На поверхности этого ионного насоса находятся два центра связывания АТФ, и АТФ должна быть прикреплена к ним, чтобы они работали. Но здесь есть нюансы. Первый из этих центров обладает высокой аффинностью
[20] связывания с АТФ, и любая молекула аденозинтрифосфата, находящая в пределах его досягаемости, оперативно стыкуется с ним. После этого молекула АТФ расщепляется и превращается в АДФ. Второй же центр связывания не притягивает АТФ с той же легкостью. АТФ состыкуется с ним только в том случае, если энергомолекул столько много, что какая-то из них обязательно да попадет в «лузу». Но это означает необходимость особенно активного синтеза АТФ.
Состояние трупного окоченения — хороший пример того, что расслабление мышц требует больше АТФ, нежели их сокращение. После смерти кислород и питательные вещества больше не доставляются в мышцы, что приводит к остановке производства АТФ. Без достаточного количества АТФ ионы кальция не выводятся из клеток, вследствие чего мышцы больше не могут расслабиться.
Для работы кальций-магниевой АТФазы также необходимы ионы магния. Они связываются с каталическим центром
[21] этого фермента, содействуя запуску соответствующих биохимических реакций. Без магния фермент не сможет функционировать, гладкие мышцы — расслабляться (что влечет за собой повышенное кровяное давление, проблемы с сердцем и нарушения дыхания). Если вы слышали, что магний способствует оптимизации работы мышц и их расслаблению, то теперь знаете, почему это так.
Основы физиологии сердца
Давайте теперь обратимся к основной части сердечно-сосудистой системы — собственно, к сердцу. Человеческое сердце состоит из четырех камер: двух предсердий (левое и правое) и двух желудочков (левый и правый). Систола — одно из состояний сердечной мышцы при сердцебиении, а именно сокращение левого и правого желудочков и выброс крови в аорту из левого желудочка и в легочный ствол из правого желудочка. Фракция выброса сердца — это показатель объема крови, выталкиваемой в момент его сокращения систолы в просвет аорты. Рассчитывается фракция выброса исходя из соотношения объема крови, выбрасываемой в аорту, к объему крови, находящейся в левом желудочке в момент его расслабления, — обычно это порядка 50–70 %. Как это ни парадоксально на первый взгляд, сокращение сердечной мышцы требует меньше всего энергии во всем цикле сердцебиения. Дело в том, что все мышечные клетки (как гладких, так и скелетных мышц), включая клетки сердца, способны сокращаться даже при чрезвычайно низком уровне энергии (просто после этого они не смогут расслабиться).
За систолой следует диастола, при которой происходит расширение полостей сердца, вызванное последовательным расслаблением мышц предсердий и желудочков, во время которого оно заполняется кровью. Эта фаза сердечного цикла обычно длится не дольше трети секунды, но требует больше всего энергии. На это есть две причины, о которых мы только что говорили. Во-первых, энергия необходима для «размыкания» связей, установленных во время систолы (периода сокращений), что позволяет мышце вернуться в состояние покоя. Во-вторых, энергия нужна для удаления из клеток ионов кальция.
Без достаточного количества АТФ ионы кальция не могут быть выкачаны из клеток сердечных мышц, а сердце, соответственно, не может расслабляться и в достаточной степени наполняться кровью. Если это происходит, речь идет о диастолической дисфункции. Начальные стадии диастолической дисфункции характеризуются утолщением (гипотрофией) и одеревенением стенок сердечной мышцы (прежде всего, левого желудочка). Сочетание гипертрофии и одеревенения повышает кровяное давление и уменьшает количество крови, выталкиваемой из сердца во время систолических сокращений (пониженная фракция сердца). В результате сердце не может расслабляться и наполняться кровью, что в еще большей степени усугубляет его положение.
Несмотря на сохранение относительно нормальной систолической функции, диастолическая дисфункция — это ранний признак серьезных нарушений работы сердца: застойной сердечной недостаточности. Все кардиологи стремятся сохранить диастолическую функцию своих пациентов, и залогом этому являются обширные запасы АТФ.
Еще один энергозатратный процесс, связанный с сердечной деятельностью, представляет собой поддержание ионного баланса. Между входящим в клетки сердца и исходящим из него потоками должно сохраняться динамическое равновесие, необходимое для сохранения нормального электрохимического градиента, определяющего направление движения ионов через мембрану. Именно электрохимический градиент отвечает за сохранение нормального (регулярного) сердечного ритма. При анормальном электрохимическом градиенте в клетках сердца сердцебиение становится нерегулярным, возникают нарушения частоты, ритмичности и последовательности сокращений отделов сердца (аритмия).
Повышенные энергетические потребности сердца удовлетворяются малыми дозами АТФ. В результате запас АТФ должен постоянно снова и снова пополняться, и в этом заключается функция наших митохондрий. Надеюсь, теперь вы можете оценить, насколько важную роль митохондрии играют в «сердечных» вопросах, в том числе жизни и смерти. Впрочем, вскоре вы увидите, что их значимость выходит далеко за пределы сердечно-сосудистой системы: митохондрии представляют собой ключевой фактор, определяющий состояние практически любой функциональной системы организма.
Роль митохондрий в функционировании нервной системы, головного мозга и в когнитивном здоровье
Нуждающиеся в больших объемах энергии ткани особенно сильно зависят от работы митохондрий, и, соответственно, в них наиболее быстро проявляются симптомы митохондриальной дисфункции. Неудивительно, что центральная нервная система одна из первых начинает демонстрировать признаки нарушений биоэнергетических процессов. Нервные клетки (нейроны) поглощают огромное количество энергии, без которых они не могут выполнять свои сложнейшие функции.
Несмотря на то что головной мозг составляет только 2 % от общего веса организма, даже в состоянии покоя он потребляет примерно 20 % от общей энергии организма. Мозг — это клубок бесчисленных нервных сплетений, поэтому нарушение работы митохондрий оказывает на него особенно сильное отрицательное воздействие. И, наоборот, он чутко и положительно реагирует в тех случаях, когда его митохондрии получают нужные питательные вещества.
Инсульт: удушение митохондрий головного мозга
Круговорот крови по сердечно-сосудистой системе позволяет каждой клетке постоянно обновлять запасы кислорода, глюкозы и других питательных веществ. В мозг поступает непропорционально много циркулирующих по организму крови (14 %) и кислорода (20 %). Испытывая чрезвычайно сильную потребность в энергии, мозг обладает очень маленькими энергетическими резервами. Метаболические процессы в нем выстроены так, что без притока новых источников энергии мозг может нормально функционировать только в течение одной минуты. Отсюда следует, что нейроны головного мозга крайне чувствительны к ишемии (нарушению кровообращения) и к гипоксии (кислородному голоданию). В случае прерывания устойчивого потока крови через ту или иную ткань головного мозга (это может быть вызвано тромбом в кровеносном сосуде или кровоизлиянием) в клетках этой ткани быстро прекращается обмен веществ. Лишенные кислорода, клетки сначала переходят к анаэробному метаболизму, однако этот маневр позволяет выиграть совсем немного времени. Всего несколько минут без крови, и нейронам наносится невосполнимый ущерб.
