Энергия в человеке

Цитата

Правильно ли будет считать, что для выработки энергии, которая используется для согращения и/или напряжения мышц, требуется кислород и калории (еда)?

Заметки на полях:
1. Живой организм представляет собой "химическую машину"
2. Для подавляющего большинства энергозатратных реакций в организме требуется "химическая" энергия в виде высокоэнергетического соединения - АТФ.
3. Механизм энергозависимой реакции как правило заключается в том, что при взаимодействии АТФ с молекулой фермента происходит изменение конформации и пространственной структуры фермента, последний активируется и совершает необходимую работу (катализирует реакцию, переносит ионы через мембрану и т п)
4. АТФ образуется в результате ферментативных реакций энергетического метаболизма, включающего расщепление углеводов, жиров, белков и др. соединений (фосфолипиды, гликолипиды). Эукариоты (за редким исключением) используют кислород в качестве конечного акцептора восстановительных эквивалентов.

А теперь - краткий курс биохимии.
СПОЙЛЕРЫ

Сократительные белки актин и миозин образуют в миофибриллах тонкие и толстые миофиламенты. Они располагаются параллельно друг другу внутри мышечной клетки крошечного участка мышечного волокна человека.
Миофибриллы представляют собой сократимые пучки «нитей» (филаментов) диаметром около 1 мкм. Перегородки, называемые Z-пластинками, разделяют их на несколько компартментов - сарко-меров - длиной примерно по 2,5 мкм.
С помощью светового микроскопа в них можно видеть регулярно чередующиеся поперечные светлые и темные полосы. Согласно теории Хаксли и Хансон , такая поперечная полосатость миофибрилл обусловлена особым взаиморасположением актиновых и миозиновых филаментов. Середину каждого саркомера занимают несколько тысяч «толстых» нитей миозина диаметром примерно по 10 нм. На обоих концах саркомера находятся около 2000 «тонких» (толщиной по 5 нм) нитей актина, прикрепленных к Z-пластинкам наподобие щетинок в щетке. Пучок лежащих в определенном порядке миозиновых нитей длиной 1,6 мкм в середине саркомера выглядит в световом микроскопе темной полосой шириной 1,6 мкм; из-за свойства двойного лучепреломления в поляризованном свете (т. е. анизотропии) она называется А-диском. По обе стороны от А-диска находятся изотропные участки, содержащие только тонкие нити и поэтому выглядящие светлыми; эти так называемые l-диски тянутся до Z-пластинок. Именно в результате такого периодического чередования светлых и темных полос в бесчисленных саркомерах миофибриллы сердечной и скелетной мускулатуры выглядят поперечнополосатыми.
В покоящейся мышце концы толстых и тонких филаментов обычно лишь слабо перекрываются на границе между А- и l-дисками. Эта зона перекрывания в А-диске выглядит в световом микроскопе гораздо темнее центральной Н-зоны, в которой нет актиновых нитей. На электронных микрофотографиях Н-зоны видна очень тонкая темная М-линия в середине саркомера - сеть опорных белков, по-видимому, удерживающих толстые нити в составе единого пучка.
Мышца сокращается в результате укорочения множества последовательно соединенных саркомеров в миофибриллах. Сравнивая структуры саркомера в двух различных функциональных состояниях, можно видеть изменения поперечной исчерченности и взаиморас¬положения нитей во время сокращения: тонкие актиновые филаменты скользят вдоль толстых миозиновых, двигаясь между ними к середине их пучка и саркомера.
Длина нитей не меняется и при растяжении мышцы. Тонкие филаменты попросту вытягиваются из промежутков между толстыми нитями, так что степень перекрывания их пучков уменьшается.
Каким же образом осуществляется «разнонаправленное скольжение» актиновых нитей в двух половинах саркомера?
Миозиновые нити несут поперечные, отходящие биполярно, выступы длиной около 20 нм с головками примерно из 150 молекул миозина. Во время сокращения каждая головка (поперечный мостик) может связывать миозиновую нить с соседними актиновыми. Движение головок создает объединенное усилие, как бы «гребок», продвигающий актиновые нити к середине саркомера. Сама биполярная организация молекул миозина обеспечивает противоположную направленность скольжения актиновых нитей в левой и правой половинах саркомера.
В результате однократного движения поперечных мостиков вдоль актиновой нити саркомер укорачивается только на 2 х 10 нм, т.е. примерно на 1% своей длины. Однако при изотоническом сокращении мышцы лягушки саркомеры за десятую долю секунды укорачиваются на 0,4 мкм, т. е. на 20% длины. Для этого поперечные мостики должны совершить свои гребковые движения за указанный промежуток времени не один, а 20 раз. Только за счет ритмичных отделений и повторных прикреплений миозиновых головок актиновая нить может подтягиваться к середине саркомера, подобно тому как группа людей тянет длинную веревку, перебирая ее руками. Благодаря суммации минимальных укорочений миофибрилл в последовательно расположенных саркомерах мышца лягушки длиной 2 см при изотоническом сокращении за 0,1с поднимет маленький груз на высоту 0,4 см. Следовательно, когда принцип «вытягивания веревки» реализуется во множестве последовательных саркомеров, повторяющиеся молекулярные движения поперечных мостиков приводят к макроскопическому движению. При расслаблении мышцы миозиновые головки отделяются от актиновых нитей. Поскольку актиновые и миозиновые нити могут легко скользить друг относительно друга, сопротивление расслабленных мышц растяжению очень низкое. Их можно снова растянуть до исходной длины, приложив совсем небольшое усилие. Следовательно, удлинение мышцы во время расслабления носит пассивный характер. Только что описанные движения поперечных мостиков недавно были продемонстрированы на молекулярном уровне методом дифракции рентгеновских лучей (их малоугловое рассеивание сократившейся мышцей с временным разрешением порядка нескольких миллисекунд).
Благодаря упругости поперечных мостиков саркомер может развивать силу даже без скольжения нитей относительно друг друга, т. е. в строго изометрических экспериментальных условиях. Сначала головка миозиновой молекулы (поперечный мостик) прикрепляется к актиновой нити под прямым углом. Затем она наклоняется под углом примерно 45°, возможно, благодаря притяжению между соседними точками прикрепления на ней и на актиновой нити. При этом головка действует как миниатюрный рычаг, приводя внутреннюю упругую структуру поперечного мостика (видимо, «шейки» между головкой и миози¬новой нитью) в напряженное состояние. Возникающее в результате упругое растяжение достигает лишь около 10 нм. Упругое натяжение, создаваемое индивидуальным поперечным мостиком, так слабо, что для развития мышечной силы, равной 1 мН, нужно объединить усилия по крайней мере миллиарда таких соединенных параллельно мостиков. Они будут тянуть соседние актиновые нити, как команда игроков тянет канат.
Даже при изометрическом сокращении поперечные мостики ие находятся в непрерывно напряженном состоянии (это наблюдается только при трупном окоченении). На самом деле каждая миозиновая головка уже через сотые или десятые доли секунды отделяется от актиновой нити; однако через такое же короткое время следует новое прикрепление к ней. Несмотря на ритмичное чередование прикреплений и отделений с частотой порядка 5-50 Гц, сила, развиваемая мышцей в физиологических условиях, остается неизменной (исключение - летательные мышцы насекомых), так как статистически в каждый момент времени в прикрепленном, обусловливающем напряжение, состоянии находится одно и то же количество мостиков.

Окончание.

СПОЙЛЕРЫ

Мышца, поддерживающая определенное сократительное напряжение в изометрических условиях, отличается от сокращающейся изотонически тем, что не выполняет внешней работы (произведение силы на расстояние равно нулю). Однако в каждом цикле прикрепления - отделения поперечных мостиков совершается внутренняя работа по растяжению их упругих структур, которая преобразуется в тепло в момент отсоединения миозиновых головок. Теплота изометрического сокращения («изометрическая работа») за единицу времени возрастает с увеличением количества функционирующих поперечных мостиков и частоты «гребков», требующих расхода АТФ. Каким образом мышца преобразует химическую энергию в механическую? Вероятно, это важнейший вопрос современных молекулярных исследований мышц.
Справедливость такого вывода не вызывает сомнений с тех пор, как было продемонстрировано гидролитическое расщепление АТФ до АДФ и фосфата во время сокращения мышцы. Все другие высвобождающие энергию реакции в ней, например аэробное и анаэробное расщепление углеводов и распад креатинфосфата, не обеспечивают этот процесс непосредственно; они служат только для непрерывного воспроизводства главного «топлива»-АТФ. Скорость расщепления АТФ во время сокращения можно измерить только в условиях блокады ресинтеза АТФ соответствующими метаболическими ядами. Изолированные мышцы лягушки, быстро замороженные жидким азотом на максимуме вызванного одиночным стимулом изотонического сокращения, содержат в среднем лишь 2,6 мкмоль АТФ на 1г сырой массы, тогда как контрольные мышцы, не подвергавшиеся стимуляции,- 2,9 мкмоль. Вместо израсходованного АТФ появляется эквивалентное количество (0,3 мкмоль) продуктов реакции - АДФ и фосфата. Таким образом, расщепление 0,3 мкмоль АТФ обеспечило энергию для изотонического сокращения и выделение тепла.
АТФ гидролитически расщепляется и за счет этого энергетически используется в мышце с помощью особого фермента АТФазы миозина, причем этот процесс активируется актином. Актин и миозин, как говорилось выше, представляют собой белковые структуры, прямо участвующие в механическом сокращении, а АТФ - единственное вещество в мышце (исключение составляют только редкие нуклеозидтрифосфаты), которое ими может непосредственно утилизироваться. Веберу и Портцелю удалось получить гелеобразные сократительные нити актина и миозина (актомиозиновые нити), способные сокращаться так же, как живые мышцы, используя АТФ (только АТФ!) в качестве источника энергии. Это подтверждает непосредственное участие АТФ в мышечном сокращении.
Сейчас известно, что миозиновые головки, взаимодействующие с актином, сами содержат каталитически активные центры для расщепления АТФ. АТФаза миозина активируется актином в присутствии Mg2+. Следовательно, при физиологическом ионном составе среды, т.е. в присутствии Mg2+, АТФ расщепляется, высвобождая АДФ и фосфат, только в случае прикрепления головки миозина к активирующему белку-актину. (В отсутствие актина образующийся АДФ не высвобождается, а блокирует на несколько секунд каталитический центр миозина и, таким образом, дальнейшее расщепление АТФ.) В каждом цикле прикрепления-отделения поперечного мостика АТФ расщепляется только один раз (вероятно, одна молекула на каждый мостик). Следовательно, чем больше мостиков находится в активном состоянии, тем выше скорость расщепления АТФ и сила, развиваемая мышцей; значит, эта скорость (интенсивность метаболизма), как правило, пропорциональна силе, развиваемой мышцей.
Скорость мышечного сокращения тем выше, чем быстрее движутся поперечные мостики, т.е. чем больше «гребков» они совершают в единицу времени. В результате быстрые мышцы потребляют в единицу времени больше и сохраняют при тоническом напряжении меньше АТФ (энергии), чем медленные. Поэтому для поддержания позы используются преимущественно медленные мышечные волокна (типа I), богатые миоглобином, а для быстрых движений бедные им «белые» (типа ИВ) или светлые (типа НА) волокна.
Механизм, с помощью которого донор энергии-молекула АТФ - обеспечивает перемещение поперечного мостика, интенсивно изучается. По-видимому, АТФ связывается с поперечным мостиком после завершения «гребка», давая энергию для разделения взаимодействующих сократительных белков - актина и миозина. Почти сразу же после этого миозиновые головки отделяются от актина, а АТФ расщепляется до АДФ и фосфата. Продукты гидролиза остаются на короткое время связанными с каталитическим центром, что необходимо для нового присоединения поперечного мостика к актину и следующего генерирующего силу «гребка», во время которого происходит высвобождение АДФ и фосфата. Затем для отделения поперечного мостика с ним должна связаться новая молекула АТФ и начинается новый цикл. Ритмичная активность поперечных мостиков, т. е. циклы их прикрепления к актину и отсоединения от него, обеспечивающие мышечное сокращение, возможны только при гидролизе АТФ, а значит, при активации АТФазы. Если расщепление АТФ блокировано, мостики не могут прикрепляться к актину, сопротивление растяжению и сила мышечных волокон падают до нуля и мышца расслабляется. При гибели организма содержание АТФ в клетках снижается; когда оно переходит критический уровень, поперечные мостики остаются устойчиво прикрепленными к актиновой нити (пока не произойдет автолиз). При этом нити актина и миозина прочно соединены друг с другом, и мышца находится в состоянии трупного окоченения (rigor mortis). Анализ условий, обеспечивающих сокращение, ригидность и расслабление основан на изучении «изолированных сократительных систем».
Чтобы выяснить роль АТФ в сокращении и расслаблении, Вебер и др. сначала удаляли из мышечных волокон весь эндогенный АТФ (например, путем экстрагирования водным раствором глицерола, что делает мембрану проницаемой для АТФ). Такие волокна ригидны, но при погружении в раствор АТФ вновь приобретают мягкость и растяжимость. Однако, если активность АТФазы подавлена, они останутся расслабленными и, подобно упомянутым выше искусственным актомиозиновым нитям, будут сокращаться только при активации АТФазы. Повторное подавление активности АТФазы снова вызывает расслабление этих «модельных волокон».