Основные энергетические системы (стр. 2 )

4 ккал энергии 9 ккал энергии

В ОБЗОРЕ...

1. Около 60 — 70 % энергии в организме чело­века превращается в тепло. Остальное количество используется для выполнения механической ра­боты и осуществления клеточной деятельности.

2. Мы получаем энергию из пищевых продук­тов — углеводов, жиров и белков.

3. Получаемая из продуктов питания энергия содержится в высокоэнергетическом соедине­нии — АТФ.

4. Углеводы обеспечивают около 4 ккал энер­гии на 1 г, тогда как жиры —около 9 ккалт"1, од­нако энергия, получаемая из углеводного источ­ника, более доступна. Белки также обеспечивают организм энергией.

Молекула АБ

Фермент

Рис. 5.1. Образование энергии из 1 г углеводов и ] г жиров

Фермент

Рис. 5.2. Действие ферментов в катаболизме (расщеплении) соединений

87

Рис. 5.3 Структурный состав молекулы АТФ с энергобогатыми фосфатными соединениями (а) и высвобождение энергии (б)

а ^АТФ^ = | Аденозин |— Энергия —(Р.)— Энергия —(Р.)—— Энергия —(Р.)

. АТФаза +

б | Аденозин~|-{р)—(Р}—(Р) ^—-^| Аденозин | - (Р)—(Р) + (р) + Энергия

АДФ

АТФ

БИОЭНЕРГЕТИКА: ОБРАЗОВАНИЕ АТФ

Молекула АТФ (рис. 5.3,а) состоит из аденози-на (молекулы аденина, соединенной с молекулой рибозы), соединенного с тремя группами неорга­нического фосфата (Р ). При воздействии фермента АТФазы последняя фосфатная группа отщепляет­ся от молекулы АТФ, быстро высвобождая боль­шое количество энергии (7,6 ккал-моль'' АТФ). В результате АТФ расщепляется на АДФ (аденозин-дифосфат) и фосфор (рис. 5.3,6). Однако где же находилась эта энергия в самом начале?

Процесс накопления энергии в результате об­разования АТФ из других химических источни­ков называется фосфорилированием. Вследствие различных химических реакций фосфатная груп­па присоединяется к относительно низкоэнерге­тическому соединению — аденозиндифосфату, преобразуя его в аденозинтрифосфат. Когда эти реакции осуществляются без наличия кислорода, процесс называется анаэробным метаболизмом. Если же в реакции участвует кислород, процесс называется аэробным метаболизмом, а аэробное превращение АДФ в АТФ —окислительным фос­форилированием.

Клетки образуют АТФ с помощью трех сис­тем: системы АТФ — КФ, гликолитической и окислительной систем.

СИСТЕМА АТФ - КФ

Простейшей энергетической системой являет­ся система АТФ — КФ. Кроме АТФ, клетки со­держат еще одну богатую энергией фосфатную мо­лекулу —креатинфосфат (КФ). Энергия, высво­бождающаяся при расщеплении КФ, в отличие

от энергии, высвобождающейся при расщеплении АТФ, не используется непосредственно для вы­полнения работы на клеточном уровне. Она ис­пользуется для ресинтеза АТФ, чтобы обеспечить его относительно постоянное образование.

Высвобождению энергии при расщеплении КФ содействует фермент креатинкиназа, который дей­ствует на КФ с целью отделения Р^ от креатина. Освобожденная энергия может быть использова­на для присоединения Р^ к молекуле АДФ и об­разования АТФ (рис. 5.4). При использовании этой системы (энергия высвобождается из АТФ в ре­зультате отщепления фосфатной группы) клетки могут предотвратить истощение запасов АТФ, расщепляя КФ, и тем самым обеспечивая энер­гию для образования большего количества АТФ.

Это быстрый процесс, который может осуще­ствляться без помощи каких-либо специальных структур клетки. Он может протекать и с участи­ем кислорода, однако для его осуществления кис­лород не нужен, поэтому систему АТФ — КФ на­зывают анаэробной.

В первые секунды интенсивной мышечной деятельности количество АТФ поддерживается на относительно постоянном уровне, тогда как уровень КФ неуклонно снижается, поскольку он используется для пополнения запасов АТФ (рис. 5.5). В состоянии изнеможения уровни АТФ и КФ довольно низки и не могут обеспе­чить энергию для последующих сокращений и расслаблений мышц.

Таким образом, поддержание уровня АТФ за счет энергии, высвобождающейся при расщепле­нии КФ, ограничено. Запасы АТФ и КФ доста­точны для удовлетворения энергетических потреб­ностей мышц лишь в течение 3 — 15с спринтер-

Энергия

( аТФ)

Рис. 5.4 Поддержание уровня АТФ за счет энергии, содержащейся вКФ

88

100

80

60

40

20

2 4 6 8 10 12 14

Время, с

Рис. 5.5. Изменения в мышечных АТФ и КФ в первые секунды максимального мышечного усилия

ского бега. После этого мышцам приходится рас­считывать на другие процессы образования АТФ:

гликолитический и окислительный.

ГЛИКОЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Другой источник получения АТФ предусмат­ривает высвобождение энергии в результате рас­щепления (лизиса) глюкозы. Это — гликолитичес-кая система, включающая процесс гликолиза, т. е. расщепление глюкозы с помощью специальных гликолитических ферментов (рис. 5.6).

Глюкоза составляет около 99 % всех Сахаров, циркулирующих в крови. Она поступает в кровь в результате усвоения углеводов и расщепления гли­когена печени. Гликоген синтезируется из глюкозы вследствие процесса, называемого гликогенезом. Гликоген содержится в печени или мышцах до тех пор, пока не потребуется. Когда возникает потреб­ность в гликогене, он расщепляется в результате процесса гликогенолиза на глюкозо-1 -фосфат.

Прежде чем глюкоза или гликоген могут быть использованы для образования энергии, они дол­жны трансформироваться в соединение, которое называется глюкозо-6-фосфат. Для превращения молекулы глюкозы необходима одна молекула АТФ. При расщеплении гликогена глюкозо-6-фосфат образуется из глюкозо-1 - фосфата без зат­раты энергии. Гликолиз начинается, как только образуется глюкозо-6-фосфат.

Заканчивается гликолиз образованием пиро-виноградной кислоты. Для этого процесса не ну­жен кислород, однако использование кислорода определяет "судьбу" пировиноградной кислоты, образованной вследствие гликолиза. Когда мы говорим о гликолитической системе, мы имеем в виду, что процесс гликолиза протекает без учас­тия кислорода. В этом случае пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту.

Гликолиз, являясь более сложным процессом, чем система АТФ — КФ, обеспечивает расщеп­

ление гликогена на молочную кислоту благодаря 12 ферментным реакциям. Все эти ферменты на­ходятся в цитоплазме клеток. В результате глико­лиза образуется 3 моля АТФ на каждый моль рас­щепленного гликогена. Если вместо гликогена используется глюкоза, образуется всего 2 моля АТФ, поскольку один моль расходуется на пре­вращение глюкозы в глюкозо-6-фосфат.

Эта энергетическая система не обеспечивает образование большого количества АТФ. Несмот­ря на это, сочетанные действия гликолитической системы и системы АТФ — КФ обеспечивают производство силы мышцами даже при ограни­ченном поступлении кислорода. Эти две системы доминируют в первые минуты выполнения уп­ражнений высокой интенсивности.

Другим значительным недостатком анаэробно­го гликолиза является то, что он вызывает накоп­ление молочной кислоты в мышцах и жидкостях организма. В спринтерских дисциплинах продол­жительностью 1 — 2 мин потребности гликоли­тической системы высоки, и уровни содержания молочной кислоты могут увеличиться с 1 (пока­затель в состоянии покоя) до более чем 25 ммоль-кг'. Такое подкисление мышечных во­локон тормозит дальнейшее расщепление глико­гена, поскольку нарушает функцию гликолити­ческих ферментов. Кроме того, кислота снижает способность волокон связывать кальций и это мо­жет препятствовать сокращению мышц.

Интенсивность энергозатрат мышечного во-

Глюкоза Гликоген

Глюкозо-6-фосфат

Гликолитические ферменты

АТФ

Пировиноградная кислота

Молочная кислота

Рис. 5.6. Процесс гликолиза

99

Молочная кислота и лактат — не одно и то же соединение. Молочная кислота имеет формулу СдНдОд. Лактат представляет со­бой любую соль молочной кислоты. Когда молочная кислота теряет Н^ оставшееся соединение, соединяясь с Nа+ или К^ об­разует соль. В результате анаэробного гли-колиза образуется молочная кислота, кото­рая очень быстро разлагается и образует соль — лактат. Из-за этого очень часто одно понятие используют вместо другого

локна во время нагрузки может быть в 200 раз выше, чем в состоянии покоя. Гликолитическая система и система АТФ — КФ не в состоянии обеспечить необходимое количество энергии. Без другой энергетической системы наша способность выполнять мышечную деятельность была бы ог­раничена всего несколькими минутами. Рассмот­рим третью энергетическую систему.