Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Аеробний механізм ресинтезу АТФ відрізняється найбільшою продуктивністю: в звичайних умовах на його частку приходить-ся близько 90% від загальної кількості АТФ, ресінтезіруемой в організмі. Ферментні системи аеробного обміну розташовані в основному в мітохондріях клітин. Вони підрозділяються на суб-стратние цикли окислення. де в ході перетворень різних ме-таболітов від них відщеплюється під дією дегідрогеназ водо-род, який акцептується НАД або ФАД (первинне окисле-ня), і інтермедіаторний цикл окислення. де водень, акцепт-ний НАД і ФАД в реакціях дегідрогеніровапія, через сис-тему дихальних ферментів передається на кисень з освітньої-ням води (термінальне окислення).
До числа субстратні циклів окислення відносяться: гликолитическому розщеплення вуглеводів, що закінчується утворенням піровиноградної кислоти, окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти, цикл перетворень трикарбонових кислот, окислювальне дезамінування амінокислот, # 946; -Окислення жирних кислот і т. П. Суть хімічних перетворень в субстратних цик-лах полягає в поступовому перетворенні вихідного субстра-та в форму, доступну дії специфічних дегідрогеназ, з подальшим вивільненням енергії в ході окислювально-вос-становітельних реакцій, де беруть участь дихальні ферменти. Енергія окислення, що виділяється в реакціях дегідрогенірова-ня, зберігається в з'єднаннях водню з коферментами НАД або ФАД. Для ресинтезу АТФ вона використовується при перенесенні по-огрядний від коферментів НАД або ФАД на кисневої системи дихальних ферментів, яка розташована на внутрішній мембрані НЕ мітохондрій.
У дихального ланцюга є три пункти сполучення. де за рахунок енергії, що вивільняється при переносі електронів, може синтезуватися АТФ. Перший пункт сполучення знаходиться на ділянці перенесення водню від НАД до ФАД. Кількості вільної енергії, що вивільняється в цій реакції, досить для синтезу 1 моль АТФ (59 кДж). Другий пункт сполучення локалі-зуется на ділянці перенесення електронів від коферменту Q через цитохром b до цитохрому с. Третя молекула АТФ синтезується на завершальному етапі дихального ланцюга в цітохромоксідазпой ре-акції, де відбувається перенесення електронів від системи цитохромів на кисень. У цьому пункті сполучення звільняється енергії більше, ніж в будь-якій іншій реакції дихального ланцюга (100 кДж). Цієї енергії цілком могло б вистачити для обра-тання кількох молей АТФ, але тим не менше в цьому пункті сполучення, як і в перших двох, синтезується тільки 1 моль АТФ. Надлишок енергії, що виділяється в цітохромоксідазной реак-ції, служить головною рушійною силою для всього процесу пере-носа електронів по дихальному ланцюгу. Кисень, яка акцептує електрони, які поставляє цітохромоксідазной реакція, служить резервуаром, що забезпечує постійний відтік електро-нів з дихального ланцюга і підтримує її компоненти в окисленні стані, завдяки чому вони можуть приймати водо-род від різних субстратів окислення.
Швидкість перенесення електронів по дихальному ланцюгу залежить про концентрацію АДФ і неорганічного фосфату поблизу центру АТФ-синтетазної активності на внутрішній мембрані мітохондрій. Якщо в клітці відсутні АДФ і НзРО4 необхідні для акцептування енергії протонного потенціалу на мембрані, то, незважаючи на надлишок субстратів і кисню, потік електронів буде блокований. При переході від стану спокою до активної діяльності в м'язах з високою швидкістю розщеплюється АТФ. перетворюючись в АДФ і НзРО4. Зі збільшенням концентрації цих сполук електрони отримують можливість проходити через пункти сполучення зі швидкістю, що дорівнює швидкості перенесення про-тонів через мембрану при синтезі АТФ в комплексі АТФ-синтетазної активності. Інтенсивне дихання триває до тих пір, поки існує потреба в енергії для виконання робі-боти. Коли ця потреба усувається і велика частина АДФ перетворюється в АТФ, знову встановлюється дихальний конт-роль. Таким чином, співвідношення АТФ і АДФ точно регулює функціонування ланцюга перенесення електронів відповідно до енергетичними потребами клітини.
Про ефективність процесу окисного фосфорилювання зазвичай судять по величині відношення пов'язаного при синтезі АТФ неорганічного фосфату до поглиненому кисню (коеффіці-ент Р / 0). Як вже зазначалося, при перенесенні двох атомів водоростей-да по дихальної ланцюга від субстратів, які віддають свої електрони НАД, утворюється 3 благаючи АТФ, а при окисленні інших субстратів, які віддають свої електрони в дихальний ланцюг за участю флавопротеїдів, тільки 2. Окислення аскорбінової кислоти , яке відбувається за участю цитохрому с в обхід двох перших етапів сполучення, супроводжується синтезом 1 благаючи АТФ.
Слід також врахувати, що стан мітохондріальної мембра-ни та активність ферментів дихального ланцюга схильні до дію-вию разобщающих факторів, які можуть блокувати освітньої-ня АТФ при перенесенні електронів на кисень. Таким роз'єднує-щим дією на процес окисного фосфорилювання в мітохондріях скелетних м'язів володіють гормон щитовидної ж-лези тироксин, ненасичені жирні кислоти, молочна кислота при високій концентрації і деякі специфічні отрути (динитрофенол, пентахлорфенол, саліціланіліди, олігоміцін і т. П.). Під дією цих агентів прискорюється перенесення електро-нів, але АТФ при цьому не утворюється, що звільняється енергія окислення розсіюється у вигляді тепла.
Поряд зі звичайним шляхом окислення субстратів на внутрішній мембрані існує також шлях окислення, локалізований на зовнішній мембрані, в якому беруть участь цитохром с, система ФП5 - цитохром В5 та цитохромоксидаза. Активація цього шляху призводить до швидкого окислення внемітохондріального НАД-Н, але він не пов'язаний з синтезом АТФ і веде до розсіювання енергії у вигляді тепла. Цей шлях використовується в якості буферної системи, яка підтримує необхідну концентрацію окислен-ної форми НАД в саркоплазме і усуває надлишок молочної кислоти, що утворюється при гліколізі.
Через зазначених причин теоретично можлива величина Р / 0 практично ніколи не досягається в напружено функціонує клітці, де використовуються різні шляхи окислення і присутні фактори, що володіють роз'єднувальним дією.
При якісній оцінці ефективності окисного фосфорилювання треба врахувати, що в процесі окислення 1 моля НАД-Н вивільняється близько 222 кДж енергії, тоді як на освіту 3 молей АТФ витрачається близько 125 кДж. Следо-вательно, ефективність використання хімічної енергії окис-лення для синтезу АТФ становить 125/222 = 56%.
Оскільки в реальних умовах значення коефіцієнта Р / О рідко перевищує 2,5, ефективність аеробного перетворення енергії можна прийняти рівною 50%.
Піровиноградна кислота, що утворюється в результаті Глік-лізу в саркоплазме м'язів, легко проникає в мітохондрії по гра-діенту концентрації, в мітохондріальному матриксе піддається дії піруватдегідрогеназного комплексу і в результаті реак-ції окисного декарбоксилювання перетворюється в ацетил-КоА. Він утворюється також при # 946; -Окислення жирних кислот і в ході катаболічних перетворень деяких амінокислот. Молекулами-ла ацетил-КоА містить багату енергією тіоефірную зв'язок і володіє високою реакційною здатністю. Вступаючи в реакцію конденсації з щавелевоуксусной кислотою, ацетил-КоА способству-ет утворення лимонної кислоти, яка через ряд послідовно-них реакцій знову перетворюється в щавлевооцтову кисло-ту. У цьому циклі (ЦТК) перетворень залишок оцтової кислоти розщеп-ляется на 2 молекули СО2 і 4 пари атомів водню, які че-рез посередництвом НАД або ФАД направляються в дихальний ланцюг. На стадії окислювального декарбоксилювання # 945; -кетоглютаровой кислоти відбувається субстратне фосфорилювання і утворюється 1 моль ГТФ, Макроергічні фосфатна група якої в після-дме може бути передана на АТФ. Але основна частка енергії окислення виділяється при перенесенні водню на кисень в ди-хательних ланцюга. Загальний вихід АТФ на кожен моль ацетил-КоА, розщеплюється в циклі трикарбонових кислот, в цьому випадку дол-дружин скласти:
Ізоцитрат ------- # 945; -кетоглутарат + СО2 + НАД.Н = 3 АТФ
# 945; -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
Якщо врахувати, що при окисленні НАД-Н, що утворився в ре-акціях дегідрогенірованія фосфогліцерінового альдегіду і окисного декарбоксилювання піровиноградної кислоти, в дихальної ланцюга утворюється ще по 3 благаючи АТФ на кожну пару переносяться атомів водню, то сумарний вихід АТФ в розра-ті на 1 моль глюкози. повністю окислюється до СО2 і Н2 О, со-ставить 38 молей АТФ. в той час як на 1 моль глюкози, розщеп-неушкодженої до молочної кислоти в анаеробних умовах, утворюється тільки 2 благаючи АТФ.
Слід, однак, відзначити, що АТФ, що утворюється в мито-Хондрит при окисного фосфорилювання, недоступна АТФ-азним системам, розташованим в саркоплазме м'язових клітин. через непроникності для нуклеотидів внутрішньої мітохондріальної мембрани.
Доставка АТФ, ресінтезіруемой в реак-ціях окисного фосфорилювання, до місць її споживання в скорочуються миофибриллах здійснюється за допомогою особливого енерготранспортного механізму за участю мітохондріального ізоферменту креатинфосфокінази. Першою ланкою в цьому механізмі є перенесення АТФ з мітохондріального матриксу в межмембранное простір під дією ферменту транслокази, розташованого на внутрішній мембрані мітохондрій. Транслоказ каталізує одночасно перенесення АДФ в зворотному напрямку (обмінна дифузія). АТФ, що доставляються з мат-Рікса в межмембранное простір, вступає у взаємодію з креатином, що потрапляє через зовнішню мітохондріальну мембрану з саркоплазми. Ця реакція каталізується фермен-том креатинфосфокінази, розташованим на зовнішній мембрані мітохондрій або в межмембранном просторі. Утворений креатинфосфат знову переходить в саркоплазму, де він стає доступним дії миофибриллярних креатинфосфокінази. АДФ повертається в матрикс і бере участь в реакціях окисного фосфорилювання. пов'язаних з перенесенням електронів по дихальному ланцюгу.
Загальний вихід енергії при аеробному процесі більш ніж в 10 разів перевищує зміна вільної енергії при гликолитическом розпаді вуглеводів в анаеробних умовах. Ефективна від-ність перетворення енергії в аеробних умовах становить 55-60%. Дані про кількість енергії, що звільняється в робо-танучих м'язах при аеробних перетвореннях глікогену, приведе-ни в табл. 24.
Енергія, що звільняється в скелетних м'язах людини при аеробних перетвореннях вуглеводів
У розрахунку на 1 кг м'язової маси
У розрахунку на загальну вагу тіла (30 кг ми-м'язової маси)
В якості субстратів аеробних перетворень в працюючих м'язах можуть бути використані не тільки внутрішньом'язові за-паси глікогену, а й внемишечние резерви вуглеводів (наприклад, глікоген печінки), жирів, а в окремих випадках і білків. Поет-му сумарна ємність аеробного процесу дуже велика і важко піддається точній оцінці. На відміну від гліколізу, метаболічна ємність якого в значній мірі обмежується зраді-нями гомеостазу внаслідок накопичення надлишку молочної кис-лоти в організмі, кінцеві продукти аеробних перетворень - СО2 і Н2 О - не викликають яких-небудь значних змін внутрішнього середовища і легко видаляються з організму .
Освіта 1 благаючи АТФ в процесі окисного фосфорилювання еквівалентно споживанню 3,45 л О2. Стільки ж кисло-роду в спокої споживається протягом 10-15 хв, а при напруженій м'язовій діяльності (наприклад, під час бігу на марафон-ську дистанцію) за 1 хв. Однак в самих працюючих м'язах запаси кисню вкрай невеликі. Невелика кількість О2 на-ходиться в розчиненому стані у внутрішньоклітинної плазмі і в зв'язаному стані з миоглобином м'язів. Основне ж кількістю-ство кисню, споживаного в м'язах для ресинтезу АТФ, до-представляється в тканини через систему легеневого дихання і кровообра-щення.
Для безперебійної роботи дихального ланцюга і механізму окисного фосфорилювання напруга О2 в клітинах має підтримуватися на рівні не нижче 5-10 мм рт. ст.] Щоб забезпечити його, напругу СО2 зовні (в мишеч-них капілярах) має бути приблизно 15-20 мм рт. ст. оскільки кисень надходить в клітини шляхом дифузії. Підтримка критичного на-напруги О2 на зовнішньої клітинній мембрані неза-мо від змін швидкості рас-ходу кисню в тканинах осу-ється складна система регуляції, в яку поряд з внутрішньоклітинними механізмами катаболічного контролю входять також нервова і гормональна регуляція зовн-нього дихання, центрального і периферичного кровообра-щення.
Максимальна потужність аеробного процесу в рівній мірі залежить як від швидкості утилізації О2 в клітинах (а вона, в свою оче-гу, від загального числа мітохондрій в клітині, кількості і актив-ності ферментів аеробного окислення), так і від швидкості постав-ки О2 в тканини. Потужність аеробного енергоутворення оцінює-ся по величині максимального споживання кисню (МПК), доступного при виконанні м'язової роботи. У спортсменів ця величина складає 5,5-6 л / хв. Оскільки вона відображає ско-кість споживання 02 в працюючих м'язах, а на скелетні мис-ці припадає більша частина активної маси тіла, то з метою порівняння аеробних здібностей різних індивідуумів величини МПК зазвичай висловлюють в відносних одиницях - в розрахунку на 1 кг ваги тіла.
У молодих людей, які не займаються спортом, величина МПК становить 40-45 мл / кг-хв (800- 1000 Дж / кг-хв), у спортсменів міжнародного класу - 80- 90 мл / кг-хв (1600-1800 Дж / кг -мін).
Найбільші кількість мітохондрій, кількість і активність ферментів дихального циклу відзначені в червоних повільно скорочуються м'язових волокнах. Чим вище відсоток утримуючи-ня таких волокон в м'язах, що несуть навантаження при виконанні вправи, тим більше максимальна аеробна потужність у спортсменів і тим вище рівень їх досягнень у продолжитель-них вправах.