YADO.GO.RO - CULTURISM, ALIMENTAŢIE, ANATOMIE ŞI FIZIOLOGIE LOCOMOTORIE, SOMATOMETRIE, OBEZITATE...

Metabolismul muşchiului striat

       Muşchiul striat este cel mai mare consumator de substanţe nutritive şi oxigen al organismului. Energia pe care o consumă în timpul travaliului provine din hidroliza acidului adenozintrifosforic (ATP), cu formare de acid adenozindifosforic (ADP) şi o grupare fosfat liberă.
       a. Consumul de oxigen şi sursele de energie ale muşchiului. Refacerea depozitelor de ATP are loc cu consum de oxigen. Acesta depinde de condiţiile externe (temperatură) sau interne (starea de efort, repaus, hrănire); în repaus, la condiţii termice externe normale (18 – 20^o), se consumă cam 1,7 micromoli de oxigen pe kilogramul de ţesut (circa 10% din oxigenul consumat de organism), pe când în timpul unui efort crescut, muşchiul este consumatorul a 180 de micromoli de oxigen pe kilogramul de ţesut, ceea ce reprezintă aproape 70% din totalul de oxigen consumat de organism.
       Între nivelul respiraţiei tisulare şi raportul ADP/ATP se stabileşte un mecanism reglatoriu de tip conexiune inversă pozitivă (pozitive feed-back). Asta înseamnă că, odată cu intensificarea hidrolizei ATP, se intensifică şi respiraţia, deşi cantitatea de oxigen pe care muşchiul o poate primi este sub necesar (din cauza contracţiei intense, capilarele sanguine sunt comprimate). Totuşi, acesta îşi poate continua travaliul o perioadă diferită de timp, cu energie proprie, la diferite intensităţi, după care cedează.
       Principala magazie de oxigen este mioglobina. Proteină globulară, asemănătoare structural – fiziologic hemoglobinei, aceasta acumulează oxigen în timpul relaxării musculare, pe care-l cedează la efort. Viteza cu care mioglobina poate reţine şi va elibera oxigen este de ordinul unei sutimi de secundă, ceea ce o face foarte eficientă în cazul eforturilor intense.
       Drept hrană, muşchiul ar putea utiliza rezervele de glicogen, dar timpul prea lung în care acesta poate fi convertit, îl face ineficient. Mai rapidă este calea de descompunere a ATP, care are trei legături fosfat puternic macroergice (prin scindarea unui mol de ATP rezultă rapid cam 9000 – 10000 de calorii).
       Necesarul energetic al unei persoane este de:
       - circa 5000 de calorii pe zi pentru perioadele de efort fizic intens (~ 70 de calorii pe kilocorp);
       - circa 1700 – 2000 de calorii pe zi pentru perioadele de repaus total (~ 25 de calorii pe kilocorp).
       Energia pe care o solicită muşchiul în timpul eforturilor se împarte în:
       - energie de activare, potenţială, depozitată sub forma creatinfosfatului, CF (CP), utilizată pentru depolarizarea membranelor şi eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmic;
       - energie de contracţie (circa 2/3 din necesar), cu care se realizează alunecarea filamentelor de actină pe lângă cele de miozină; contracţiile izotonice consumă mult mai mult decât cele izometrice;
       - energie de relaxare, responsabiă de reintroducerea ionilor de calciu în reticul.
       În repaus funcţional, energia potenţială este stocată sub formă de creatinfosfat (se găseşte în proporţie de 3mg/gramul de muşchi), sau ATP (~0,2 – 0,5 mg/ gram).
       b. Reacţii biochimice în timpul contracţiei musculare. Momentul incipient al contracţiei musculare îl constituie interacţiunea ATP cu actomiozina, în prezenţa ionilor de calciu. Se formează un complex tranzitoriu de miozinadenozintrifosfat, prin legarea fiecărei molecule de MMG (meromiozină grea) la câte două molecule de ATP, una la locul de glisare:
       1. Miozină + ATP –> miozinadenozintrifosfat
       iar cealaltă responsabiă cu producerea de energie:
       2. Miozină-P+ Actină –> actomiozină + P + energie liberă (contracţie);
       3. Actomiozină + ATP –> miozinadenozintrifosfat + actină
       Cantitatea de ATP din muşchi este destul de redusă, dar de ajus pentru a susţine o contracţie teatnică de 20 de secunde.
       Regenerarea ATP se face pe mai multe căi, dependente de intensitatea efortului:
       a. în cazul eforturilor bruşte, intense şi scurte, ATP este refăcut prin scindarea creatinfosfatului (care depozitează cam 8500 de kcal per mol):
       - CF + ADP – fosfocreatinkinază–> ATP + creatină, în repaus, având loc şi reacţia inversă; o altă cale de refacere a a cantităţii de ATP este prin scindarea în continuare a ATP rămas, eliberându-se o grupare fosfat macroergică, transferabilă altei molecule de ADP:
       - 2 ADP <–adenilatkinază–> ATP + AMP, prin reacţia inversă putându-se reconstitui ADP.
       Acidul adenozinmonofosforic (AMP) rezultat blochează transformarea ADP în ATP, fiind repede înlăturat din sistem prin dezaminare (rezultă IMP, acidul inozinmonofosfat)
       Ambele căi produc rapid ATP, putând elibera circa 750 de calorii pe kilogramul de muşchi pe minut.
       b. pentru obţinerea energiei necesară relizării eforturilor de lungă durată (anduranţă), muşchiul utilizează glicoliza şi glicogenoliza. Principala sursă energetică devine glucoza, sau polimerul său, glicogenul.
       În regim anaerob, glicogenul este scindat conform ciclului Embden – Mayerhof – Parnas (EMP):
       - Într-o primă etapă, glicogenul este fosforilat (este îmbogăţit cu o grupare fosfat), formându-se esterul Cori (esterul este un compus rezultat prin interacţiunea unui acid asupra unui alcool, sau asupra unui precursor al acestuia):
       glicogen + fosfat –> ester glucoz-1-fosforic (Ester Cori), unde sursa de glicogen este muşchiul, sursa de fosfat o reprezintă fosfaţii anorganici, iar enzima catalizatoare (substanţă de sorginte proteică, participantă la o reacţie, pe care o declanşează sau o înlesneşte) este fosforilaza;
       - Transfosforilarea esterului Cori, cu formare de ester Robison:
       ester glucoz-1-fosforic + fosfat –> ester glucozo-1-6-difosforic (ester Robison), unde enzima este fosfoglucomutaza, iar sursa de fosfor pentru formarea fosfat-enzimei este ATP;
       - Izomerizarea esterului Robison, cu formarea esterului Neuberg:
       ester glucozo-1-6-difosforic –> ester fructozo-6-fosforic (esterul Neuberg); reacţia are loc sub acţiunea fosfohexoizomerazei şi este în echilibru la 70% ester glucozo-1-6-difosforic şi 3% ester fructozo-6-fosforic
       - Fosforilarea esterului fructozo-6-fosforic, cu formarea esterului Harden-Young:
       ATP +ester fructozo-6-fosforic –> ester fructozo-1-6-difosforic + ADP, unde catalizatorii sunt: enzima fosfofructokinaza şi ionii de Mg şi K. Reacţia este exergonică (în urma sa este eliberată o anumită cantitate de energie), ireversibilă (se produce doar într-un singur sens, revenirea la starea de dinaintea sa fiind practic imposibilă)
       - Scindarea esterului Harden-Young la triozofosfaţi (esteri Fischer):
       ester fructozo-1-6-difosforic –> D-gliceraldehid-3-fosfat + dioxiacetonfosfat, reacţie care are loc sub acţiunea aldolazei (fructozo-1,6-difosfatilaza)
       - Izomerizarea esterilor triozofosforici (Fischer) şi stabilirea echilibrarea lor:
       D-gliceraldehid-3-fosfat <–> dioxiacetonfosfat, sub acţiunea fosfotriozoizomerazei
       - Fosforilarea oxidativă a D-gliceraldehid-3-fosfatului la 1,3-difosfogliceraţi:
       D-gliceraldehid-3-fosfat <–> 1,3-difosfoglicerat, în prezenţa enzimelor: nicotinamiddinucleotid redus (NADH₂); nicotinamiddinucleotid (NAD), şi a fosfatului anorganic.
       - Transformarea 1,3-difosfogliceratului în 3-fosfoglicerat (ester Nielsen):
       1,3-difosfoglicerat <–> 3-fosfoglicerat, în prezenţa ionilor de Mg şi sub acţiunea 3-fosfogliceric-kinazei
       - Transformarea 3-fosfogliceratului în 2-fosfoglicerat, cu trecere prin faza de 2,3-difosfoglicerat:
       3-fosfoglicerat <–> 2-fosfoglicerat, unde 2,3-difosfogliceratul joacă rol de coenzimă (enzimă ajutătoare, care, cu o altă enzimă, alcătuieşte o „echipă enzimatică“), iar enzima este gluco-1,6-mutaza.
       - Formarea fosfoenolpiruvatului prin deshidratarea 2-fosfogliceratului:
        2-fosfoglicerat <–> fosfoenolpiruvat, în prezenţa ionilor de Mg şi a unei enolaze.
       - Defosforilarea fosfoenolpiruvatului, sub acţiunea piruvatkinazei:
       fosfoenolpiruvat –> piruvat, în prezenţa ionilor de Mg şi K
       - Trecerea piruvatului în lactat:
       piruvat + NADH₂ –> lactat + NAD.
       În urma parcurgerii acestei suite de reacţii menite să-i asigure muşchiului necesarul de energie pe cale anaerobă, are loc acumularea masivă de acid lactic. In paralel, energia disponibilă scade, muşchiul este inhibat şi nu mai răspunde impulsurilor nervoase. Pentru ceva timp rămâne într-o stare de supracontracţie, până la refacerea treptată a rezervelor energetice. Odată cu încetarea travaliului şi restabilirea unui aport de oxigen, muşchiul începe retroconversia acizilor lactic şi piruvic generaţi în urma anaerobiozei în glucoză.
       În timpul eforturilor intense şi prelungite, muşchii dotaţi preponderent cu fibre roşii pot consuma drept combustibil rezervele adipoase, după ce, în prealabil, acestea au fost transformate în acizi graşi liberi (AGL). Aceştia sunt oxidaţi prin mecanismul beta-oxidării (desfacerea de la catena-mamă a câte unui radical acetil).
       Totuşi, sursa esenţială de energie musculară rămâne sistemul CP(CF) – ATP, apoi glucoza rezultată din glicogenoliză, în cele din urmă rămânând acizii graşi liberi cu număr par de atomi de carbon.
       Acidul lactic poate fi metabolizat în două moduri: retroconversia în glucoză şi descompunerea la dioxid de carbon (OCO) şi oxid de hidrogen (HOH).
       a. Retroconversia acizilor lactic şi piruvic în glucoză are loc fie în muşchi, cu randament foarte scăzut, fie la nivel hepatic, cu randament mai ridicat (ciclul CORI).
       Faţă de oricare alt centru metabolic, muşchiul scheletic deţine întreg aparatul enzimatic necesar descompunerii acidului piruvic. Succesiunea de reacţii implicate în procesul metabolizării acestuia a fost grupată în cadrul ciclului Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici). Importanţa mare a acestei suite de reacţii rezidă din faptul că, în urma parcurgerii totale a lor, se ajunge la metabolizarea completă a resturilor glucidice, respectiv a piruvatului sau lactatului, dar mai ales prin legăturile avute cu degradarea carbohidraţilor, aminoacizilor şi acizilor graşi.
       Prin metabolizarea oxidativă a unei molecule de acid lactic rezultă cam 18 legături puternic energetice, sub formă de ATP, în timp ce, prin metabolizarea anaerobă rezultă numai 4 legături macoergice, dintre care 2 sunt utilizate în timpul procesului.
       a. Iniţierea ciclului Krebs are loc prin formarea acidului citric, din acetil-coenzima A (restul acetil provine prin metabolizarea acizilor graşi) şi acidul oxalacetic (care are ca precursor acidul lactic sau acidul malic, penultima verigă din ciclul Krebs). Prin condensare, rezultă acid citric şi coenzima A, care se poate recombina cu un rest acetil.
       b. Într-un stadiu următor, acidul citric izomerizează în acid izocitric. În timpul reacţiei, prin deshidratare (eliminearea grupării hidroxil de pe carbonul 2 şi a unui ion de hidrogen), sub acţiunea aconitazei, rezultă acidul cis-aconitic; prin rehidratare, sub acţiunea aceleiaşi enzime, rezultă acidul izocitric, cu gruparea hidroxil pe primul atom de carbon.
       C₃H₅O(COOH)₃ – HOH –> C₃H₃(COOH)₃
       C₃H₃(COOH)₃ +HOH –> C₃H₅O(COOH)₃
       c. Acidul izocitric este oxidat, formându-se intermediar acid oxal-succinic, iar apoi acid alfa-cetoglutaric:
       C₃H₅O(COOH)₃ –> C₃H₃O(COOH)₃
       C₃H₃O(COOH)₃ –> C₃H₄O(COOH)₂+CO₂
       Prima reacţie este catalizată de către dehidrogenază şi are loc în prezenţa nicotinamiddinucleotid fosfatului (NADP⁺), care este redus la nicotinamiddinucleotid fosfat redus (NADPH).
       Într-o etapă următoare are loc decarboxilarea oxidativă a acidului alfa-cetoglutaric, prin intervenţia coenzimei A. Această secvenţă este importantă deoarece implică un mare număr de cofactori (substanţe catalizatoare ajutătoare): tiaminpirofosfat, acid lipoic, coenzima A (CoA), nicotinamiddinucleotid fosfat (NADP⁺) sau nicotinamiddinucleotid fosfat redus (NADPH), fosfat mineral, acid adenozindifosforic (ADP), acid guanozindifosforic (GDP). Energia legăturii tioesterice din cadrul CoA este transferată legăturii macroergice din ADP, cu formare de ATP:
       C₃H₄O(COOH)₂ + CoA-SH –> C₂H₄(COOH)CO~CoA (succinil-Coenzima A), cu eliminare de CO₂, reducerea NAD⁺ (nicotinamiddinucleotid) şi sub acţiunea alfa-cetoglutarat-oxidazei + cofactori.
       C₂H₄(COOH)CO~CoA + GDP + H₃PO₄ –> C₂H₄(COOH)₂ + CoA + GTP
       GTP + ADP –> GDP + ATP (transferul unei grupări macroergice de pe molecula de acidul guanozintrifosforic pe acidul adenozindifosforic, cu formare de acid guanozindifosforic pe acidul adenozintrifosforic).
       d. Acidul succinic format este oxidat, prin acţiunea flavinadenindinucleoditului (FAD), până la acid fumaric. Enzima catalizatoare este succinatoxidaza, compusă din: succinatdehidrogenază şi numeroşi cofactori.
       C₂H₄(COOH)₂ –> C₂H₂(COOH)₂, prin reducerea flavinadenindinucleoditului (FAD) la FADH₂
       e. Prin rehidrogenarea acidului fumaric (compus nesaturat, ce prezintă în moleculă duble legături între atomii de carbon), se trece în acid malic, compus saturat (ce prezintă în moleculă numai legături simple între atomii de carbon), sub acţiunea fumarazei:
       C₂H₂(COOH)₂+ HOH <–> C₂H₃(OH)(COOH)₂
       f. Acidul malic este oxidat, rezultând acidul oxalacetic; aceasta este ultima etapă a ciclului Krebs, care pregăteşte substratul necesar reînceperii primei secvenţe:
       C₂H₃(OH)(COOH)₂ –> C₂H₂O(COOH)₂
       Prin parcurgerea reacţiilor din cadrul ciclului Krebs se realizează oxidarea completă a radicalului acetil, rezultând dioxid de carbon (OCO) şi oxid de hidrogen (HOH).
       În urma arderii unei molecule de glucoză provenită din glicogenul muscular sau hepatic rezultă cam 688,5 Kilocalorii. Dintre acestea, cam o zecime provin în urma parcurgerii reacţiilor ciclului Embden – Mayerhoff – Parnas, iar restul în urma ciclului Krebs. Oxidarea anaerobă produce energie în timpul eforturilor intense, atunci când alimentarea cu sânge şi, implicit, cu oxigen a muşchiului este deficitară. Dezavantajele sale sunt:
       - randamentul scăzut
       - acumularea de compuşi intermediari degradabili aerob, ceea ce face ca durata de funcţionare a sa să fie limitată de lipsa oxigenului. În urma degradării anaerobe, rezervele musculare de ATP şi CP (CF) scad simţitor.
       Oxidarea aerobă rămâne principalul furnizor de energie necesară refacerii legăturilor macroergice ale ATP şi CP (CF). Randamentul său este foarte bun, dar inconvenientul este că necesită prezenţa oxigenului, devenind practic cvasiimposibilă în timpul eforturilor intense, cu efecte ischemiante (de sugrumare, strangulare) asupra circulaţii capilare musculare.
       Conchizând, degradarea aerobă a glucozei este modalitatea din oficiu de a produce energie musculară, iar cea anaerobă este mecanismul de urgenţă, responsabil cu producerea energiei pe moment pentru un timp foarte scurt.

Legăturile reacţiilor ciclului Krebs cu reacţiile de metabolizare a
proteinelor şi lipidelor (retroconversia principiilor nutritive)

       a. Acidul piruvic poate proveni şi prin dezaminarea cistinei, alaninei, serinei şi glicinei (aminoacizi);
       b. Acetil-Coenzima A poate fi generată din acizi graşi (compuşi lipidici), leucină, izoleucină sau triptofan (aminoacizi), ori, prin intermediul coacetil-coenzimei A, din aminoacizii: fenilalanină, leucină, tirozină şi triptofan;
       c. Cetoglutaratul, compus intermediar în cadrul ciclului Krebs, poate avea ca precursori: glutamatul, arginina, prolina sau histidina (aminoacizi);
       d. Prin aminare, cetoglutaratul devine glutamină;
       e. Succinatul poate descinde din: valină, metionină, izoleucină, treonină sau propionat;
       f. Tirozina şi fenilalanina pot genera fumarat;
       g. Prin aminare, oxalacetatul se converteşte în acid aspartic.
       În timpul eforturilor prelungite, după ce majoritatea cantităţii de glicogen a fost consumat, muşchiul obţine energia necesară travaliului prin descompunerea acizilor graşi liberi (AGL), proveniţi din lipide.
       Iniţierea ciclului de reacţii responsabile cu metabolizarea acizilor graşi se face prin cuplarea acestora cu coenzima A, rezultând acil-coenzima A. Legarea acizilor graşi la coenzima A se face prin intermediul polului triester al cesteia. În continuare, mecanismul de degardare a acizilor graşi implică beta-oxidarea, adică ruperi succesive a catenei acestora la nivelul atomului al doilea (beta) de carbon. Rezultatul este un acid gras cu doi atomi de carbon mai puţin şi un rest acetil (care, legat la coenzima A, dă acetil-coenzima A).
       Formarea acil-coenzimei A are loc sub acţiunea acil-coenzima A-sintetazei, totodată, o moleculă de ATP transformându-se în AMP.
       Într-o etapă următoare, are loc dehidrogenarea acil-coenzimei A, rezultând alfa,beta-trans-dehidroacil-coenzima A, sub acţiunea flavoenzimei.
       Compusul format astfel este hidratat, sub acţiunea unei hidrataze, care duce la formarea unui compus hidroxilat în poziţia beta.
       Beta-hidroxiacil-coenzima A este în continuare dehidrogenat, sub acţiunea beta-hidroxiacil-coenzima A-dehidrogenazei şi a NAD⁺, dând beta-cetoacil-coenzima A.
       Ultima reacţie a acestei succesiuni scurtează catena acidului gras cu doi atomi de carbon. Se formează, sub influenţa coenzimei A, acetil-coenzima A şi acil-coenzima A, cu lanţ scurtat cu doi atomi de carbon.
       Acil-coenzima A reintră în reacţia de beta-oxidare, scurtându-se iar şi iar, până la stadiul de butiril-coenzima A. Acesta va fi ultimul compus degradabil prin beta-oxidare, generând două molecule de acetil-coenzima A (2x acetil-coenzima A).
       Acesta va contribui la formarea acidului citric, capul de serie din cadrul reacţiilor ciclului Krebs, eliberându-se coenzima A.
       Însumând energia rezultată din reacţiile de beta-oxidare a acidului palmitic (acid gras cu 16 atomi de carbon), CH₃–(CH₂)₁₄–COOH, se obţin cam 96 de moli de ATP, până la formarea 2x acetil-coenzima A. Ţinând cont că şi metabolizarea restului acetil este însoţită de degajare de energie, rezultă importanţa lipidelor pentru energetica organismului.
       Acizii graşi cu număr impar de atomi de carbon suferă, de asemenea, un proces de beta-oxidare, până la stadiul de propionil. Acesta se degradează în acetil-coenzima A şi OCO. O parte dintre acizii graşi se transformă în succinil-coenzima A, putând intra în ciclul Krebs.
       Ordinea producerii energiei necesare travaliului muscular este următoarea:
       a. Desfacerea legăturilor macroergice ale ATP. Această etapă corespunde începutului activităţii musculare, când alimentaţia cu oxigen este încă suficientă, sau fazelor de efort uşor.
       b. În cazul eforturilor intense, cantitatea de oxigen asigurată prin respiraţie devine insuficientă din cauza îngustării lumenului capilar şi din cauza necesităţilor sporite de oxigen şi energie. Atunci, majoritatea reacţiilor au loc anaerob. Nu se lucrează la eficienţa maximă, dar, cel puţin pentru moment, se generează suficient ATP pentru continuarea efortului.
       c. Pe măsură ce se intensifică glicogenoliza anaerobă, iar cantitatea de oxigen devine insuficientă organismului, centrul respirator este pus în gardă, mărindu-se ritmul respiraţiei (mecanism de conexiune inversă, când un compus scade din sistem, este excitat centrul nervos corespunzător, care intensifică intrarea sa). Ajuns la muşchi, mai ales în perioada dintre două contracţii succesive, oxigenul iniţiază reacţiile ciclului Krebs. Se lucrează în regim aerob.
       d. Când efortul este mai intens şi susţinut, iar cea mai mare parte a glicogenului a fost consumată, se trece la metabolizarea acizilor graşi liberi (AGL), astfel asigurându-se o continuitate a lucrului cu randament bun. Acizii graşi liberi provin din dezesterficarea trigliceridelor depozitate în adipocite.
       După încetarea travaliului muscular, organismul are nevoie de o perioadă variabilă de timp pentru refacerea depozitelor de nutrienţi. Astfel, în regim aerob, are loc atât reconstituirea ATP, CP (CF), cât şi a glicogenului, fie din glucoza sanguină, dacă se asigură o ingestie rapidă de carbohidraţi (glucide, zaharuri), fie din acidul piruvic şi lactic, prin gluconeogeneză.