PJ [Cr-PJ ' f-DP| -' ? |Cr|

В скелетных мышцах млекопитающих при нормальных концентрациях Mg2+ и К+ и при физиологическом рН значение К равно около 25, т. е. отношение [ATP]/[ADP] примерно в 25 раз больше отношения [Сг-Р]/[Сг]. Покояшиеся мышцы содержат в 3—8 раз больше фосфокреатина, чем АТР, т. е. количество, достаточное

1418

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

для 30—100 сокращений. Если мышцу раздражают в условиях, при которых использованный АТР может быть пополнен только за счет фосфокреатина, например в атмосфере ?2 при полном блокировании гликолиза иодацетатом, то концентрация АТР некоторое время остается относительно постоянной, в то время как фосфокреатин быстро исчезает. Это можно понять, учитывая положение равновесия рассмотренной выше реакции. Только тогда, когда фосфокреатин почти исчерпан, уровень [АТР] начинает уменьшаться и мышца прекращает работу, впадая в состояние контрактуры или вялого паралича.

У беспозвоночных метаболическую роль фосфокреатина выполняют другие фосфорилированные гуанидиновые соединения, наиболее часто аргининфосфат, особенно у членистоногих и иглокожих. У аннелид эту роль выполняют ?-фосфопроизводные гуани-динуксусной кислоты (Nereis diversicola), тауроциамина (Arenico-la) и гуанидинэтилсерилфосфата (мышцы пиявки):

? ??2

! I

HN=C—?—CH2—CH2—СН2—СН—СООН

??-??,?,

аргининфосфат ? ?

HN=С— li—CH2-CH2—S03H HN= С—?—CHa—С ООН

??—Р03Н2 ??—Р03Н2

фогфотаугоциамин фосфогуанидинуксусная

кислота

? О ??2

I II I

HN=C —?—СН.;—CH2—О—?—О—СН2—СН—СООН

HN-P03H2 ОН

фосфогуанидинэтилсерилфосфат

Мышца располагает еще одним механизмом для более полного извлечения всей энергии АТР — аденилаткиназной реакцией: 2ADP <—*- АТР -f- AMP К = 1

В процессе сокращения, однако, скорость аденилаткиназной реакции изменяется незначительно. Важное значение этой реакции состоит, вероятно, в том, что образующийся AMP является положительным эффектором фосфофруктокиназы (разд. 14.4.2.1); он может, следовательно, увеличивать скорость гликолиза. Когда потребность в АТР уменьшается, аденилаткиназа катализирует обратный процесс — образование ADP из АТР и AMP. Не известно реакции, которая могла бы «продолжить» аденилаткиназную реакцию: цитоплазматическая AMP не может выполнять роль акцептора фосфата ни при анаэробном гликолизе, ни при окисли-

36. МЫШЦА

1419

тельных реакциях. В сокращающейся мышце в значительном количестве образуется аммиак; при действии аденилатдезаминазы на АМР происходит образование инозиновой кислоты (IMP) и NH3. В результате функционирования аденилатдезаминазы равновесие аденилаткиназной реакции будет сдвигаться вправо до тех пор, пока не израсходуется весь запас АТР. Это наблюдается, однако, только тогда, когда мышца впадает в состояние оцепенения. Регенерация АМР осуществляется путем образования аденил-сукцината (разд. 24.1.2) и его последующего расщепления. Эти реакции следующие:

АМР + Н20 -*¦ IMP + NHg (1)

IMP -f- аспартат -j- GTP -> аденилсукцинат + GDP + ?; (2)

аденилсукцинат ->- AMP -f- фумарат (3)

аспартат -f- GTP + H20 -»- фумарат + GDP + Pj + NH3

Фумарат при участии фумаразы (разд. 12.2.3) быстро превращается в малат. Накопление ГЧНз, следовательно, происходит в процессе утилизации АТР (образование АМР аденилаткиназой). Ресинтезу АМР благоприятствует высокая скорость регенерации АТР и, следовательно, образования GTP. Результатом всей рассмотренной последовательности реакции является дезаминирова-ние аспартата, а возможно, и других аминокислот (благодаря реакциям переаминирования). Реальная функция этой системы- в метаболизме мышцы неизвестна. Возможно, что NH3 способствует предотвращению подкисления среды, возникающего в результате образования молочной кислоты в период сокращения (см. ниже). Кажется маловероятным, чтобы эта система существовала только для того, чтобы обеспечить несколько дополнительных мышечных сокращений.

Энергия, которая может быть получена за счет АТР и креа-тинфосфата, содержащихся в любой данный момент в мышце, составляет небольшую долю той энергии, которая необходима для ритмических сокращений сердечной и гладкой мышц, и еще меньшую долю энергии, затрачиваемой мышцами животных в период бега.

-

36.2.1. Гликолиз при мышечном сокращении

Скелетная мышца переходит из состояния покоя в состояние с максимальной активностью в течение доли секунды. Внезапное возрастание потребности в АТР в период короткого спринта удовлетворяется в основном за счет энергии гликолиза. При этом используются запас мышечного гликогена, а также глюкоза, поступающая из крови; вклад усиливающегося окислительного обмена невелик. Когда изолированная утомленная мышца стимули-

1420

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

мышечный _ молочная

гликоген *" кислота крови

I / \

глюкоза крови - гликоген печени + СО,

Рис. 36.10. Превращение углеводов — источник энергии для мышечного сокращения. Молочная кислота, образующаяся прн сокращении мышцы, диффундирует в кровь и превращается в печени в гликоген, при этом используется АТР, образующийся при окислении части молочной кислоты. Этот гликоген является источником глюкозы крови, используемой для синтеза мышечного гликогена. Таким образом, источником энергии для мышечного сокращения является процесс окислительного фосфорилирования в печени.

руется in vitro прерывистыми стимулами ь аэробных условиях, она освобождает молочную кислоту в период сокращения и ре-синтезирует из нее значительную часть гликогена в последующей фазе отдыха. Энергию для ресинтеза поставляет окисление определенной доли молочной кислоты, достаточное для образования необходимого количества АТР. Однако этот механизм окислительного ресинтеза не наблюдается in vivo. In vitro молочная кислота, образующаяся во время сокращения, вновь поступает в мышцу в период покоя. In vivo молочная кислота диффундирует в интерстициальную жидкость и уносится током крови в печень. Здесь большая ее часть утилизируется для синтеза гликогена. Синтез осуществляется за счет АТР, образующегося при окислении примерно '/б утилизируемой молочной кислоты. Образовавшийся гликоген либо сохраняется в печени, либо превращается в глюкозу крови. Эта серия реакций показана на рис. 36.10.

Способность мышцы развивать максимальную активность в анаэробных условиях приводит к возникновению кислородной задолженности. Это можно проиллюстрировать следующим примером. Спринтер, бегущий с максимальной скоростью, за 10 с потребляет около 1 л кислорода, в то время как в период покоя он потребляет 40 мл 02 за такое же время. После остановки атлет в течение некоторого времени продолжает дышать с повышенной, хотя и постепенно уменьшающейся скоростью. В этот период он поглощает дополнительно 4 л 02 (по сравнению с потреблением в период покоя). Таким образом, усилия, связанные с бегом, приводят к суммарному сверхпоглощению 5 л кислорода, около 4/б которого потребляется после прекращения бега. Этот кислород используется для окисления такого количества молочной кислоты, которое необходимо, с одной стороны, для превращения оставшейся молочной кислоты в гликоген, а с. другой — для восстановления нормальной концентрации креатинфосфата. В конечном счете вся энергия для мышечной работы поступает за счет окис-

36. МЫШЦА

1421

ления ацетоацетата и углеводов. Поскольку количество энергии, расходуемой при интенсивной мышечной работе, больше, чем то, которое могут поставить в период работы окислительные процессы, возникает кислородная задолженность; она должна погашаться в восстановительный период. Следует отметить, что, по существу, часть энергии для мышечной работы поставляют окислительные процессы, происходящие в печени.

Выполнение мышцами механической работы автоматически ускоряет функционирование химического аппарата, снабжающего мышцу энергией. ADP, освобождающийся при сокращении, используется в качестве акцептора как при митохондриальной окислительном фосфорилировании, так и для двух генерирующих энергию стадий гликолиза. Часть ADP превращается в АМР адени-латкиназой; АМР является положительным эффектором фосфофруктокиназы (разд. 14.4.2.1) и, следовательно, может ускорять гликолиз. Освобождающийся при гидролизе АТР неорганический фосфат в свою очередь оказывается доступным для митохондрий, а также для триозофосфатдегидрогеназы и гликогенфосфорилазы. Поскольку уровень ADP и неорганического фосфата является лимитирующим фактором, определяющим скорость метаболических процессов в покоящейся мышце, то наблюдаемое ускорение этих процессов в работающей мышце является элегантным примером саморегуляции в биологической системе.

В то время как ранее сокращавшаяся или утомленная мышца получает необходимую для работы энергию главным образом за счет анаэробного превращения глюкозы или гликогена в молочную кислоту, покоящаяся мышца, а также мышца с мощным окислительным метаболизмом получают значительную часть требуемой энергии за счет окисления жирных кислот и ацетоацетата.

Покоящаяся мышца потребляет относительно небольшие количества глюкозы. Относительно медленные сокращения гладких мышц обеспечиваются энергией за счет окисления жирных кислот, ацетоуксусной кислоты и в меньшей степени глюкозы. Сердечная мышца, которая богата миоглобином, ферментами цикла трикарбоновых кислот и имеет развитую систему электронного транспорта, использует для пополнения запаса АТР, расходуемого при сокращении, в основном аэробные реакции. При этом главным субстратом окисления в сердечной мышце являются жирные кислоты; глюкоза используется в относительно небольших количествах. В период нагрузки, когда обмен в скелетной и сердечной мышцах ускоряется, увеличивается утилизация глюкозы крови сердечной мышцей; она использует также лактат, поступающий в кровяное русло из периферических мышц; утилизация жирных кислот при этом увеличивается незначительно.

Характер метаболизма мышц проявляется и в их функциональных свойствах. Например, «быстро утомляемые мышцы»

1422

IV. ЖИДКАЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА

часто сокращаются быстрее и имеют большую АТРазную активность (в расчете на 1 моль миозина); при этом следует иметь в