Накопление молочной кислоты при анаэроб­ной работе находится в прямой зависимости от мощности и общей продолжительности упражнению.

Как и любая другая органическая кислота, молочная кислота подвергается диссоциации в водной среде:

СН₃СН (ОН)СООН * à СНзСН(ОН)СОО- +Н⁺.

Молочная кислота Лактат-ион

Накапливаясь в больших количествах, она вызывает изменение концентрации водородных ионов во внутриклеточной среде. Уме­ренный сдвиг рН в кислую сторону активирует работу ферментов дыхательного цикла в митохондриях, однако при значительном сдвиге, как уже отмечалось, происходит угнетение ферментов, ре­гулирующих сократительную деятельность мышц и скорость ана­эробного ресинтеза АТФ (к этим ферментам прежде всего относятся АТФ-аза миофибрилл, креатинфосфокиназа и основные фермен­ты гликолиза).

Увеличение количества молочной кислоты в саркоплазматическом пространстве мышц сопровождается изменением осмотическо­го давления. При этом вода из межклеточной среды поступает внутрь мышечных волокон, вызывая их набухание и регидность. Значительные изменения осмотического давления в мышцах могут быть причиной болевых ощущений.

Молочная кислота легко диффундирует через клеточные мем­браны по градиенту концентрации. Поступая из работающих мышц в кровь, она вступает во взаимодействие с бикарбонатной буфер­ной системой, что приводит к выделению «неметаболического» из­бытка СО₂:

NаНСОз + СН₃СН/ОН/СООН à СН₃СН/ОН/СООNa + Н₂О + СО₂

Поскольку увеличение концентрации водородных ионов и по­вышение напряжения СО₂ служат основными метаболическими сигналами для дыхательного центра, то при выходе молочной кис­лоты в кровь резко усиливается легочная вентиляция и поставка кислорода к работающим мышцам.

Накопление молочной кислоты, появление избыточного СО₂, изменение рН и гипервентиляция лег­ких, отражающие усиление гликолиза в мышцах, обычно обнару­живаются, когда интенсивность выполняемого упражнения состав­ляет около 50% от максимальной аэробной мощности(рис.).Этот уровень нагрузки обозначается как «порог анаэробного обме­на». Чем раньше он будет достигнут, тем быстрее вступает в дей­ствие гликолиз, сопровождающийся накоплением молочной кисло­ты и развитием утомления в работающих мышцах. Вместе с тем следует отметить, что гликолиз играет важную роль при напряженной мышечной деятельности в условиях неадек­ватного снабжения тканей кислородом; он служит биохимической основой так называемой скоростной выносливости; является предоминирующим источником энергии в упражнениях, предельная про­должительность которых составляет от 30 до 2,5 мин (бег на сред­ние дистанции, плавание па 100 и 200 м, велосипедные гонки на треке и т. п.); за счет гликолиза совершаются длительные ускорения по ходу упражнения и на финише дистанции.