Замай Т.Н. и др. Биохимия

Подождите немного. Документ загружается.

ТЕМА 10. ИНТЕГРАЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ОБМЕНА

10.1. Взаимосвязь процессов обмена углеводов, липидов, белков



Биохимия. Учеб. пособие

-101-

веществ обратимы. Направление их зависит от условий протекания,

концентрации субстратов и продуктов. Обратимыми являются многие этапы

процессов обмена углеводов, липидов, белков.

Наиболее просто происходит взаимопревращение углеводов и липидов.

В условиях истощения углеводных ресурсов организма липиды начинают

использоваться в качестве источника энергии. Жирные кислоты

используются тканями или в печени превращаются в кетоновые тела,

которые используются тканями как энергетические субстраты. Из глицерина

образуется глюкоза, которая, поступая в кровь, обеспечивает энергетическим

сырьем некоторые ткани.

Очень сложно протекает образование аминокислот из продуктов

углеводного и липидного обмена. Часть аминокислот (незаменимых)

организм не способен образовывать, другие (заменимые) могут быть

синтезированы, но для этого в их состав должна входить аминогруппа.

Источником аминогруппы могут служить другие аминокислоты или

свободный аммиак.

Живой организм – сложная система, содержит несколько сот

триллионов клеток. В каждую секунду в организмы происходят сотни

химических реакций. Основной принцип регуляции обмена веществ –

избирательное, точно соответствующее потребностям организма изменение

скорости химических реакций.

В клетке скорость химических реакций определяется:

1) доступностью субстратов (концентрация реагирующих веществ);

2) активностью ферментов (конкурентное и неконкурентное

торможение, аллостерическая регуляция);

3) количеством ферментов;

4) доступностью кофакторов (АТФ, НАД

, НАДФ

и др.).

На уровне организма биологическая регуляция представлена нервным

и эндокринным механизмами. Нервная система координирует процессы

жизнедеятельности организма в меняющихся условиях среды – изменяет

скорость химических реакций за счет изменения в клетке сигнальных

молекул. Особым механизмом действия обладают стероидные гормоны. Они

проникают в клетку, связываются со специфическими рецепторами,

поступают в ядро, где стимулируют процесс образования мРНК.

Деятельность эндокринной системы находится под контролем нервной

системы, которая регулирует работу желез внутренней секреции. Нервная и

ТЕМА 10. ИНТЕГРАЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ОБМЕНА

10.3. Нервная и гормональная регуляция обмена веществ



Биохимия. Учеб. пособие

-102-

эндокринная системы координируют деятельность клеток и органов

организма. В отличие от гормональной нервная система оказывает быстрое

регулирующее действие на ограниченный участок, вызывая в клетках

органов или тканей выраженные биохимические изменения, быстро

проходящие после окончания нервного импульса.

Регулирующее влияние гормональной системы развертывается

значительно медленнее, оно охватывает более широкий круг органов и

тканей. Гормоны вызывают в них сравнительно небольшие, но длительно

сохраняющиеся изменения.



Биохимия. Учеб. пособие

-103-

Различные формы подвижности характерны практически для всех

живых организмов. В ходе эволюции у животных возникли специальные

клетки и ткани, главной функцией которых является генерация движения.

Мышцы являются высоко специализированными органами, способными за

счет гидролиза АТФ генерировать механические усилия и обеспечивать

перемещение животных в пространстве. При этом в основе сокращения

мышц практически всех типов лежит перемещение двух систем белковых

нитей (филаментов), построенных в основном из актина и миозина.

В организме взрослого мужчины мышцы составляют более 40% общей

массы, у пожилых людей – около 30%, у детей – около 25%. У женщин

меньше. У спортсменов, специализирующихся в силовых видах спорта,

мышечная масса может достигать 50-55%, а у культуристов – 60-79%.

Проявление различных двигательных качеств человека, особенно силы и

скорости, зависит от морфологического строения мышц, особенностей

протекания биохимических процессов в них, а также от регуляторного

воздействия нервной системы.

В организме человека существует 3 типа мышц: скелетные, сердечные

(миокард) и гладкие. Различаются они морфологическими, биохимическими

и функциональными особенностями. Скелетные и сердечные мышцы

относятся к поперечнополосатым (рис.17

). В гладких мышцах такая

исчерченность отсутствует. Функционально сердечная мышца отличается от

скелетной и занимает промежуточное положение между гладкими и

скелетными мышцами. Сердечная мышца сокращается ритмично с

последовательно меняющимися циклами сокращения (систола) и

расслабления (диастола) независимо от воли человека, непроизвольно. Ее

сокращение регулируется гормонами.

Рис.17. Поперечно-полосатая скелетная мускулатура

ТЕМА 11. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

11.1. Типы мышечных волокон



Биохимия. Учеб. пособие

-104-

Сокращение гладких мышц инициируется нервными импульсами,

некоторыми гормонами и не зависит от воли человека, так как их тонус не

контролируется нашим сознанием. Гладкие мышцы включают мышцы

внутренних органов, системы пищеварения, стенок кровеносных сосудов,

кожи и матки, обеспечивая их сокращение и расслабление.

Скелетные мышцы прикреплены в основном к костям. Сокращение

скелетных мышц инициируется нервными импульсами и подчиняется

сознательному контролю, произвольно.

Отдельная мышца окружена оболочкой соединительной ткани и имеет

сложное морфологическое строение. Каждая мышца состоит из пучка

мышечных волокон, которые содержат многочисленные сократительные

нити миофибриллы (рис.18

Рис.18. Строение мышцы

В скелетных мышцах различают несколько типов мышечных волокон,

отличающихся сократительными и метаболическими свойствами. К

основным типам волокон относятся медленносокращающиеся (МС), или

красные и быстросокращающиеся (БС), или белые. МС и БС волокна имеют

разную скорость возбуждения, сокращения и утомления. Скорость

сокращения МС-волокон составляет более 110 мс, а БС-волокон – 5- мс.

Отдельные типы волокон отличаются также механизмами

энергообразования. МС-волокна имеют много митохондрий, ферментов

биоокисления углеводов и жиров, миоглобина, большую сеть капилляров и

большие запасы гликогена. В МС-волокнах преобладают аэробный

метаболизм, необходимый для длительной работы на выносливость.

Мотонейрон, иннервирующий МС-волокна, имеет небольшое тело клетки и

управляет относительно небольшим количеством мышечных волокон (10-

180).

БС-волокна характеризуются большим количеством миофибрилл,

высокой АТФазной активностью миозина и ферментов гликолиза, большими

запасами гликогена. Имеют слаборазвитую капиллярную сеть и немного

миоглобина. Ресинтез АТР идет за счет креатинфосфатной реакции и

гликолиза. Это обеспечивает высокую скорость сокращения и быстрое

утомление. БС-волокна приспособлены к скоростной интенсивной работе

относительно небольшой продолжительности. Их мотонейрон имеет большое

ТЕМА 11. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

11.1. Типы мышечных волокон



Биохимия. Учеб. пособие

-105-

тело и сильно разветвленные аксоны, поэтому иннервирует от 300 до 800

мышечных волокон.

Среди БС-волокон различают 2 подтипа – БСа (тип llа) и БСб (тип llб).

Они отличаются в основном механизмами энергообразования. БСа-волокна

имеют высокую анаэробную гликолитическую и аэробную способность

ресинтеза АТР. Их называют «быстрые окислительно-гликолитические

волокна». Используются они при интенсивной работе на выносливость (бег

на 1000 м или плавание на 400 м). БСб-волокна имеют только высокие

анаэробные способности ресинтеза АТР, поэтому подключаются к

кратковременной мышечной деятельности взрывного характера (бег на 100 м

или плавание на 50 м).

Подключение мышечных волокон к работе зависит от силы

стимуляции мотонейроном. Количество МС- и БС-волокон в мышцах

человека в среднем составляет 55 и 45% соответственно. Среди БС-волокон

преобладают БСа (30-35%). У сильнейших бегунов на длинные дистанции в

икроножных мышцах ног содержится более 80% МС-волокон, а у спринтеров

– всего 23%. Существует тесная корреляция между содержанием БС-волокон

и скоростными способностями мышц. Количество отдельных типов

мышечных волокон генетически закреплено, поэтому плохо поддается

изменению при тренировке. Однако при специфической тренировке их объем

значительно увеличивается. Экспериментальные данные последних лет

свидетельствуют о возможности изменения количества типов волокон при

длительных тренировках: превращение БСа в БСб или МС.

Мышечное волокно является структурной единицей скелетных мышц,

представляя собой большую многоядерную клетку, а точнее – бесклеточное

образование – симпласт, так как в процессе развития мышечная клетка

образуется путем слияния множества эмбриональных отдельных клеток –

миобластов (рис.19

). Клетка окружена плазматической мембраной –

сарколеммой, которая покрыта сетью коллагеновых волокон, придающим ей

прочность и эластичность. Длина отдельных мышечных клеток может

достигать 10 см (портняжная мышца) и даже 50 см, толщина до 0,1 мм. К

мышечному волокну подходят окончания двигательных нервов и множество

кровеносных сосудов.

Рис.19. Мышечное волокно, иннервируемое мотонейроном

ТЕМА 11. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

11.2. Ультраструктура мышечного волокна



Биохимия. Учеб. пособие

-106-

Двигательный нерв (мотонейрон) имеет разветвленные аксоны и может

иннервировать несколько мышечных волокон, которые вместе представляют

функциональную единицу мышцы (нейромоторная или двигательная

единица). Такая единица работает как единое целое, т.е. сокращаются все

входящие в нее мышечные волокна. Отдельная мышца состоит из многих

двигательных единиц, которые могут не одновременно подключаться к

мышечному сокращению. Сила и скорость сокращения мышцы зависит от

количества участвующих в сокращении двигательных единиц, а также от

частоты нервных импульсов.

Мышечные клетки не способны к делению, поэтому разрушенные

мышечные волокна не могут восстановиться простым удвоением. В случае

повреждения, что наблюдается при напряженной мышечной деятельности,

самовозобновление мышечного волокна происходит из маленькой клетки –

сателлита, которая находится в неактивном состоянии в тесном контакте со

зрелыми мышечными волокнами. При нарушении структуры мышечного

волокна она активируется и начинает пролиферировать, что приводит к

образованию нового мышечного волокна.

Для высокоэффективного преобразования энергии АТФ в

механическую работу мышцы должны обладать строго упорядоченной

структурой. Действительно, упаковка сократительных белков в мышце

сравнима с упаковкой атомов и молекул в составе кристалла.

Веретенообразная мышца состоит из пучков мышечных волокон.

Зрелое мышечное волокно практически полностью заполнено

миофибриллами - цилиндрическими образованиями, сформированными из

системы перекрывающихся толстых и тонких нитей, образованных

сократительными белками. В миофибриллах скелетных мышц наблюдается

правильное чередование более светлых и более темных участков. Поэтому

часто скелетные мышцы называют поперечнополосатыми. Скелетные

мышцы состоят из многоядерных клеток, связанных возбудимой

плазматической мембраной, по которой приходит нервный импульс,

инициирующий сокращение мышцы. Мышечные клетки состоят из

множества сократительных волокон – миофибрилл, расположенных

параллельно друг другу.

Саркоплазматический ретикулум – это внутриклеточная мембранная

система взаимосвязанных уплощенных пузырьков и канальцев (цистерн),

которая окружает саркомеры миофибрилл (рис.20

). На внутренней его

мембране расположены белки, способные связывать ионы кальция

(кальсеквестрин). Основная функция СР заключается в регуляции

содержания ионов кальция в пространстве между актином и миозином,

уровень которого изменяется при сокращении-расслаблении от 10

-5

до 10

-7

М.

Под воздействием нервного импульса СР выбрасывает ионы кальция.

Основные пути поступления Са

в клетки из окружающей среды или его

освобождения из внутриклеточных источников достаточно универсальны,

поэтому исследование молекулярных механизмов, обеспечивающих Са-

ТЕМА 11. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

11.2. Ультраструктура мышечного волокна



Биохимия. Учеб. пособие

-107-

зависимую регуляцию сократительной активности мышц разных типов,

всегда вызывало повышенный интерес.

Рис.20. Саркоплазматический ретикулум

Мышечное сокращение становится возможным потому, что из СР через

Са-каналы за короткое время (несколько микросекунд) выбрасывается

большое количество Са

(градиент концентрации Са

на мембране СР

составляет ~104), достаточное для взаимодействия с регуляторными Са-

связывающими белками и активации сократительного аппарата. Благодаря

хорошему развитию сети мембран СР и высокому содержанию в них белка

Са-АТФазы (до 80% всех белков в продолговатых трубочках СР) весь

освободившийся Са

также очень быстро (за 1-2 миллисекунды) полностью

удаляется из цитоплазмы.

Таким образом, мембраны СР - основного депо кальция в мышечных

клетках содержат оба компонента, которые необходимы для освобождения

этого катиона и его последующей реаккумуляции: Са-каналы (RyR) и Са-

АТФазу. Са-АТФаза активируется тем кальцием, который освобождается из

ретикулума через Са-каналы и взаимодействует с регуляторными Са-

связывающими белками (тропонин С, кальмодулин).

На мембране СР расположены также рибосомы, на которых происходит

биосинтез белков. Митохондрии располагаются вдоль миофибрилл, тесно

соприкасаясь с ретикулумом. При тренировке количество митохондрий

увеличивается.

Структура миофибриллы. Структурно-функциональными единицами

миофибрилл являются саркомеры, которые располагаются вдоль мышечных

волокон через каждые 2,3 мкм (рис.21

). На электронно-микроскопических

снимках продольного среза мышечной ткани видно, что саркомер состоит из

параллельных рядов толстых и тонких нитей. Вертикальные темные линии Z

соответствуют специальным структурным белкам, разделяющим

миофибриллы на саркомеры. Между ними видны горизонтальные нити

сократительного аппарата. От Z-линий отходят тонкие нити, которым на

электронно-микроскопических снимках соответствуют светлые полосы I. В

центральной части саркомера расположены толстые нити, которым

соответствуют темные полосы А. В середине каждой полосы А видна более

светлая полоса Н. Наличие двух темных участков полосы А определяется

тем, что в этих зонах толстые нити пересекаются тонкими нитями. Более

ТЕМА 11. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

11.2. Ультраструктура мышечного волокна



Биохимия. Учеб. пособие

-108-

светлая полоса (зона Н) соответствует участку саркомера, где толстые нити

не пересекаются с тонкими нитями.

Рис.21. Схема саркомера

Толстые нити, имеющие диаметр 15 нм, состоят главным образом из

молекул миозина. Тонкие нити имеют диаметр 9 нм. Они содержат белки

трех типов: актин, тропомиозин и тропониновый комплекс. Каждая тонкая

нить окружена тремя толстыми нитями, а каждая толстая нить окружена

шестью тонкими нитями. Толстые и тонкие нити взаимодействуют друг с

другом с помощью поперечных мостиков длиной около 13 нм, которые через

регулярные промежутки выходят из толстых нитей и заполняют щели между

соседними толстыми и тонкими нитями. При сокращении мышцы ее длина

укорачивается на одну треть. Как это происходит стало понятно в начале

1950-х гг., когда Эндрю и Хью Хаксли, Р.Нидергерк и Ж.Хэнсон,

исследовавшие мышечные волокна методами рентгеноструктурного анализа,

оптической и электронной микроскопии, независимо пришли к модели

скользящих нитей.

В основе модели скользящих нитей лежат следующие факты:

– при сокращении мышцы длины толстых и тонких нитей саркомера не

изменяются;

– саркомер укорачивается за счет перекрывания толстых и тонких

нитей, которые скользят друг относительно друга во время сокращения

мышцы; это проявляется в том, что при сокращении мышцы полосы Н

и I укорачиваются;

– сила, развиваемая мышцей, создается в процессе движения соседних

нитей.

Скольжение толстых и тонких нитей друг относительно друга

совершается за счет энергии, выделяемой при гидролизе ATФ до AДФ и

неорганического фосфата (рис.22

ТЕМА 11. БИОХИМИЯ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ

11.2. Ультраструктура мышечного волокна



Биохимия. Учеб. пособие

-109-

Рис.22. Механизм скольжения актиновых нитей относительно миозиновых за

счет работы миозиновой АТФазы

Главной "моторной" частью миозина скелетных мышц является

головка тяжелой цепи миозина вместе со связанной с ней легкими цепями

миозина. Головки миозина могут дотягиваться до нитей актина и

контактировать с ними. При замыкании таких контактов образуются

поперечные мостики, которые генерируют тянущее усилие и обеспечивают

скольжение нитей актина относительно миозина.



Биохимия. Учеб. пособие

-110-

Содержание АТФ в мышцах незначительно (около 5 ммоль /кг сырой

массы ткани – 0,25-0,4%) и всегда поддерживается на постоянном уровне, так

как повышение концентрации АТФ угнетает АТФазу миозина, а падение

ниже 2 ммоль/кг нарушает работу Са-насоса ретикулума и тормозит процесс

расслабления. Запасы АТФ могут обеспечивать выполнение интенсивной

работы только в течение очень короткого времени – 0,5-1,5 с или 3-4-ти

одиночных сокращений максимальной силы. Дальнейшая мышечная работа

обеспечивается благодаря быстрому ресинтезу АТФ из продуктов ее распада.

Энергетическими источниками для ресинтеза АТФ являются креатинфосфат

и AДФ.

Ресинтез АТФ может осуществляться в анаэробных и аэробных

условиях. В обычных условиях ресинтез АТФ происходит преимущественно

аэробно, а при мышечной напряженной работе, когда доставка кислорода к

мышцам затруднена, в тканях усиливаются анаэробные механизмы ресинтеза

АТФ. В скелетных мышцах человека выявлено 3 вида анаэробных и один

аэробный путь ресинтеза АТФ.

К анаэробным механизмам относятся:

1) креатинфосфокиназный (алактатный) механизм, обеспечивающий

ресинтез АТФ за счет перефосфорилирования между креатинфосфатом и

АДФ;

2) гликолитический (лактатный) механизм, обеспечивающий ресинтез

АТФ в процессе анаэробного расщепления гликогена мышц или глюкозы

крови с образованием молочной кислоты;

3) миокиназный механизм, осуществляющий ресинтез АТФ за счет

реакции перефосфорилирования между двумя AДФ с участием миокиназы

(аденилаткиназы).

Аэробный механизм ресинтеза АТФ включает реакции окислительного

фосфорилирования. Энергетическими субстратами аэробного окисления

служат глюкоза, жирные кислоты, частично аминокислоты, молочная

кислота и кетоновые тела.

Каждый механизм имеет разные энергетические возможности, которые

характеризуются по следующим критериям оценки механизмов

энергообразования: максимальная мощность, скорость развертывания,

метаболическая емкость и эффективность. Максимальная мощность – это

наибольшая скорость образования АТФ в данном метаболическом процессе.

Она лимитирует предельную интенсивность работы, выполняемой за счет

данного механизма. Скорость развертывания оценивается по времени

достижения максимальной мощности данного пути ресинтеза АТФ от начала

работы. Метаболическая емкость отражает общее количество АТФ, которое

может быть получено в данном механизме ресинтеза за счет величины

запасов энергетических субстратов, емкость лимитирует объем выполняемой