РЕСИНТЕЗ АТФ В АЭРОБНОМ ПРОЦЕССЕ

Аэробный механизм ресинтеза АТФ отличается наибольшей производительностью: в обычных условиях на его долю приходит­ся около 90% от общего количества АТФ, ресинтезируемой в организме.Ферментные системы аэробного обмена расположены в основном в митохондриях клеток. Они подразделяются на суб­стратные циклы окисления, где в ходе превращений различных ме­таболитов от них отщепляется под действием дегидрогеназ водо­род, который акцептируется НАД или ФАД (первичное окисле­ние), и интермедиаторный цикл окисления, где водород, акцепти­рованный НАД и ФАД в реакциях дегидрогенировапия, через сис­тему дыхательных ферментов передается на кислород с образова­нием воды (терминальное окисление).

К числу субстратных циклов окисления относятся: гликолитическое расщепление углеводов, заканчивающееся образованием пировиноградной кислоты, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл превращений трикарбоновых кислот, окислительное дезаминирование аминокислот, β-окисление жирных кислот и т. п. 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, сохраняется в соединениях водорода с коферментами НАД или ФАД. Для ресинтеза АТФ она используется при переносе во­дорода от коферментов НАД или ФАД на кислородной системе дыхательных ферментов, которая расположена на внутренней мембране не 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 (59 кДж). Второй пункт сопряжения локали­зуется на участке переноса электронов от кофермента Q через цитохром b к цитохрому с.Третья молекула АТФ синтезируется на завершающем этапе дыхательной цепи в цитохромоксидазпой ре­акции, где происходит перенос электронов от системы цитохромов на кислород.В этом пункте сопряжения освобождается энергии больше, чем в любой другой реакции дыхательной цепи (100 кДж). 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.

Скорость переноса электронов по дыхательной цепи зависит о концентрации АДФ и неорганического фосфата вблизи центра АТФ-синтетазной активности на внутренней мембране митохондрий. Если в клетке отсутствуют АДФ и НзРО₄ необходимые для акцептирования энергии протонного потенциала на мембране, то, несмотря на избыток субстратов и кислорода, поток электронов будет блокирован. При переходе от состояния покоя к активной деятельности в мышцах с высокой скоростью расщепляется АТФ,. превращаясь в АДФ и НзРО₄. С увеличением концентрации этих соединений электроны получают возможность проходить через пункты сопряжения со скоростью, равной скорости переноса про­тонов через мембрану при синтезе АТФ в комплексе АТФ-синтетазной активности. Интенсивное дыхание продолжается до тех пор, пока существует потребность в энергии для выполнения ра­боты. Когда эта потребность устраняется и большая часть АДФ превращается в АТФ, вновь устанавливается дыхательный конт­роль. Таким образом, соотношение АТФ и АДФ точно регулирует функционирование цепи переноса электронов в соответствии с энергетическими потребностями клетки.

Об эффективности процесса окислительного фосфорилирования обычно судят по величине отношения связанного при синтезе АТФ неорганического фосфата к поглощенному кислороду (коэффици­ент Р/0). Как уже отмечалось, при переносе двух атомов водоро­да по дыхательной цепи от субстратов, отдающих свои электроны НАД, образуется 3 моля АТФ, а при окислении других субстратов, которые отдают свои электроны в дыхательную цепь при участии флавопротеидов, только 2. Окисление аскорбиновой кислоты, которое происходит при участии цитохрома с в обход двух первых этапов сопряжения, сопровождается синтезом 1 моля АТФ.

Следует также учесть, что состояние митохондриальной мембра­ны и активность ферментов дыхательной цепи подвержены дейст­вию разобщающих факторов, которые могут блокировать образова­ние АТФ при переносе электронов на кислород. Таким разобщаю­щим действием на процесс окислительного фосфорилирования в митохондриях скелетных мышц обладают гормон щитовидной же­лезы тироксин, непредельные жирные кислоты, молочная кислота при высокой концентрации и некоторые специфические яды (динитрофенол, пентахлорфенол, салициланилиды, олигомицин и т. п.). Под действием этих агентов ускоряется перенос электро­нов, но АТФ при этом не образуется, освобождающаяся энергия окисления рассеивается в виде тепла.

Наряду с обычным путем окисления субстратов на внутренней мембране существует также путь окисления, локализованный на внешней мембране, в котором принимают участие цитохром с, система ФП₅ — цитохром в₅ 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, образующийся при гликолизе.

Из-за отмеченных причин теоретически возможная величина Р/0 практически никогда не достигается в напряженно функционирующей клетке, где используются различные пути окисления и присутствуют факторы, обладающие разобщающим действием.

При качественной оценке эффективности окислительного фосфорилирования надо учесть, что в процессе окисления 1 моля НАД-Н высвобождается около 222 кДж энергии, тогда как на образование 3 молей АТФ затрачивается около 125 кДж. Следо­вательно, эффективность использования химической энергии окис­ления для синтеза АТФ составляет 125/222 = 56%.

Поскольку в реальных условиях значение коэффициента Р/О редко превышает 2,5, эффективность аэробного преобразования энергии можно принять равной 50%.

Пировиноградная кислота, образующаяся в результате глико­лиза в саркоплазме мышц, легко проникает в митохондрии по гра­диенту концентрации, в митохондриальном матриксе подвергается действию пируватдегидрогеназного комплекса и в результате реак­ции окислительного декарбоксилирования превращается в ацетил-КоА. Он образуется также при β-окислении жирных кислот и в ходе катаболических превращений некоторых аминокислот. Молеку­ла ацетил-КоА содержит богатую энергией тиоэфирную связь и обладает высокой реакционной способностью. Вступая в реакцию конденсации с щавелевоуксусной кислотой, ацетил-КоА способству­ет образованию лимонной кислоты, которая через ряд последова­тельных реакций снова превращается в щавелевоуксусную кисло­ту. В этом цикле (ЦТК) превращений остаток уксусной кислоты расщеп­ляется на 2 молекулы СО₂ и 4 пары атомов водорода, которые че­рез посредство НАД или ФАД направляются в дыхательную цепь. На стадии окислительного декарбоксилирования α-кетоглютаровой кислоты происходит субстратное фосфорилирование и образуется 1 моль ГТФ, макроэргическая фосфатная группа которой в после­дующем может быть передана на АТФ. Но основная доля энергии окисления выделяется при переносе водорода на кислород в ды­хательной цепи. Общий выход АТФ на каждый моль ацетил-КоА, расщепляемого в цикле трикарбоновых кислот, в этом случае дол­жен составить:

Изоцитрат -------α-кетоглутарат+СО₂ +НАД.Н =3 АТФ

α-кетоглутарат---------сукцинил-КоА + СО₂ + НАД.Н =3 АТФ

сукцинил-КоА ---------сукцинат + ГТФ =1 АТФ

сукцинат ---------------фумарат + ФАД.Н₂ =2 АТФ

малат ------------------ оксалоацетат + НАД.Н =3 АТФ

итого 12 АТФ

Если учесть, что при окислении НАД-Н, образовавшегося в ре­акциях дегидрогенирования фосфоглицеринового альдегида и окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты, в дыхательной цепи образуется еще по 3 моля АТФ на каждую пару переносимых атомов водорода, то суммарный выход АТФ в расче­те на 1 моль глюкозы, полностью окисляемой до СО₂ и Н₂О, со­ставит 38 молей АТФ, в то время как на 1 моль глюкозы, расщеп­ляемой до молочной кислоты в анаэробных условиях, образуется только 2 моля АТФ.

Следует, однако, отметить, что АТФ, образующаяся в мито­хондриях при окислительном фосфорилировании, недоступна АТФ-азным системам, расположенным в саркоплазме мышечных клеток, из-за непроницаемости для нуклеотидов внутренней митохондриальной мембраны.

Доставка АТФ, ресинтезируемой в реак­циях окислительного фосфорилирования, к местам ее потребления в сокращающихся миофибриллах осуществляется при помощи особого энерготранспортного механизма с участием митохондриального изофермента креатинфосфокиназы. Первым звеном в этом механизме является перенос АТФ из митохондриального матрикса в межмембранное пространство под действием фермента транслоказы, расположенного на внутренней мембране митохондрий. Транслоказа катализирует одновременно перенос АДФ в обратном направлении (обменная диффузия). АТФ, доставляемая из мат­рикса в межмембранное пространство, вступает во взаимодействие с креатином, проникающим через наружную митохондриальную мембрану из саркоплазмы. Эта реакция катализируется фермен­том креатинфосфокиназой, расположенным на наружной мембране митохондрий или в межмембранном пространстве. Образующийся креатинфосфат снова переходит в саркоплазму, где он становится доступным действию миофибриллярной креатинфосфокиназы. АДФ возвращается в матрикс и принимает участие в реакциях окислительного фосфорилирования, сопряженных с переносом электронов по дыхательной цепи.

Общий выход энергии при аэробном процессе более чем в 10 раз превышает изменение свободной энергии при гликолитическом распаде углеводов в анаэробных условиях. Эффектив­ность преобразования энергии в аэробных условиях составляет 55—60%. Данные о количестве энергии, освобождаемой в рабо­тающих мышцах при аэробных превращениях гликогена, приведе­ны в табл. 24.

Энергия, освобождаемая в скелетных мышцах человека при аэробных превращениях углеводов

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 ограничивается измене­ниями гомеостаза вследствие накопления избытка молочной кис­лоты в организме, конечные продукты аэробных превращений - СО₂ и Н₂О — не вызывают каких-либо значительных изменений внутренней среды и легко удаляются из организма.

Образование 1 моля АТФ в процессе окислительного фосфорилирования эквивалентно потреблению 3,45 л О₂. 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 количество О₂ на­ходится в растворенном состоянии во внутриклеточной плазме 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 О₂ в клетках должно поддерживаться на уровне не ниже 5—10 мм рт. ст.] Чтобы обеспечить его, напря­жение СО₂ снаружи (в мышеч­ных капиллярах) должно быть примерно 15—20 мм рт. ст., поскольку кислород поступает в клетки путем диффузии. Поддержание критического на­пряжения О₂ на наружной клеточной мембране независи­мо от изменений скорости рас­хода кислорода в тканях осу­ществляет сложная система регуляции, в которую наряду с внутриклеточными механизмами катаболического 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 О₂ в клетках (а она, в свою оче­редь, от общего числа митохондрий в клетке, количества и актив­ности ферментов аэробного окисления), так и от скорости постав­ки О₂ в ткани. Мощность аэробного энергообразования оценивает­ся по величине максимального потребления кислорода (МПК), доступного при выполнении мышечной работы. У спортсменов эта величина составляет 5,5—6 л/мин. Поскольку она отражает ско­рость потребления 0₂ в работающих мышцах, а на скелетные мыш­цы приходится большая часть активной массы тела, то в целях сравнения аэробных способностей разных индивидуумов величины МПК обычно выражают в относительных единицах - в расчете на 1 кг веса тела.

У молодых людей, не занимающихся спортом, величина МПК составляет 40—45 мл/кг-мин (800— 1000 Дж/кг-мин), у спортсменов международного класса - 80— 90 мл/кг-мин (1600—1800 Дж/кг-мин).

Наибольшие количество митохондрий, количество и активность ферментов дыхательного цикла отмечены в красных медленно сокращающихся мышечных волокнах. Чем выше процент содержа­ния таких волокон в мышцах, несущих нагрузку при выполнении упражнения, тем больше максимальная аэробная мощность у спортсменов и тем выше уровень их достижений в продолжитель­ных упражнениях.