Фосфокреатин: биохимия и применение¶

Фосфокреатин (креатинфосфат, КФ) — азотсодержащее органическое соединение, относящееся к классу фосфагентов (макроэргических фосфатов). В живых организмах выполняет функцию быстрого резерва энергии в клетках с высоким и переменным энергопотреблением — прежде всего в скелетных мышцах, сердечной мышце и головном мозге. Химически представляет собой N-фосфорилированное производное креатина с макроэргической фосфоамидной связью, гидролиз которой сопровождается выделением значительного количества свободной энергии. Молекулярная формула — C₄H₁₀N₃O₅P, молярная масса — около 211,1 г/моль.

¶Химическое строение и свойства

Фосфокреатин образован из креатина путём переноса фосфатной группы на гуанидиновый атом азота. Именно фосфоамидная (гуанидинофосфатная) связь является макроэргической: её энергия гидролиза при стандартных условиях составляет порядка 43–49 кДж/моль, что превышает соответствующий показатель для АТФ. Это объясняет способность фосфокреатина эффективно передавать фосфат на АДФ с образованием АТФ.

Соединение хорошо растворимо в воде, неустойчиво при нагревании и в кислой среде, легко гидролизуется. В клетке существует в виде аниона и находится в динамическом равновесии с креатином и АТФ. Синтез фосфокреатина катализируется ферментом креатинкиназой (КК), обратимая реакция описывается схемой:

креатин + АТФ ⇌ фосфокреатин + АДФ

Направление реакции зависит от локального соотношения концентраций АТФ/АДФ и pH.

¶Биохимическая роль

Ключевая функция фосфокреатина — буферизация и транспорт энергии. В мышечном волокне он работает как «энергетический буфер»: в момент интенсивного сокращения, когда АТФ расходуется быстрее, чем успевает восстанавливаться за счёт окислительного фосфорилирования, креатинкиназа переносит фосфат с фосфокреатина на АДФ, поддерживая стабильный уровень АТФ.

Помимо буферной роли, фосфокреатин участвует в так называемом креатинкиназном челночном механизме — пространственном переносе энергии от митохондрий, где синтезируется АТФ, к миофибриллам, где она расходуется. Митохондриальная изоформа креатинкиназы восстанавливает фосфокреатин из АТФ, после чего он диффундирует к местам потребления, где цитозольная изоформа вновь отдаёт фосфат. Такая система обеспечивает эффективное снабжение энергией даже крупных мышечных клеток.

Запасы фосфокреатина в мышцах ограничены и обеспечивают энергию для кратковременных нагрузок максимальной интенсивности — примерно на 5–10 секунд спринтерского усилия.

¶Распространение в организме и у животных

Наибольшие концентрации фосфокреатина обнаруживаются в скелетных мышцах (особенно в быстрых гликолитических волокнах), миокарде и нервной ткани. У беспозвоночных роль фосфокреатина нередко выполняет аргининфосфат — аналогичное макроэргическое соединение на основе аргинина. У позвоночных фосфокреатин является основным фосфагеном.

¶Клиническое значение

Определение активности креатинкиназы и её изоферментов широко используется в лабораторной диагностике. Повышение уровня КК в крови наблюдается при повреждении мышц, инфаркте миокарда, миодистрофиях, интенсивных физических нагрузках, рабдомиолизе. Изоформа КК-МВ служит маркёром поражения сердечной мышцы, хотя в современной практике её всё чаще дополняют или заменяют более специфичными маркёрами — тропонинами.

Нарушения обмена фосфокреатина лежат в основе ряда редких наследственных заболеваний, связанных с дефектами ферментов креатинного метаболизма (например, недостаточность гуанидиноацетатметилтрансферазы, дефицит креатинтранспортёра). Они проявляются мышечной слабостью и неврологическими симптомами.

¶Применение в медицине и спорте

Фосфокреатин в форме динатриевой соли (неотон и аналоги) применяется как лекарственное средство в кардиологии и неотложной медицине. Его вводят внутривенно при остром коронарном синдроме, интраоперационной защите миокарда, в составе кардиоплегических растворов при операциях на сердце. Препарат способствует поддержанию энергетического баланса ишемизированного миокарда.

В спортивной практике распространены пищевые добавки на основе креатина (не фосфокреатина как такового): креатин моногидрат повышает внутримышечные запасы фосфокреатина, что увеличивает работоспособность при кратковременных высокоинтенсивных нагрузках. Эффективность креатина подтверждена значительным числом исследований; данные о прямом приёме фосфокреатина внутрь ограничены из-за его низкой биодоступности и гидролиза в желудочно-кишечном тракте.

¶История изучения

Макроэргические фосфаты были открыты в первой половине XX века. В 1927 году Филип Эгглтон и его сотрудники выделили из мышц соединение, названное «фосфагеном», которое позднее идентифицировали как фосфокреатин. Работы Эгглтона по энергетике мышечного сокращения заложили основу представлений о роли фосфокреатина. В 1960-х годах Сэмюэл Бессман и другие исследователи описали креатинкиназную систему и её роль в транспорте энергии. Дальнейшее развитие методов ЯМР-спектроскопии позволило изучать динамику фосфокреатина в живых тканях неинвазивно.

¶Методы определения

Содержание фосфокреатина в тканях оценивают ферментативными методами, высокоэффективной жидкостной хроматографией, а также с помощью ³¹P-магнитно-резонансной спектроскопии, позволяющей наблюдать сигналы фосфокреатина, АТФ и неорганического фосфата непосредственно в мышце. Соотношение фосфокреатин/АТФ и динамика его восстановления после нагрузки используются как показатели энергетического статуса и функционального состояния мышц.

¶Сравнение с другими фосфагенами

Разнообразие фосфагенов отражает эволюционную адаптацию энергетического обмена к условиям существования разных групп животных.