Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000
Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Обмен энергии в организме
Регуляция обмена АТФ
Скорость синтеза АТФ зависит от скорости ее использования. Скорость использования АТФ зависит от скорости протекания тех процессов, в которых АТФ является источником энергии (см. рис. 19). Так, при выполнении мышечной работы резко усиливается расщепление АТФ в мышцах. В период восстановления энергия АТФ также интенсивно используется для синтеза белков и других пластических процессов. Образовавшиеся продукты гидролиза АТФ — АДФ, АМФ и пирофосфат — быстро включаются в реакции ресинтеза ее, с тем чтобы восстановить исходный физиологический уровень АТФ.
Одним из основных механизмов регуляции обмена АТФ в клетке является величина энергетического заряда клетки, которая определяется соотношением концентраций АТФ, АДФ и АМФ:
Обычно концентрация высокоэнергетической АТФ в клетках значительно превышает сумму концентрации АМФ и АДФ. Энергетический баланс системы равен 0,7—0,8. Такое состояние является физиологической нормой и поддерживается метаболическими процессами на постоянном уровне. Это означает, что системы организма функционируют с наименьшей затратой энергии, а скорость образования АТФ равна скорости ее использования.
Если энергетический заряд клетки понижается (количество АТФ уменьшается, а АДФ и АМФ — увеличивается), то ускоряются процессы, ведущие к образованию АТФ, и тормозятся процессы ее использования. Если же энергетический заряд системы превышает нормальный уровень и достигает единицы (много АТФ, мало АДФ и АМФ), то процессы синтеза АТФ тормозятся, а процессы ее использования усиливаются.
В регуляции постоянства концентрации АТФ в клетке участвует макроэргическое вещество креатинфосфат. При участии фермента креатинфосфокиназы (КФК) креатинфосфат легко передает фосфатную группу на АДФ и способствует восстановлению физиологического уровня АТФ в тканях:
Креатинфосфокиназная реакция обратима. При повышении содержания АТФ в клетках образуется креатинфосфат. Следовательно, креатинфосфат выполняет роль энергетического резерва и энергетического буфера, препятствующего повышению АТФ в клетке. Относительно постоянный уровень АТФ поддерживается до тех пор, пока в тканях не произойдет значительное снижение запасов креатинфосфата.
Содержание креатинфосфата в отдельных типах скелетных мышц несколько отличается и составляет в медленносокращающихся мышцах порядка 72—85 ммоль ∙ кг-1 сухой мышечной ткани, в быстросокращающихся — 82—89 ммоль ∙ кг-1. Содержание же АТФ в этих типах мышц примерно одинаковое и составляет около 25 ммоль ∙ кг-1 сухой мышечной ткани.
В.А. Саксом и другими авторами обосновано положение о том, что креатинфосфат выполняет в клетках роль "энерготранспортирующего челнока», т. е. переносит энергию, заключенную в макроэргических связях АТФ, от мест образования к местам ее утилизации (см. рис. 17). Связано это с тем, что молекула свободного креатина имеет высокую скорость диффузии, которая почти на порядок выше, чем АТФ. Кроме того, в клетках существуют различные формы фермента креатинфосфокиназы (КФК), которые локализованы на разных ее участках: на внутренней мембране митохондрий, саркоплазматическом ретикулуме, миофибриллах, наружной плазматической мембране, в цитоплазме.
Креатинфосфат образуется на внутренних мембранах митохондрий за счет перефосфорилирования свободного креатина и АТФ, которая доставляется из матрикса митохондрий с участием специфического белкового переносчика — аденилаттранслоказы (АТ) и самостоятельно не может перемещаться к местам использования энергии.
Часть креатинфосфата образуется в цитоплазме из АТФ в процессе гликолиза. Образовавшийся креатинфосфат легко проникает в цитоплазму и к другим местам его использования.
С участием специфических форм креатинфосфокиназы из креатинфосфата образуется АТФ, которая тут же используется либо АТФ-азой миозина, либо Са2+-АТФ-азой саркоплазматического ретикулума или Nа+-К+-АТФ-азой плазматических мембран. Освободившийся креатиннова поступает к митохондриям, где образуется АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, и вновь забирает от АТФ макроэргический Фосфат. Благодаря такой функции креатинфосфата в энергообмене предпринимаются попытки использовать медицинские препараты креатинфосфата или креатина для восполнения либо повышения его уровня в организме.
Таким образом, соотношение концентраций АТФ, АДФ и АМФ в клетках регулирует скорость обменных процессов, ведущих к накоплению АТФ и ее использованию.
Механизмы регуляции синтеза и распада АТФ в настоящее время интенсивно изучаются, поскольку составляют энергетическую основу регуляции скорости сокращения мышц, других АТФ-зависимых процессов. Не исключено, что в скелетных мышцах скорость синтеза АТФ в процессе их работы регулируется ионами кальция, уровень которого изменяется в процессе сокращения—расслабления. Кальций влияет на процесс окислительного фосфорилирования, увеличивая скорость образования АТФ. Некоторые гормоны, например адреналин, также влияют на этот процесс (см. главу 8).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите основных поставщиков энергии в клетки организма человека.
2. Какие вещества называются высокоэнергетическими? Приведите примеры.
3. Какова роль АТФ в транспорте высокоэнергетического фосфата?
4. Напишите схему строения молекулы АТФ и реакцию ее гидролиза.
5. Почему молекула АТФ выполняет роль аккумулятора и носителя энергии?
6. В каких процессах используется АТФ?
7. Назовите основные пути образования АТФ в клетке.
8. Какова концентрация АТФ и креатинфосфата в мышечной клетке?
9. Какова роль креатинфосфата в обмене АТФ?
10. В чем суть и значение процессов биологического окисления?
11. Назовите ферменты биологического окисления и основные компоненты дыхательной цепи.
12. Что понимают под процессом окислительного фосфорилирования? Какова его роль в энергообразовании?
13. Сколько молекул АТФ образуется в цепи биологического окисления, если первичным акцептором водорода является НАД и ФАД?
14. Какова роль цикла Кребса в процессе биологического окисления питательных веществ?
15. Какова энергетическая эффективность цикла Кребса?
16. Какие знаете механизмы регуляции обмена АТФ в скелетных мышцах?