В завершение еще раз отметим, что образование АТФ в митохондриях возможно только в случае, когда процессы тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования сопряжены (связаны) между собой, разобщение этих процессов означает прекращение выработки АТФ, что для организма недопустимо. Разобщителями могут быть некоторые лекарства, а также некоторые метаболиты, образующиеся в организме в высоких концентрациях.
Однако в некоторых случаях такое разобщение является биологически выгодным для организма. В качестве разобщителя указанных процессов выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Известно, что медведи, впадая в зимнюю спячку, запасают жиры как основной источник образования АТФ. При этом часть (около 3%) запасаемого жира имеет бурый цвет. Митохондрии бурого жира устроены таким образом, что процессы тканевого дыхания и процесс окислительного фосфорилирования разобщены, а поэтому вся энергия, высвобождающаяся в процессе тканевого дыхания рассеивается в виде тепла, и энергия АТФ не вырабатывается (ее производят митохондрии белого (обычного) жира. Таким образом, митохондрии белого жира производят необходимую для жизнедеятельности организма медведя АТФ, митохондрии же бурого жира обеспечивают его теплом, создавая комфортные условия для зимней спячки. Оказывается, бурый жир также в небольших количествах (24%) присутствует у новорожденных. Для чего «природа» предусмотрела наличие бурого жира у младенцев? Также для теплообразования и поддержания температуры тела. Теплообразование в организме новорожденного путем сокращения скелетных мышц невозможно (организм младенца еще не подготовлен), поэтому и природа позаботилась о другом источнике теплообразования за счет работы митохондрий бурого жира.
Природа создала, как мы видим, очень сложную «машину» для выработки энергии, необходимой для жизнедеятельности организма. Надежна ли работа этой машины? Какие «поломки» присущи этой «молекулярной машине», снабжающей наш организм энергией?
Образование АТФ тонко регулируемый организмом сложнейший процесс, и рассмотрение нарушений этого процесса, конечно, выходит за рамки нашего научно-популярного повествования о холестериновом атеросклерозе как главном предмете книги. Что касается главной «поломки» сложного устройства выработки энергии, благодаря которой мы живем, то таковой является недостаточное наличие одного из компонентов «топлива» кислорода. Как работает сердце при наличии в коронарных сосудах атеросклеротической бляшки главного виновника дефицита кислорода, мы обсудим ниже, предварительно рассмотрев «применение» АТФ на примере работы мышц.
В заключение этого параграфа отметим, что Ханс Адольф Кребс выдающийся немецко-английский биохимик, уволенный в свое время из Фрайбургского университета из-за еврейского происхождения, несомненно внес огромный вклад в понимание функционирования человеческого организма. В своей Нобелевской речи Кребс отметил, что «наличие одного и того же механизма образования энергии у всех живых существ позволяет сделать два вывода. Во-первых, этот механизм возник на ранних этапах эволюции и, вовторых, жизнь в ее настоящем виде зародилась лишь однажды».
АТФ и работа сердечной мышцы
Итак, мы рассмотрели в общем виде процесс образования АТФ. Энергия АТФ используется для осуществления самых разнообразных метаболических процессов, составляющих суть жизнедеятельности нашего организма. Рассмотрим применение АТФ на примере работы мышц и покажем, каким способом энергия химических связей АТФ преобразуется в механическую работу, которая обеспечивает «движение» в нашем организме. Мышечная ткань состит из мышечных волокон. В состав мышечных волокон входят миофибриллы, состоящие из саркомеров. Каждый саркомер содержит два типа белковых филаментов: тонкие филаменты состоят из белка актина, толстые филаменты состоят из белка миозина. В цетральной части сарокомера расположены толстые миозиновые нити, имеющие стержень и головки, а на обоих концах саркомера находятся тонкие актиновае нити, прикрепленные к Z-дискам саркомера. Кроме указанных белков аппарат миофибрилл содержит еще регуляторный белок тропонин и структурный белок тропомиозин, функцию которых отметим ниже. Так каков же механизм сократительных движений мышц? Он заключается во взаимодействии актиновых и миозиновых нитей и скольжении вдоль друг друга. Рассмотрим его суть.
В расслабленной мышце актиновые нити входят в пространство между миозиновыми нитями, но не контактируют друг с другом. Отсутствие взаимодействия объясняется тем, что тропомиозин структурный белок актиновой нити обволакивает ее и препятствует взаимодействию с миозином.
Инициация сокращения обеспечивается приходом нервного импульса (потенциала действия на двигательный нерв). Это приводит к высвобождению ацетилхолина биохимического медиатора, передающего сигнал от нейрона на мышцу и запускающего цепочку реакций, способствующих образованию актомиозинового комплекса и высвобождению энергии АТФ. Каким образом? Ацетилхолин способствует выходу ионов кальция, и если в расслабленном состоянии, как мы отметили, контакт между нитями блокируется тропомиозином, то с открытием кальциевых каналов часть кальция присоединяется к тропонину, вызывая его структурное изменение таким образом, что открывается доступ к миозину. Головки миозина прикрепляются к актиновым нитям, образуя актомиозиновый комплекс, который и является универсальным двигателем для реализации мышечных сокращений. Чем же примечателен этот комплекс? Как этот «двигатель» потребляет энергию АТФ? Оказывается, что головкимиозина обладают АТФ-азной активностью, то есть способностью расщеплять молекулу АТФ с высвобождением энергии: АТФ + Н2О = АДФ+ Н3РО4 + энергия. Число митохондрий, расположенных цепочками вдоль миофибрилл, в которых вырабатывается энергия АТФ, очень велико. Активные центры АТФ-азы расположены на головках молекулы миозина, которые, собственно, и ответственны за «механизм скольжения», поскольку за счет высвободившейся энергии происходит скольжение тонких нитей актина вдоль толстых нитей миозина.
Взаимодействие головки миозина с активным участком молекулы актина называют циклом поперечного мостика. Такой цикл происходит многократно. При этом каждый миозин захватывает и тянет новый участок актина. Именно такое многократное повторение замыкания-размыкания мостика вызывает выраженное укорчение саркомера и генерирует большую силу, при этом миозиновые и актиновые нити не изменяют своей длины.
Таким образом, мышечное сокращение начинается со связывания ионов кальция с регуляторным белком тропонином, в результате чего обнажается участок связывания миозина с актином. Присоединение актина к миозину мгновенно увеличивает АТФ-азную активность миозина, в результате чего происходит расщепление АТФ с высвобождением энергии, которая и обеспечивает движение миозиновых головок, сходных с опусканием весел лодки в воду (захват воды).
Итак, благодаря АТФ-азной активности миозина химическаяэнергия макроэргических связей АТФ превращается в механическую энергию мышечного сокращения.
Механизм сокращения миокарда существенно не отличается от рассмотренного нами выше «механизма скольжения» актиновых и миозиновых нитей. Клетка кардиомиоцита содержит ядро, знакомую нам митохондрию и миофибриллы. Функцию митохондрии мы уже знаем в ней вырабатывается энергия АТФ. Кто является потребителем этой энергии в кардиомиоците? Основным потребителем энергии является сократительный аппарат, организованный также в виде рассмотренных выше миофибрилл, обеспечивающих, как мы показали выше, сокращение мышцы, а таким образом, насосную функциюмиокрда. В отличие от скелетной мышцы, сокращение сердечной не зависит от внешней иннервации, сердечная мышца обладает автоматией способностью сердца ритмично сокращаться независимо от каких-либо внешних раздражителей. Это означает, что импульс, запускающий процесс сокращения, возникает в самом сердце, тогда как к скелетным мышцам он приходит к двигательным нервам из центральной нервной системы.
Для поддержания сократительной способности миокарда необходим кальций. Кальций является важнейшим фактором в регуляции силы сокращения миокарда. В сердечной мышце обмен кальцием более сложен по сравнению со скелетной, однако такие подробности мы опустим.
Итак, мы рассмотрели механизм мышечного сокращения. Разумеется, что здесь не ставилась задача детального рассмотрения этого процесса. Главная задача показать пример использования энергии АТФ, образованию которой в митохондриях мы уделили много места. Если сравнить работу автомобильного двигателя и рассмотренного здесь сократительного мышечного аппарата, то свечу зажигания можно уподобить ферменту миозиновой «головки» актомиозинового комплекса. Подобно тому как свеча в нужный момент образует искру, которая воспламеняет горючую смесь и образует энергию взрыва, приводящую в движение поршни, миозиновая «головка» после поступления нервного импульса и ионов кальция гидролизует АТФ с высвобождением энергии, которая используется для изменения конформации головки миозина и последующего «механизма скольжения» механизма мышечного сокращения. Ресинтез расходуемой в скелетных мышцах АТФ осуществляется за счет креатинфосфата, который образуется из АТФ и креатина в период расслабления мышцы, когда потребность в АТФ снижается. В период сокращения мышцы и потребности в АТФ фосфорильный остаток с креатинфосфата переносится на АДФ, в результате чего синтезируется АТФ. Креатин при этом превращается в креатинин. Ресинтез АТФ из креатинфосфата осуществляется буквально за доли секунды, обеспечивая мышце восстанавливать энергетику в процессе сокращений. Заметим здесь, что креатинурия (повышенное выделение с мочой креатина) является признаком патологического состояния мышечной ткани.