6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Biokhimia_v_praktike_sporta_2018

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

митохондрии и старые постмитохондрии, деградирующие в липо гранулы.

Структура митохондрий. Структурно митохондрия состоит из: наружной мембраны, межмембранного пространства, внутренней мембраны, матрикса.

Наружная мембрана митохондрии может взаимодействовать с мембраной ЭПР; это играет важную роль в транспортировке липидов и ионов кальция.

Межмембранное пространство представляет собой пространство между наружной и внутренней мембранами митохондрии. Одним из белков, содержащихся не только во внутренней мембране, но и в периплазматическом пространстве, является цитохром c.

Внутренняя мембрана образует многочисленные гребневидные складки– кристы, существенно увеличивающие площадь её поверхности. Особенность внутренней мембраны митохондрий– очень высокое содержание белков (до 70% по весу), представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а такжекрупнымиАТФ-синтетазнымикомплексами. Здесь происходит синтез АТФ. В основании частиц, заполняя собой всю толщу мембраны, располагаются компоненты дыхательной цепи. Наружная и внутренняя мембраны в некоторых местах соприкасаются, там находится специальный белок-рецептор, способствующий транспорту митохондриальных белков, закодированных в ядре, в матрикс митохондрии.

Матрикс– ограниченное внутренней мембраной пространство. В матриксе (розовом веществе) митохондрии находятся ферментные системы окисления пирувата, жирных кислот, а также ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса, циклалимоннойкислоты). Крометого, здесьженаходитсямитохондриальная ДНК, РНК и собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии.

Одной из основных функций митохондрий является синтез АТФ – универсальной формы химической энергии в любой клетке. Данная молекула может образовываться двумя путями: в результате субстратного фосфорилирования в жидкой фазе (например, при гликолизе) или в процессе мембранного фосфорилирования, связанного с использованием энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов (ионов водорода). Митохондрии реализуют оба эти пути, первый из

70

III. Биохимические показатели

которых характерен для начальных процессов окисления субстрата и происходит в матриксе, а второй завершает процессы энергообразования и связан с кристами митохондрий. В целом весь процесс энергообразования в митохондриях может быть разбит на четыре основные стадии, первые две из которых протекают в матриксе, а две последние– на кристах митохондрий:

1.Превращениепоступившихизцитоплазмыв митохондрию пирувата и жирных кислот в ацетил-СоА.

2.Окисление ацетил-СоА в цикле Кребса, ведущее к образованию НАДН+ и двух молекул СО2.

3.Перенос электронов с НАДН на кислород по дыхательной цепи с образованием Н2О.

4.Образование АТФ в результате деятельности мембранного АТФ-синтетазного комплекса.

Ещё в цитоплазме шестиуглеродная молекула глюкозы частично окисляется до двух трёхуглеродных молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват переносится из цитозоля через наружную и внутреннюю мембраны

вматрикс, где первоначально декарбоксилируется и превращается в ацетил-СоА. На следующем этапе, также протекающем

вматриксе митохондрии, ацетил-СоА полностью окисляется

вцикле Кребса.

Дальнейшие процессы энергообразования в митохондрии происходят на её кристах и связаны с переносом электронов от НАДН+ к кислороду. Так как потребление кислорода в качестве окислителя обычно называют «внутриклеточным дыханием», электронно-транспортную цепь ферментов, осуществляющих последовательный перенос электронов от НАДН к кислороду, часто называют «дыхательной цепью».

Весьпроцесспереносаэлектронаподыхательнойцепиможет быть разбит на три стадии, каждая из которых катализируется отдельнымтрансмембраннымлипопротеиднымкомплексом(I, III и IV), встроенным в мембрану кристы митохондрии. В состав каждого из названных комплексов входят следующие компоненты:

1.Большой олигомерный фермент, катализирующий перенос электронов.

2.Небелковые органические (простетические) группы, принимающие и высвобождающие электроны.

3.Белки, обеспечивающие движение электронов.

71

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Каждый из этих комплексов осуществляет перенос электронов от донора к акцептору по градиенту редокс-потенциала через ряд последовательно функционирующих переносчиков. В качестве последних в дыхательной цепи митохондрий функционируютмигрирующиев плоскостимембраныжирорастворимые молекулы убихинона, а также небольшие водорастворимые белки, содержащие ковалентно связанный гем и называемые «цитохромами с». При этом три из пяти компонентов, составляющих дыхательную цепь, работают так, что перенос электронов сопровождается переносом протонов через мембрану крист митохондрий в направлении из матрикса в межмембранное пространство.

Дыхательная цепь начинается с комплекса I (НАДН-уби- хинон-оксидоредуктаза). Функциональная активность этого комплекса определяется тем, что он содержит в своём составе более 20 атомов железа, упакованных в ячейки из атомов серы, а такжефлавин(производноевитаминарибофлавина). Комплекс I катализирует окисление НАДН.

Комплекс III катализирует реакцию окисления двух убихиноловдоубихинонов, восстанавливаядвемолекулыцитохрома c (гемсодержащий переносчик, находящийся в межмембранном пространстве).

Последняя стадия катализируется комплексом IV (цитохром c-оксидаза), помимо двух различных гемов включающим также несколько атомов меди, прочно связанных с белками. При этом электроны попадают на связанный в активном центре этого фермента кислород, что приводит к образованию воды.

Таким образом, суммарная реакция, катализируемая ферментами дыхательной цепи, состоит в окислении НАДН кислородом с образованием воды. По сути этот процесс заключается в ступенчатом переносе электронов между атомами металлов, присутствующих в простетических группах белковых комплексов дыхательной цепи, где каждый последующий комплекс обладает более высоким сродством к электрону, чем предыдущий. При этом сами электроны передаются по цепи до тех пор, пока не соединятся с молекулярным кислородом, обладающим наибольшим сродством к электронам. Освобождаемая же при этом энергия запасается в виде электрохимического (протонного) градиента по обе стороны внутренней мембраны митохондрий. При этом считается, что в процессе транспорта

72

III. Биохимические показатели

по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трёх до шести протонов.

Завершающимэтапомфункционированиямитохондрииявляется генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутреннюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом. Этот комплекс, называемый АТФ-синтазой, как раз и катализирует синтез АТФ путём конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.

АТФ-синтаза. В молекулеАТФ-синтазыможновыделитьдве группы белковых субъединиц (крупных), которые могут быть уподоблены двум деталям мотора: ротору и статору. «Статор» неподвижен относительно мембраны. Относительно этой конструкции «ротор» состоит из подвижных субъединиц.

Работа АТФ-синтазы связана с механическими движениями её отдельных частей, что позволило отнести этот процесс к особому типу явлений, названных «вращательным катализом». Подобнотому, какэлектрическийтокв обмоткеэлектродвигателя приводит в движение ротор относительно статора, направленный перенос протонов через АТФ-синтазу вызывает вращение отдельныхсубъединицфакторасопряженияотносительнодругих субъединиц ферментного комплекса, в результате чего это уникальное энергообразующее устройство совершает химическую работу– синтезирует молекулы АТФ.

В дальнейшем АТФ поступает в цитоплазму клетки, где расходуется на самые разнообразные энергозависимые процессы. Подобный перенос осуществляется специальным встроенным в мембрану митохондрий ферментом АТФ/АДФ-транслоказой, которыйобмениваетвновьсинтезированнуюАТФнацитоплазматическую АДФ, что гарантируетсохранностьфондаадениловых нуклеотидов внутри митохондрий.

Митохондриии наследственность. ДНКмитохондрийнасле-

дуются почти исключительно по материнской линии.

Рибосомы

Рибосома – важнейший немембранный органоид живой клетки, служащий для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Этот процесс называется трансляцией. Рибосомыимеютсферическуюилислегкаэллипсоиднуюформу

73

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

диаметром от 15–20 нанометров до 25–30 нанометров, состоят из большой и малой субъединиц.

Рибосома состоит из специфических (рибосомных) РНК, специфических (рибосомных) белков и небольшого количества низкомолекулярных компонентов.

Структурно и функционально рибосома– это прежде всего её РНК. РибосомнаяРНК (рРНК) в составе рибосомыочень компактна. Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли, что необходимо для поддержания структуры; при удалении ионов магния рибосома подвергается диссоциации на субъединицы. Общий план структурной организации рибосомы задаётся свойствами рРНК. Рибосомная РНК состоит из малой субъединицы и большой субъединицы.

Рибосомные белки. Рибосома на 30–50% состоит из белка. Кромебиополимеров(РНКи белков), в составрибосомвходят такженекоторыенизкомолекулярныекомпоненты. Этомолекулы воды, ионыметаллов(главнымобразомMg2+ – до2% сухоймассы рибосомы), ди- и полиамины (такие как путресцин, кадаверин, спермидин, спермин– могут составлять до 2,5% сухой массы

рибосомы).

Синтез белка рибосомой происходит на основе информации, записанной в матричной РНК (мРНК).

Вэукариотическихклеткахрибосомырасполагаютсянамембранахэндоплазматическойсети, хотямогутбытьлокализованы

ив неприкреплённойформев цитоплазме. Нередкос одноймолекулоймРНКассоциированонесколькорибосом, такаяструктура называетсяполирибосомой(полисомой). Синтезрибосомпроисходит в специальной внутриядерной структуре– ядрышке.

Рибосомы впервые были описаны в середине 1950-х годов.

Вначале 2000-х были построены модели структур отдельных субъединиц, которые позволили понять механизм и детали взаимодействий между рибосомой, факторами трансляции, а также различными антибиотиками. Это крупнейшее достижение в молекулярной биологии было отмечено Нобелевской премией по химии 2009 г.

Цитозоль

Цитозоль– жидкоесодержимоеклетки. Большуючастьцитозоля занимает внутриклеточная жидкость. Цитозоль разбивается на компартменты при помощи разнообразных мембран. Таким

74

III. Биохимические показатели

образом, цитозоль представляет собой жидкий матрикс, окружающий органеллы. У эукариот цитозоль располагается под плазматической мембраной и является частью цитоплазмы, в которую, помимо цитозоля, входят митохондрии, пластиды

идругие органеллы, но не содержащаяся в них жидкость и внутренние структуры. У прокариот большая часть химических реакций метаболизмапроисходит в цитозоле, и лишь небольшая их часть– в мембранах и периплазматическом пространстве. У эукариот, хотя многие реакции протекают в органеллах, некоторые реакции происходят в цитозоле.

Химически цитозоль представляет собой сложную смесь веществ, растворённых в жидкости. Ионы представлены калием, натрием, кальцием, магнием, хлором, бикарбонатами, аминокислотами белков. Концентрации ионов, таких как катионы калия и натрия, различаются в цитозоле и внеклеточной жидкости. Эта разница концентраций существенна для таких процессов, как осморегуляция, передача сигнала

игенерация потенциала действия в возбудимых клетках, таких как эндокринные, нервные и мышечные клетки. В цитозоле также содержится много макромолекул, которые могут изменять поведение молекул посредством эффекта скученности макромолекул.

Хотя ранее цитозоль рассматривали как простой раствор молекул, он имеет несколько уровней организации. В их числе градиенты концентраций ионов (например кальция), крупные ферментативные комплексы, которые взаимодействуют друг с другом и осуществляют разнообразные химические реакции, а также белковые комплексы.

Хотя компоненты цитозоля не отделены друг от друга мембранами, они не смешиваются друг с другом случайным образом, и внутри цитозоля имеется несколько уровней организации, локализующих молекулы в специальных сайтах цитозоля.

Уцитозоля нет какой-то одной функции, потому что в нём протекает множество процессов. Средиэтих процессов передача сигнала от клеточной мембраны к местам внутри клетки, таким как клеточное ядро и разные органеллы. В состав цитозоля не входят жидкости, находящиеся внутри органелл. Хотя большая часть цитозоля представлена водой, его структура и свойства внутри клеток изучены недостаточно.

75

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

3.3. КЛЕТОЧНЫЙ СОСТАВ КРОВИ

Раньше подсчет клеточного состава крови проводился ручным визуальным способом. Сейчас чаще всего все параметры определяются путем подсчета на автоматических анализаторах.

Определяют клеточный состав как в периферической крови (взятой из капиллярной крови из пальца), так и в крови из вены, одномоментно с определением биохимических показателей. Различные заболевания и значительная физическая нагрузка довольнобыстро(минуты, часы) вызываютизменениякакв количественном, так и качественном составе форменных элементов крови.

Лейкоциты

Лейкоциты – белые кровяные клетки (WBC); группа клеток, отвечающая за иммунитет.

Норма количества лейкоцитов (4–9×109/л) в разных регионах страны разная. И индивидуальная «норма» ближе к существующей среднестатистической региона– того, в котором рос и развивался спортсмен.

Существует «специализация» среди разнообразных клеток лейкоцитов. Различают 5 видов лейкоцитов: базофилы, нейтрофилы, эозинофилы, моноциты, лимфоциты. Измеряются в процентах от общего количества лейкоцитов и абсолютных количествах.

Физическая нагрузка может привести как к снижению, так и к увеличению количества лейкоцитов в крови.

Базофилы (0–1%) указывают на развитие аллергизации организма.

Нейтрофилы (45–65%) – защита от чужеродных клеток, способны покидать сосудистое русло и сосредотачиваться в местах воспаления.

Эозинофилы (0–5%) отвечают за аллергический ответ, указывают на повышение температуры, воспаление.

Моноциты (8–10%) удаляют остатки собственных клеток и чужеродные клетки.

Лимфоциты (20–40%) способны запоминать чужеродные клетки и при повторном попадании их в организм быстро реа-

76

III. Биохимические показатели

гировать, выделяя вещества, необходимые для уничтожения инородныхагентов. Дифференцированнолимфоцитыделятсяна Ти В клетки(киллерыи хелперы), имеющиеотношениек иммунным процессам организма. Повышение (лимфоцитоз) может быть вызвано инфекционными бактериальными, вирусными, грибковыми заболеваниями, заболеваниями крови. Снижение (лимфоцитопения) может быть вызвано гипоплазией костного мозга, иммунодефицитным состоянием при инфекционном процессе в организме, приемом некоторых препаратов.

Значительная физическая нагрузка вызывает значительный лейкоцитоз.

Большее значение имеет подсчет абсолютного количества представителей лейкоцитов в одном микролитре крови, чем их процентное соотношение.

Итак, увеличениеколичествалейкоцитоввовремяфизической нагрузки и сразу после нее не имеет практического значения в диагностике уровня тренированности спортсмена, т. к. происходит нормализация их количества в течение минут и часов этого же дня. Стойкие изменения количества и состава лейкоцитов имеют отношение к заболеваниям и патологическим состояниям спортсмена.

Эритроциты

Высокоспециализированные красные кровяные клетки (RBC), которыетранспортируюткислородв ткани, а в обратномнаправлении– оксидуглерода (СО2); поддерживают в организме биологические окислительные процессы. Эритроциты лишены ядра иорганелл. Нормаколичестваэритроцитов(3,9–5,5×1012/л) водном кубическоммиллилитрев разныхрегионахстраныразная. Кроме того, онаразличаетсяудетей, женщинимужчин. Изависиттакже от физической нагрузки, приема фармакологических препаратов (чаще стероиды, эритропоэтины), ряда заболеваний (нарушения иммунных процессов), ускоренное разрушение эритроцитов

врезультате физической нагрузки.

Вкапиллярах они движутся со скоростью 2 см/мин (при нормальном пульсе), что даёт им время передать кислород от гемоглобина к миоглобину. Миоглобин действует как посредник, принимая кислород у гемоглобина в крови и передавая его цитохромам в мышечных клетках.

77

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Средняя продолжительностьжизни эритроцитов у здорового человека составляет около 120 суток. Но есть теория, что срок жизнизависитотопределенногоколичестваконтактовс кислородом, т. е. чем их больше, тем короче жизнь эритроцитов. Значит, средняя продолжительность жизни эритроцитов у спортсменов короче, чем среднестатистическая.

Эритроциты определяются на автоматических анализаторах последующимпараметрам: ширинараспределенияэритроцитов, среднийобъемэритроцита(фл), среднеесодержаниегемоглобина

вэритроците, средняяконцентрациягемоглобинав эритроцитах, скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Определяется и осмотическая резистентность эритроцитов.

Ретикулоциты – молодые формы эритроцитов (предшественникизрелыхэритроцитов), содержащиезернисто-нитчатую субстанцию, выявляемую при специальной окраске.

Ретикулоцитысуществуюткакв костноммозге, таки в периферической крови. Время созревания ретикулоцитов составляет 4–5 суток, из них в течение 3 суток они созревают в периферической крови, после чего становятся зрелыми эритроцитами. Норма– 1–5% от количества эритроцитов. Число ретикулоцитов

вкрови отражает регенеративные свойства костного мозга. Доля ретикулоцитов может превышать 50% в случае усиленного разрушенияэритроцитов. Резкоеснижениеколичестваэритроцитов

впериферической крови может привести к искусственному завышению числа ретикулоцитов, так как их рассчитывают в % от абсолютного числа эритроцитов в 1 мм3. Подсчет ретикулоцитов имеет значение для оценки степени активности эритропоэза (продукции эритроцитов): при ускорении эритропоэза доля ретикулоцитов возрастает, а при замедлении снижается.

Для оценки тяжести анемий используют ретикулярный индекс:

Ретикулярный индекс = = ретикулоциты (%) × гематокрит ÷ 45 × 1,85,

где в знаменателе 45 – значение нормального гематокрита, 1,85 – количество суток, необходимых для поступления новых ретикулоцитов в кровь.

Интерпретация результата: индекс <2 – гипопролифера-

тивный компонент анемии; если он больше 2–3, то происходит повышенное образование эритроцитов.

78

III. Биохимические показатели

Показания к назначению анализа: диагностика неэффектив-

ного гемопоэза; дифференциальная диагностика анемий; оценка реакции на терапию препаратами железа, фолиевой кислоты, витамина В12, эритропоэтином.

Повышение (ретикулоцитоз): постгеморрагическая анемия (увеличение ретикулоцитов в 3–6 раз), гемолитическая анемия (до 300%), острый недостаток кислорода, лечение В12-дефицит- ной анемии (увеличение ретикулоцитов на 5-е сутки терапии витаминомВ12), терапияжелезодефицитныханемийпрепаратами железа (8–12-е сутки лечения), малярия.

Снижение: гипопластическая анемия, аутоиммунные заболевания системы кроветворения, микседема, заболевания почек.

Гемоглобин (г/л) – особый белок, заключенный в оболочку эритроцита, главная задача которого состоит в переносе кислорода от легких к органам и тканям. В 1 л крови здорового мужчины содержится от 130 до 160 г гемоглобина, женщины–

120–140 г.

Повышение: первичная и вторичная эритремия, обезвоживание. Имеет значение постоянная потливость спортсмена во время тренировки.

Снижение: анемия, гипергидратация, недостаточное поступление или усвоение железа.

Физическая нагрузка и тренировочный процесс сопровождаются повышением количества гемоглобина для обеспечения нормального функционирования миоцитов.

Цветовой показатель учитывает количество гемоглобина

взависимости от количества эритроцитов. У спортсмена этот коэффициент составляет от 0,8 до 1,1. Это значит, что в каждом эритроците содержится нормальное количество гемоглобина.

Снижение: принекоторыхразновидностяханемии(например, при анемии, вызванной недостаточным поступлением железа

ворганизм).

Повышение: при анемии, вызванной недостатком фолиевой кислоты.

Имеют значение и различные патологические состояния организма.

В период интенсивных тренировок необходимо постоянно проводитьгематологическийанализдляопределенияколичества эритроцитов и их параметров (объем, насыщение гемоглобином) уровня гемоглобина и гематокрита.

79