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.

г

I Глава 15

Конкретный вклад каждого из механизмов образования АТФ в энергообеспечение мышечных движений зависит от интенсивности и продолжительности физических нагрузок.

При кратковременной, но очень интенсивной работе (например, бег _На 100 м) главным источником АТФ является креатинкиназная реакция. При более продолжительной интенсивной работе (например, бег на средние дистанции) большая часть АТФ образуется гликолитическим путем. При выполнении упражнений большой продолжительности, но умеренной мощности энергообеспечение мышц осуществляется в ос­новном за счет аэробного окисления.

ЗОНЫ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЫ

В настоящее время приняты различные классификации мощности мышечной деятельности. Одна из них - классификация по B.C. Фарфелю, базирующаяся на положении о том, что мощность вы­полняемой физической нагрузки обусловлена соотношением между тремя основными путями ресинтеза АТФ, функционирующими в мыш­цах во время работы. Согласно этой классификации выделяют четыре зоны относительной мощности мышечной работы: максимальной, суб- максималыюй, большой и умеренной мощности.

Работа в зоне максимальной мощности может продолжаться в те­чение 15-20 с. Основной источник АТФ в этих условиях - креатин­фосфат. Только в конце работы креатинфосфатная реакция замещается гликолизом. Примером физических упражнений, выполняемых в зоне максимальной мощности, является бег на короткие дистанции, прыжки в длину и высоту, некоторые гимнастические упражнения, подъем штанги и др.

Работа в зоне субмаксимальной мощности имеет продолжитель­ность до 5 мин. Ведущий механизм ресинтеза АТФ - гликолитический. В начале работы, пока гликолиз не достиг максимальной скорости, обра­зование АТФ идет за счет креатинфосфата, а в конце работы гликолиз начинает заменяться тканевым дыханием. Работа в зоне субмаксималь­ной мощности характеризуется самым высоким кислородным долгом - До 20 л. Примером физических нагрузок в этой зоне мощности является бег на средние дистанции, плавание на короткие дистанции, велосипед­ные гонки на треке, бег на коньках на спринтерские дистанции и др.

Работа в зоне большой мощности имеет предельную продолжи­тельность до 30 мин. Для работы в этой зоне характерен примерно оди­наковый вклад гликолиза и тканевого дыхания. Креатинфосфатный Путь ресинтеза А'ГФ функционирует только в самом начале работы, и

поэтому его доля в общем энергообеспечении данной работы мала. Примером упражнений в этой зоне мощности является бег на 5000 м бег на коньках на стайерские дистанции, лыжные гонки по пересечен­ной местности, плавание на средние и длинные дистанции и др.

Работа в зоне умеренной мощности продолжается свыше 30 мин. Энергообеспечение мышечной деятельности происходит преимущест­венно аэробным путем. Примером работы такой мощности является ма­рафонский бег, легкоатлетический кросс, спортивная ходьба, шоссейные велогонки, лыжные гонки на длинные дистанции, турпохода.! и др.

В ациклических и ситуационных видах спорта (единоборства, гим­настические упражнения, спортивные игры) мощность выполняемой работы многократно изменяется. Так, у футболиста бег с умеренной скоростью (зона большой мощности) чередуется с бегом на короткие дистанции со спринтерской скоростью (зона максимальной или суб­максимальной мощности); можно найти и такие отрезки игры, когда мощность работы значительно снижается (зона умеренной мощности). Такие примеры можно привести в отношении многих других видов спорта.

Однако в ряде спортивных дисциплин все же преобладают физиче­ские нагрузки, относящиеся к какой-то определенной зоне мощности. Так, физическая работа лыжников обычно выполняется с большой или умеренной мощностью, а в тяжелой атлетике используются макси­мальные и субмаксимальные нагрузки.

Поэтому при подготовке спортсменов необходимо применять тре­нировочные нагрузки, развивающие путь ресинтеза АТФ, являющийся ведущим в энергообеспечении работы в зоне относительной мощности, характерной для данного вида спорта.

Полезная информация

В Международной системе единиц (СИ) основной единицей энергии является джоуль (Дж), а единицей мощности - ватт (Вт).

1 джоуль (Дж) = 0,24 калории (кал).

1 килоджоуль (кДж) = 1000 Дж.

1 калория (кал) = 4,184 Дж.

1 килокалория (ккал) = 1000 кал = 4184 Дж.

1 ватт (Вт) = 1 Дж-с"¹ = 0,24 кал-с"¹.

1 киловатт (кВт) = 1000 Вт.

1 кг-м-с~¹ = 9,8 Вт.

1 лошадиная сила (л. с.) = 735 Вт.

Для выражения мощности путей ресинтеза АТФ в Дж/мин-кг необхо­димо значение этого критерия в кал/мин-кг умножить на 4,18, а для полу­чения величины мощности в Вт/кг - умножить на 0,07.

ГЛАВА 16