Аэробный и анаэробный метаболизм

Клеточный обмен веществ – это процесс превращения жиров, углеводов и белков в энергию, необходимую клеткам. Во время этого процесса энергия накапливается в высокоэнергетических фосфатных молекулах – аденозинтрифосфате (АТФ). Процесс образования АТФ должен быть непрерывным, поскольку организм не способен долго хранить эти молекулы (2–3 секунды). В процессе производства АТФ существуют два основных пути – аэробный (с участием О₂) и анаэробный (без участия О₂).

Анаэробный АТФ-креатинфосфатный путь опосредует энергообеспечение мышечных сокращений около 10 секунд

и обеспечивает осуществление «взрывных» физических упражнений (ускорение 50–100 м). При этом для образования АТФ кислород не используется, и не образуется молочная кислота (анаэробный алактатный путь). Вначале расщепляется АТФ, депонированный в мышечной ткани (2–3 секунды), далее «включается» имеющееся в мышечных клетках вещество креатинфосфат, запасов которого хватает на образование дополнительного АТФ (еще 6–8 секунд). При истощении физиологических резервов АТФ и креатинфосфата организм способен получать энергию за счет производства АТФ другими путями.

Анаэробный гликолиз обеспечивает синтез АТФ исключительно за счет углеводов. В качестве субстрата выступает глюкоза, циркулирующая в крови и депонированная в мышечную ткань в виде гликогена. Расщепление глюкозы (гликолиз) происходит без О₂, при этом образуется молочная кислота (лактатный путь). При мышечном сокращении организм использует глюкозу, находящуюся в крови, и запасы гликогена.

Анаэробный гликолиз продуцирует энергию для коротких высокоинтенсивных мышечных всплесков активности, продолжающихся 2–3 минуты, так как накопление молочной кислоты, доходя до пороговых значений (порог лактата, порог анаэробного обмена), сопровождается мышечной болью, жжением, усталостью.

Аэробный метаболизм обеспечивает образование энергии при длительной двигательной деятельности умеренной либо низкой интенсивности. В этом случае образование АТФ осуществляется с использованием О₂. Данный вид энергопродукции медленнее, чем анаэробный путь, так как зависит от производительности дыхательной и сердечно-сосудистой систем, транспортирующих О₂ к работающим мышцам, однако он имеет практически неограниченные запасы питательных веществ и производит наибольший объем АТФ.

При аэробном обмене для производства АТФ используются углеводы, жиры и белки, окисление которых происходит в «клеточных легких» – митохондриях. При расщеплении углеводов используются запасы гликогена, при этом полное окисление 1 молекулы глюкозы через ряд последовательных реакций (аэробный гликолиз, цикл Кребса, цепь транспорта электронов) продуцирует 36 молекул АТФ, что в 18 раз больше, чем при анаэробном гликолизе.

Жиры, депонированные в форме триглицеридов под кожей и в скелетной мускулатуре, являются другим основным «топливом» аэробного метаболизма. Вначале триглицериды расщепляются на свободные жирные кислоты и глицерин (липолиз), а далее свободные жирные кислоты окисляются в митохондриях с конечным выделением Н₂О и АТФ. Следует отметить, что расщепление свободных жирных кислот дает гораздо большее число молекул АТФ, чем расщепление глюкозы (например, расщепление пальмитиновой кислоты обеспечивает образование 129 молекул АТФ).

В редких случаях, при тяжелой физической работе, когда запасы углеводов истощаются, а процент жировых отложений минимален, то «последним средством» в производстве АТФ могут быть белки. Они способны обеспечить до 18 % общей потребности энергии. Основные компоненты белка – аминокислоты – могут быть либо превращены в глюкозу (глюконеогенез), либо в другие источники, используемые в цикле Кребса.

Во время нагрузки организм зачастую использует все метаболические пути. В начале работы АТФ продуцируется посредством анаэробного креатинфосфатного пути. С увеличением частоты дыхания и сердечных сокращений к мышцам поступает больше кислорода и «запускается» аэробный обмен. Если при работе в аэробном режиме интенсивность нагрузки растет, а поток кислорода в мышцы не удовлетворяет их потребность в О₂, производство энергии начинает осуществляться путем анаэробного гликолиза, в процессе которого в мышечных волокнах накапливается молочная кислота, и при достижении порога лактата организму приходится снижать интенсивность для удаления молочной кислоты, что обусловливает переход работы мышц в аэробный режим.