Prima Pagina » Corpul Uman » Fiziologie Umana » Metabolismul muschiului striat

Metabolismul muschiului striat

Fibra MuscularaMuschiul striat este cel mai mare consumator de substante nutritive si oxigen al organismului. Energia pe care o consuma in timpul travaliului provine din hidroliza acidului adenozintrifosforic (ATP), cu formare de acid adenozindifosforic (ADP) si o grupare fosfat libera.
Consumul de oxigen si sursele de energie ale muschiului.

 Refacerea depozitelor de ATP are loc cu consum de oxigen. Acesta depinde de conditiile externe (temperatura) sau interne (starea de efort, repaus, hranire); in repaus, la conditii termice externe normale (18 – 20o), se consuma cam 1,7 micromoli de oxigen pe kilogramul de tesut (circa 10% din oxigenul consumat de organism), pe cand in timpul unui efort crescut, muschiul este consumatorul a 180 de micromoli de oxigen pe kilogramul de tesut, ceea ce reprezinta aproape 70% din totalul de oxigen consumat de organism.

Intre nivelul respiratiei tisulare si raportul ADP/ATP se stabileste un mecanism reglatoriu de tip conexiune inversa pozitiva (pozitive feed-back). Asta inseamna ca, odata cu intensificarea hidrolizei ATP, se intensifica si respiratia, desi cantitatea de oxigen pe care muschiul o poate primi este sub necesar (din cauza contractiei intense, capilarele sanguine sunt comprimate). Totusi, acesta isi poate continua travaliul o perioada diferita de timp, cu energie proprie, la diferite intensitati, dupa care cedeaza. Principala magazie de oxigen este mioglobina. Proteina globulara, asemanatoare structural – fiziologic hemoglobinei, aceasta acumuleaza oxigen in timpul relaxarii musculare, pe care-l cedeaza la efort. Viteza cu care mioglobina poate retine si va elibera oxigen este de ordinul unei sutimi de secunda, ceea ce o face foarte eficienta in cazul eforturilor intense.

Drept hrana, muschiul ar putea utiliza rezervele de glicogen, dar timpul prea lung in care acesta poate fi convertit, il face ineficient. Mai rapida este calea de descompunere a ATP, care are trei legaturi fosfat puternic macroergice (prin scindarea unui mol de ATP rezulta 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 solicita muschiul in timpul eforturilor se imparte in:
energie de activare, potentiala, depozitata sub forma creatinfosfatului, CF (CP), utilizata pentru depolarizarea membranelor si eliberarea ionilor de calciu din reticulul sarcoplasmic;
energie de contractie (circa 2/3 din necesar), cu care se realizeaza alunecarea filamentelor de actina pe langa cele de miozina; contractiile izotonice consuma mult mai mult decat cele izometrice;
energie de relaxare, responsabia de reintroducerea ionilor de calciu in reticul.
In repaus functional, energia potentiala este stocata sub forma de creatinfosfat (se gaseste in proportie de 3mg/gramul de muschi), sau ATP (~0,2 – 0,5 mg/ gram).

Reactii biochimice in timpul contractiei musculare:

Momentul incipient al contractiei musculare il constituie interactiunea ATP cu actomiozina, in prezenta ionilor de calciu. Se formeaza un complex tranzitoriu de miozinadenozintrifosfat, prin legarea fiecarei molecule de MMG (meromiozina grea) la cate doua molecule de ATP, una la locul de glisare:
1. Miozina + ATP –> miozinadenozintrifosfat
iar cealalta responsabia cu producerea de energie:
2. Miozina-P+ Actina –> actomiozina + P + energie libera (contractie);
3. Actomiozina + ATP –> miozinadenozintrifosfat + actina
Cantitatea de ATP din muschi este destul de redusa, dar de ajus pentru a sustine o contractie teatnica de 20 de secunde.
Regenerarea ATP se face pe mai multe cai, dependente de intensitatea efortului:
a. in cazul eforturilor bruste, intense si scurte, ATP este refacut prin scindarea creatinfosfatului (care depoziteaza cam 8500 de kcal per mol):
CF + ADPfosfocreatinkinaza–> ATP + creatina, in repaus, avand loc si reactia inversa; o alta cale de refacere a a cantitatii de ATP este prin scindarea in continuare a ATP ramas, eliberandu-se o grupare fosfat macroergica, transferabila altei molecule de ADP:
2 ADP <–adenilatkinaza–> ATP + AMP, prin reactia inversa putandu-se reconstitui ADP.
Acidul adenozinmonofosforic (AMP) rezultat blocheaza transformarea ADP in ATP, fiind repede inlaturat din sistem prin dezaminare (rezulta IMP, acidul inozinmonofosfat)
Ambele cai produc rapid ATP, putand elibera circa 750 de calorii pe kilogramul de muschi pe minut.
b. pentru obtinerea energiei necesara relizarii eforturilor de lunga durata (anduranta), muschiul utilizeaza glicoliza si glicogenoliza. Principala sursa energetica devine glucoza, sau polimerul sau, glicogenul.
In regim anaerob, glicogenul este scindat conform ciclului Embden – Mayerhof – Parnas (EMP):
– Intr-o prima etapa, glicogenul este fosforilat (este imbogatit cu o grupare fosfat), formandu-se esterul Cori (esterul este un compus rezultat prin interactiunea unui acid asupra unui alcool, sau asupra unui precursor al acestuia):
glicogen + fosfat –> ester glucoz-1-fosforic (Ester Cori), unde sursa de glicogen este muschiul, sursa de fosfat o reprezinta fosfatii anorganici, iar enzima catalizatoare (substanta de sorginte proteica, participanta la o reactie, pe care o declanseaza sau o inlesneste) 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); reactia are loc sub actiunea fosfohexoizomerazei si este in echilibru la 70% ester glucozo-1-6-difosforic si 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 si ionii de Mg si K. Reactia este exergonica (in urma sa este eliberata o anumita cantitate de energie), ireversibila (se produce doar intr-un singur sens, revenirea la starea de dinaintea sa fiind practic imposibila)
Scindarea esterului Harden-Young la triozofosfati (esteri Fischer):
ester fructozo-1-6-difosforic –> D-gliceraldehid-3-fosfat + dioxiacetonfosfat, reactie care are loc sub actiunea aldolazei (fructozo-1,6-difosfatilaza)
– Izomerizarea esterilor triozofosforici (Fischer) si stabilirea echilibrarea lor:
D-gliceraldehid-3-fosfat <–> dioxiacetonfosfat, sub actiunea fosfotriozoizomerazei
       – Fosforilarea oxidativa a D-gliceraldehid-3-fosfatului la 1,3-difosfoglicerati:
       D-gliceraldehid-3-fosfat <–> 1,3-difosfoglicerat, in prezenta enzimelor: nicotinamiddinucleotid redus (NADH2); nicotinamiddinucleotid (NAD), si a fosfatului anorganic.
– Transformarea 1,3-difosfogliceratului in 3-fosfoglicerat (ester Nielsen):
1,3-difosfoglicerat <–> 3-fosfoglicerat, in prezenta ionilor de Mg si sub actiunea 3-fosfogliceric-kinazei
– Transformarea 3-fosfogliceratului in 2-fosfoglicerat, cu trecere prin faza de 2,3-difosfoglicerat:
3-fosfoglicerat <–> 2-fosfoglicerat, unde 2,3-difosfogliceratul joaca rol de coenzima (enzima ajutatoare, care, cu o alta enzima, alcatuieste o „echipa enzimatica“), iar enzima este gluco-1,6-mutaza.
– Formarea fosfoenolpiruvatului prin deshidratarea 2-fosfogliceratului:
2-fosfoglicerat <–> fosfoenolpiruvat, in prezenta ionilor de Mg si a unei enolaze.
– Defosforilarea fosfoenolpiruvatului, sub actiunea piruvatkinazei:
fosfoenolpiruvat –> piruvat, in prezenta ionilor de Mg si K
       – Trecerea piruvatului in lactat:
       piruvat + NADH2 –> lactat + NAD.

In urma parcurgerii acestei suite de reactii menite sa-i asigure muschiului necesarul de energie pe cale anaeroba, are loc acumularea masiva de acid lactic. In paralel, energia disponibila scade, muschiul este inhibat si nu mai raspunde impulsurilor nervoase. Pentru ceva timp ramane intr-o stare de supracontractie, pana la refacerea treptata a rezervelor energetice. Odata cu incetarea travaliului si restabilirea unui aport de oxigen, muschiul incepe retroconversia acizilor lactic si piruvic generati in urma anaerobiozei in glucoza.
In timpul eforturilor intense si prelungite, muschii dotati preponderent cu fibre rosii pot consuma drept combustibil rezervele adipoase, dupa ce, in prealabil, acestea au fost transformate in acizi grasi liberi (AGL). Acestia sunt oxidati prin mecanismul beta-oxidarii (desfacerea de la catena-mama a cate unui radical acetil).

Totusi, sursa esentiala de energie musculara ramane sistemul CP(CF) – ATP, apoi glucoza rezultata din glicogenoliza, in cele din urma ramanand acizii grasi liberi cu numar par de atomi de carbon. Acidul lactic poate fi metabolizat in doua moduri: retroconversia in glucoza si descompunerea la dioxid de carbon (OCO) si oxid de hidrogen (HOH).

a. Retroconversia acizilor lactic si piruvic in glucoza are loc fie in muschi, cu randament foarte scazut, fie la nivel hepatic, cu randament mai ridicat (ciclul CORI).
Fata de oricare alt centru metabolic, muschiul scheletic detine intreg aparatul enzimatic necesar descompunerii acidului piruvic. Succesiunea de reactii implicate in procesul metabolizarii acestuia a fost grupata in cadrul ciclului Krebs (ciclul acizilor tricarboxilici). Importanta mare a acestei suite de reactii rezida din faptul ca, in urma parcurgerii totale a lor, se ajunge la metabolizarea completa a resturilor glucidice, respectiv a piruvatului sau lactatului, dar mai ales prin legaturile avute cu degradarea carbohidratilor, aminoacizilor si acizilor grasi.
Prin metabolizarea oxidativa a unei molecule de acid lactic rezulta cam 18 legaturi puternic energetice, sub forma de ATP, in timp ce, prin metabolizarea anaeroba rezulta numai 4 legaturi macoergice, dintre care 2 sunt utilizate in timpul procesului.

a. Initierea ciclului Krebs are loc prin formarea acidului citric, din acetil-coenzima A (restul acetil provine prin metabolizarea acizilor grasi) si acidul oxalacetic (care are ca precursor acidul lactic sau acidul malic, penultima veriga din ciclul Krebs). Prin condensare, rezulta acid citric si coenzima A, care se poate recombina cu un rest acetil.
b. Intr-un stadiu urmator, acidul citric izomerizeaza in acid izocitric. In timpul reactiei, prin deshidratare (eliminearea gruparii hidroxil de pe carbonul 2 si a unui ion de hidrogen), sub actiunea aconitazei, rezulta acidul cis-aconitic; prin rehidratare, sub actiunea aceleiasi enzime, rezulta 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, formandu-se intermediar acid oxal-succinic, iar apoi acid alfa-cetoglutaric:
       C3H5O(COOH)3 –> C3H3O(COOH)3
C3H3O(COOH)3 –> C3H4O(COOH)2+CO2
       Prima reactie este catalizata de catre dehidrogenaza si are loc in prezenta nicotinamiddinucleotid fosfatului (NADP+), care este redus la nicotinamiddinucleotid fosfat redus (NADPH).
Intr-o etapa urmatoare are loc decarboxilarea oxidativa a acidului alfa-cetoglutaric, prin interventia coenzimei A. Aceasta secventa este importanta deoarece implica un mare numar de cofactori (substante catalizatoare ajutatoare): tiaminpirofosfat, acid lipoic, coenzima A (CoA), nicotinamiddinucleotid fosfat (NADP+) sau nicotinamiddinucleotid fosfat redus (NADPH), fosfat mineral, acid adenozindifosforic (ADP), acid guanozindifosforic (GDP). Energia legaturii tioesterice din cadrul CoA este transferata legaturii 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) si sub actiunea alfa-cetoglutarat-oxidazei + cofactori.
       C2H4(COOH)CO~CoA + GDP + H3PO4 –> C2H4(COOH)2 + CoA + GTP
       GTP + ADP –> GDP + ATP (transferul unei grupari 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 actiunea flavinadenindinucleoditului (FAD), pana la acid fumaric. Enzima catalizatoare este succinatoxidaza, compusa din: succinatdehidrogenaza si numerosi cofactori.
C2H4(COOH)2 –> C2H2(COOH)2, prin reducerea flavinadenindinucleoditului (FAD) la FADH2
e. Prin rehidrogenarea acidului fumaric (compus nesaturat, ce prezinta in molecula duble legaturi intre atomii de carbon), se trece in acid malic, compus saturat (ce prezinta in molecula numai legaturi simple intre atomii de carbon), sub actiunea fumarazei:
       C2H2(COOH)2 + HOH <–> C2H3(OH)(COOH)2
       f. Acidul malic este oxidat, rezultand acidul oxalacetic; aceasta este ultima etapa a ciclului Krebs, care pregateste substratul necesar reinceperii primei secvente:
       C2H3(OH)(COOH)2 –> C2H2O(COOH)2


       Prin parcurgerea reactiilor din cadrul ciclului Krebs se realizeaza oxidarea completa a radicalului acetil, rezultand dioxid de carbon (OCO) si oxid de hidrogen (HOH).
In urma arderii unei molecule de glucoza provenita din glicogenul muscular sau hepatic rezulta cam 688,5 Kilocalorii. Dintre acestea, cam o zecime provin in urma parcurgerii reactiilor ciclului Embden – Mayerhoff – Parnas, iar restul in urma ciclului Krebs. Oxidarea anaeroba produce energie in timpul eforturilor intense, atunci cand alimentarea cu sange si, implicit, cu oxigen a muschiului este deficitara. Dezavantajele sale sunt:
randamentul scazut
acumularea de compusi intermediari degradabili aerob, ceea ce face ca durata de functionare a sa sa fie limitata de lipsa oxigenului. In urma degradarii anaerobe, rezervele musculare de ATP si CP (CF) scad simtitor.
Oxidarea aeroba ramane principalul furnizor de energie necesara refacerii legaturilor macroergice ale ATP si CP (CF). Randamentul sau este foarte bun, dar inconvenientul este ca necesita prezenta oxigenului, devenind practic cvasiimposibila in timpul eforturilor intense, cu efecte ischemiante (de sugrumare, strangulare) asupra circulatii capilare musculare.
Conchizand, degradarea aeroba a glucozei este modalitatea din oficiu de a produce energie musculara, iar cea anaeroba este mecanismul de urgenta, responsabil cu producerea energiei pe moment pentru un timp foarte scurt.

Legaturile reactiilor ciclului Krebs cu reactiile de metabolizare a proteinelor si lipidelor (retroconversia principiilor nutritive)

       a. Acidul piruvic poate proveni si prin dezaminarea cistinei, alaninei, serinei si glicinei (aminoacizi);
b. Acetil-Coenzima A poate fi generata din acizi grasi (compusi lipidici), leucina, izoleucina sau triptofan (aminoacizi), ori, prin intermediul coacetil-coenzimei A, din aminoacizii: fenilalanina, leucina, tirozina si triptofan;
c. Cetoglutaratul, compus intermediar in cadrul ciclului Krebs, poate avea ca precursori: glutamatul, arginina, prolina sau histidina (aminoacizi);
d. Prin aminare, cetoglutaratul devine glutamina;
e. Succinatul poate descinde din: valina, metionina, izoleucina, treonina sau propionat;
f. Tirozina si fenilalanina pot genera fumarat;
g. Prin aminare, oxalacetatul se converteste in acid aspartic.

In timpul eforturilor prelungite, dupa ce majoritatea cantitatii de glicogen a fost consumat, muschiul obtine energia necesara travaliului prin descompunerea acizilor grasi liberi (AGL), proveniti din lipide. Initierea ciclului de reactii responsabile cu metabolizarea acizilor grasi se face prin cuplarea acestora cu coenzima A, rezultand acil-coenzima A. Legarea acizilor grasi la coenzima A se face prin intermediul polului triester al cesteia. In continuare, mecanismul de degardare a acizilor grasi implica beta-oxidarea, adica ruperi succesive a catenei acestora la nivelul atomului al doilea (beta) de carbon. Rezultatul este un acid gras cu doi atomi de carbon mai putin si un rest acetil (care, legat la coenzima A, da acetil-coenzima A).
Formarea acil-coenzimei A are loc sub actiunea acil-coenzima A-sintetazei, totodata, o molecula de ATP transformandu-se in AMP.
Intr-o etapa urmatoare, are loc dehidrogenarea acil-coenzimei A, rezultand alfa,beta-trans-dehidroacil-coenzima A, sub actiunea flavoenzimei.
Compusul format astfel este hidratat, sub actiunea unei hidrataze, care duce la formarea unui compus hidroxilat in pozitia beta.
Beta-hidroxiacil-coenzima A este in continuare dehidrogenat, sub actiunea beta-hidroxiacil-coenzima A-dehidrogenazei si a NAD+, dand beta-cetoacil-coenzima A.
Ultima reactie a acestei succesiuni scurteaza catena acidului gras cu doi atomi de carbon. Se formeaza, sub influenta coenzimei A, acetil-coenzima A si acil-coenzima A, cu lant scurtat cu doi atomi de carbon.
Acil-coenzima A reintra in reactia de beta-oxidare, scurtandu-se iar si iar, pana la stadiul de butiril-coenzima A. Acesta va fi ultimul compus degradabil prin beta-oxidare, generand doua molecule de acetil-coenzima A (2x acetil-coenzima A).
Acesta va contribui la formarea acidului citric, capul de serie din cadrul reactiilor ciclului Krebs, eliberandu-se coenzima A.
Insumand energia rezultata din reactiile de beta-oxidare a acidului palmitic (acid gras cu 16 atomi de carbon), CH3–(CH2)14–COOH, se obtin cam 96 de moli de ATP, pana la formarea 2x acetil-coenzima A. Ţinand cont ca si metabolizarea restului acetil este insotita de degajare de energie, rezulta importanta lipidelor pentru energetica organismului.
Acizii grasi cu numar impar de atomi de carbon sufera, de asemenea, un proces de beta-oxidare, pana la stadiul de propionil. Acesta se degradeaza in acetil-coenzima A si OCO. O parte dintre acizii grasi se transforma in succinil-coenzima A, putand intra in ciclul Krebs.
Ordinea producerii energiei necesare travaliului muscular este urmatoarea:
a. Desfacerea legaturilor macroergice ale ATP. Aceasta etapa corespunde inceputului activitatii musculare, cand alimentatia cu oxigen este inca suficienta, sau fazelor de efort usor.
b. In cazul eforturilor intense, cantitatea de oxigen asigurata prin respiratie devine insuficienta din cauza ingustarii lumenului capilar si din cauza necesitatilor sporite de oxigen si energie. Atunci, majoritatea reactiilor au loc anaerob. Nu se lucreaza la eficienta maxima, dar, cel putin pentru moment, se genereaza suficient ATP pentru continuarea efortului.
c. Pe masura ce se intensifica glicogenoliza anaeroba, iar cantitatea de oxigen devine insuficienta organismului, centrul respirator este pus in garda, marindu-se ritmul respiratiei (mecanism de conexiune inversa, cand un compus scade din sistem, este excitat centrul nervos corespunzator, care intensifica intrarea sa). Ajuns la muschi, mai ales in perioada dintre doua contractii succesive, oxigenul initiaza reactiile ciclului Krebs. Se lucreaza in regim aerob.
d. Cand efortul este mai intens si sustinut, iar cea mai mare parte a glicogenului a fost consumata, se trece la metabolizarea acizilor grasi liberi (AGL), astfel asigurandu-se o continuitate a lucrului cu randament bun. Acizii grasi liberi provin din dezesterficarea trigliceridelor depozitate in adipocite.
Dupa incetarea travaliului muscular, organismul are nevoie de o perioada variabila de timp pentru refacerea depozitelor de nutrienti. Astfel, in regim aerob, are loc atat reconstituirea ATP, CP (CF), cat si a glicogenului, fie din glucoza sanguina, daca se asigura o ingestie rapida de carbohidrati (glucide, zaharuri), fie din acidul piruvic si lactic, prin gluconeogeneza.

Articole Similare:

Ultima actualizare: luni, 27 august, 2012, 12:06

Un comenentariu la Metabolismul muschiului striat

  1. mihaela 31/12/2012 at 06:34

    Buna dimineata, fetita mea de 2ani a fost diagnosticata cu deficit guanidinoacetat metiltransferaza. Ca si tratament a luat creatina si ornitina, creatina a intrat in parametrii normali. Insa face crize de epilepsie in continuare, si fizic nu are i.ca controlul capului. Din rezultatele pe care le avem avem acidul lactic marit la fel si acidul glutaminic insa glutamina era mica. Poate ne ajutati sa intelegem mai bine acest lant energetic si poate reudim sa suplimentam tratamentul cu un aminoacid care sa ajute la depozitul energetic, caci se presupune ca nu detine suficienta energie. Dr neurolog ne-a indicat sa luam legatura cu un biochimist. Va multumesc din suflet si poate ne dati si noua un raspuns sau un indiciu despre acest lant caci nu prea am primit raspunduri.

    Răspunde

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *