Биохимия в практике спорта

III. Биохимические показатели

– индекс повреждения мышечной ткани ˃10;

– появление в моче креатина и 3-метилгистидина.

Индекс повреждения мышечной ткани скелетных мышц ‒ креатинкиназа/аланиновая трансаминаза (КК/АЛТ). Норма – ˂10, повреждение – ˃10.

Креатин – вещество, которое синтезируется в печени, поджелудочной железе и почках из аминокислот аргинина, глицина и метионина. Образуется из фосфокреатина ферментом креатинкиназой. Большое количество креатина содержится в мышечной ткани, где он играет важную роль в процессах энергетического обмена. Высокоинтенсивная тренировка приводит к дефициту фосфокреатина. Именно этим объясняется физическое утомление, нарастающее от упражнения к упражнению, максимально выраженное к концу тренировки.

Обнаружение креатина в моче может использоваться как тест для выявления патологических изменений в мышцах.

По завершении нагрузки в мышцах включаются реакции повреждения следующего эшелона, связанные с активацией окислительных процессов и лейкоцитарной инфильтрацией.

Возможна перетренированость по мышечному варианту.

***

Итак, мышечная утомляемость – неспособность поддерживать мышечное сокращение заданной интенсивности связана с:

– недостатком – энергетических запасов, АТФ, креатинфосфата, белков, жиров, кислорода (рО2) (гипоксия), глюкозы и гликогена (гипогликемия).

– закислением тканей (ацидоз);

– потерей жидкости (дегидратацией);

– избытком в крови продуктов обмена (аммиака, АДФ, мочевины) и недоокисленных продуктов (ПОЛ, молочная кислота);

– накоплением кетоновых тел (кетоз) и углекислого газа (рСО2);

– нарушением электрохимического сопряжения;

– изменением функционального состояния нервной системы;

– нарушением теплорегуляции и стабильности внутренней среды организма (гомеостаза);

101

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

– несоответствием между сократительной активностью и метаболическими возможностями мышцы;

– торможением мышечной деятельности.

3.2. КЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ

Органеллы – это субклеточная структура. Важность органелл заключается в том, что они принимают основное участие в обеспечении организма энергией.

К клеточным органеллам относятся:

– эндоплазматический ретикулум;

– аппарат Гольджи;

– лизосомы и пероксисомы;

– митохондрии;

– рибосомы;

– цитозоль.

Органеллу можно определить как ограниченную мембраной субклеточную структуру, которую можно выделить высокоскоростным центрифугированием.

Рибосомы и цитозоль не относятся к органеллам, но они перечислены здесь, т.к. выделяются центрифугированием и исследуются вместе с ними.

Эндоплазматичекий ретикулум (ЭПР)

Эндоплазматический ретикулум состоит из разветвленной сети трубочек и цистерн (карманов), окруженных мембраной, и может составлять до 10% от объема всей клетки. Площадь мембран эндоплазматического ретикулума составляет около 50% общей площади всех мембран клетки. Это не единичная жестко структурированная и упорядоченная структура, такая, например, как ядро или митохондрия, она подвержена частым изменениям.

Мембрана ЭПР морфологически идентична оболочке клеточного ядра и составляет с ней одно целое. Таким образом, полости эндоплазматического ретикулума открываются в межмембранную полость ядерной оболочки. Мембраны обеспечивают

102

активный транспорт ряда элементов противIII.градиентаБиохимическиконцент- рации. Толщина двухслойных мембран, образующих стенку канальцев, составляет около 50 ангстрем (0,005 мкм).

показатели

Трубочки, диаметр которых колеблется в пределах 0,1–0,3 мкм, заполнены гомогенным содержимым. Их функция ‒ осуществление коммуникации между содержимым пузырьков ЭПР, внешней средой и ядром клетки.

Выделяют два вида ЭПР:

‒ агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум; ‒ гранулярный (шероховатый) эндоплазматический ретикулум. Они выполняют различные функции в клетке.

На поверхности гранулярного ЭПР находится большое количество рибосом, которые отсутствуют на поверхности агранулярного ЭПР.

При участии ЭПР происходит трансляция и транспорт белков, синтез и транспорт липидов и стероидов. Для ЭПР характерно также накопление продуктов синтеза. Эндоплазматический ретикулум принимает участие, в том числе, и в создании новой ядерной оболочки. ЭПР содержит внутриклеточный запас кальция, который является, в частности, медиатором сокращения мышечной клетки. В клетках мышечных волокон расположена особая форма ЭПР ‒ саркоплазматическая сеть.

Агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум участвует в углеводном обмене, нейтрализации ядов и запасании кальция; ферменты агранулярного ЭПР участвуют в синтезе различных липидов и фосфолипидов, жирных кислот и стероидов (в связи с этим в клетках надпочечников и печени преобладает агранулярный эндоплазматический ретикулум).

Углеводы в организме накапливаются в печени в виде гликогена. Посредством гликогенолиза гликоген в печени трансформируется в глюкозу, что является важнейшим процессом в поддержании уровня глюкозы в крови. Один из ферментов агранулярного ЭПР отщепляет от первого продукта гликогенолиза, глюкоза-6-фосфата, фосфогруппу, позволяя таким образом глюкозе покинуть клетку и повысить уровень сахаров в крови.

Гладкий ЭПР клеток печени принимает активное участие в нейтрализации всевозможных ядов. Его ферменты присоеди-

103

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

няют к молекулам токсичных веществ гидрофильные радикалы, в результате чего повышается растворимость токсичных веществ в крови и моче, и они быстрее выводятся из организма. В случае непрерывного поступления ядов, медикаментов или алкоголя образуется большее количество агранулярного ЭПР, что повышает дозу действующего вещества, необходимую для достижения прежнего эффекта.

Концентрация ионов кальция в ЭПС может достигать 10– 3 моль, в то время как в цитозоле составляет порядка 10–7 моль (в состоянии покоя). Под действием инозитолтрифосфата и некоторых других стимулов кальций высвобождается из ЭПС путем облегченной диффузии. Возврат кальция в ЭПС обеспечивается активным транспортом. При этом мембрана ЭПС обеспечивает активный перенос ионов кальция против градиентов концентрации больших порядков. И прием, и освобождение ионов кальция в ЭПС находится в тонкой взаимосвязи с физиологическими условиями.

Концентрация ионов кальция в цитозоле влияет на множество внутриклеточных и межклеточных процессов, таких как активация или инактивация ферментов, экспрессия генов, синаптическая пластичность нейронов, сокращения мышечных клеток, освобождение антител из клеток иммунной системы.

Особую форму агранулярного ЭПР – саркоплазматический ретикулум – представляет собой ЭПС в мышечных клетках, в которых ионы кальция активно закачиваются из цитоплазмы в полости ЭПР против градиента концентрации в невозбужденном состоянии клетки и освобождаются в цитоплазму для инициации сокращения.

Гранулярный (шероховатый) ЭПР ‒ главная функция – синтез белков. Белки, производимые клеткой, синтезируются на поверхности рибосом, которые могут быть присоединены к поверхности ЭПС. Полученные полипептидные цепочки помещаются в полости гранулярного ЭПР (куда попадают и полипептидные цепочки, синтезированные в цитозоле), где впоследствии правильным образом обрезаются и сворачиваются. Таким образом, линейные последовательности аминокислот получают после транслокации в эндоплазматический ретикулум необходимую

104

трехмерную структуру, после чего повторноIII. Биохимическиперемещаютсяпоказатели в цитозоль.

Аппарат (комплекс) Гольджи

Это ‒ мембранная структура, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом ретикулуме.

Комплекс Гольджи представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), несколько расширенных ближе к краям, и связанную с ними систему пузырьков Гольджи. В животных клетках часто содержится одна большая или несколько соединенных трубками стопок.

В комплексе Гольджи выделяют 3 отдела цистерн, окруженных мембранными пузырьками:

‒ цис-отдел (ближний к ядру); ‒ медиальный отдел;

‒ транс-отдел (самый отдаленный от ядра).

Эти отделы различаются между собой набором ферментов. В цис-отделе первую цистерну называют «цистерной спасения», так как с ее помощью рецепторы, поступающие из промежуточной эндоплазматической сети, возвращаются обратно. Фермент цис-отдела: фосфогликозидаза (присоединяет фосфат к углеводу ‒ маннозе). В медиальном отделе находится 2 фермента: манназидаза (отщепляет маннозу) и N-ацетилглюкозаминтран- сфераза (присоединяет определенные углеводы ‒ гликозамины). В транс-отделе находятся ферменты пептидаза (осуществляет протеолиз) и трансфераза (осуществляет переброс химических групп).

Функции:

1. Разделение белков на 3 потока:

а) лизосомальный ‒ гликозилированные белки (с маннозой) поступают в цис-отдел комплекса Гольджи, некоторые из них фосфорилируются, образуется маркер лизосомальных ферментов ‒ манноза-6-фосфат. В дальнейшем эти фосфорилированные белки не будут подвергаться модификации, а попадут в лизосомы;

105

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

б) конститутивный экзоцитоз (конститутивная секреция). В этот поток включаются белки и липиды, которые становятся компонентами поверхностного аппарата клетки, в том числе гликокаликса, или же они могут входить в состав внеклеточного матрикса;

в) индуцируемая секреция ‒ сюда попадают белки, которые функционируют за пределами клетки, поверхностного аппарата клетки, во внутренней среде организма. Характерен для секреторных клеток.

2. Формирование слизистых секретов ‒ гликозамингликанов (мукополисахаридов).

3. Формирование углеводных компонентов гликокаликса ‒ в основном гликолипидов.

4. Сульфатирование углеводных и белковых компонентов гликопротеидов и гликолипидов.

5. Частичный протеолиз белков; иногда за счет этого неактивный белок переходит в активный (проинсулин превращается в инсулин).

Транспорт веществ из эндоплазматической сети. Аппарат Гольджи асимметричен ‒ цистерны, располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи), содержат наименее зрелые белки. К этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки ‒ везикулы, отпочковывающиеся от гранулярного эндоплазматического ретикулума, на мембранах которого и происходит синтез белков рибосомами. Перемещение белков из эндоплазматической сети (ЭПС) в аппарат Гольджи происходит неизбирательно, однако не полностью или неправильно свернутые белки остаются при этом в ЭПС. Возвращение белков из аппарата Гольджи в ЭПС требует наличия специфической сигнальной последовательности (лизин-аспарагин-глутамин-лейцин) и происходит благодаря связыванию этих белков с мембранными рецепторами в цис-Гольджи.

Модификация белков в аппарате Гольджи. Главная функция аппарата Гольджи ‒ сортировка проходящих через него белков. В цистернах аппарата Гольджи созревают белки, предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т.д. Созревающие белки последова-

106

III. Биохимические показатели

тельно перемещаются по цистернам в органеллы, в которых происходят их модификации ‒ гликозилирование и фосфорилирование. При О-гликозилировании к белкам присоединяются сложные сахара через атом кислорода. При фосфорилировании происходит присоединение к белкам остатка ортофосфорной кислоты.

Разные цистерны аппарата Гольджи содержат разные резидентные каталитические ферменты и, следовательно, с созревающими белками в них последовательно происходят разные процессы. Понятно, что такой ступенчатый процесс должен как-то контролироваться. Действительно, созревающие белки «маркируются» специальными полисахаридными остатками (преимущественно маннозными), вероятно, играющими роль своеобразного «знака качества». И в конце от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

В аппарате Гольджи происходит формирование «трехнаправленного белкового потока»:

‒ созревание и транспорт белков плазматической мембраны; ‒ созревание и транспорт секретов; ‒ созревание и транспорт ферментов лизосом.

С помощью везикулярного транспорта прошедшие через аппарат Гольджи белки доставляются «по адресу» в зависимости от полученных ими в аппарате Гольджи «меток». Механизмы этого процесса также не до конца понятны. Известно, что транспорт белков из аппарата Гольджи требует участия специфических мембранных рецепторов, которые опознают «груз» и обеспечивают избирательную стыковку пузырька с той или иной органеллой.

Образование лизосом. Многие гидролитические ферменты лизосом проходят через аппарат Гольджи, где они получают «метку» в виде специфического сахара ‒ маннозо-6-фосфата (М6Ф), в составе присоединенного к аминокислотной цепочке олигосахарида. Добавление этой метки происходит при участии двух ферментов. Фермент N-ацетилглюкозаминфосфотран- сфераза специфически опознает лизосомальные гидролазы по деталям их третичной структуры и присоединяет N-ацетилглю-

107

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

козаминфосфат к шестому атому нескольких маннозных остат- ков олигосахарида гидролазы. Второй фермент ‒ фосфогликозидаза ‒ отщепляет N-ацетилглюкозамин, создавая М6Ф-метку. Затем эта метка опознается белком-рецептором М6Ф, с его помощью гидролазы упаковываются в везикулы и доставляются в лизосомы. Там, в кислой среде, фосфат отщепляется от зрелой гидролазы. При нарушении работы N-ацетилглюкозаминфосфо- трансферазы из-за мутаций или при генетических дефектах рецептора М6Ф все ферменты лизосом «по умолчанию» доставляются к наружной мембране и секретируются во внеклеточную среду. Выяснилось, что в норме некоторое количество рецепторов М6Ф также попадают на наружную мембрану. Они возвращают случайно попавшие во внешнюю среду ферменты лизосом внутрь клетки в процессе эндоцитоза.

Транспорт белков на наружную мембрану. Как правило, еще в ходе синтеза белки наружной мембраны встраиваются своими гидрофобными участками в мембрану эндоплазматической сети. Затем в составе мембраны везикул они доставляются в аппарат Гольджи, а оттуда ‒ к поверхности клетки. При слиянии везикулы с плазмалеммой такие белки остаются в ее составе, а не выделяются во внешнюю среду, как те белки, что находились в полости везикулы.

Секреция. Практически все секретируемые клеткой вещества (как белковой, так и небелковой природы) проходят через аппарат Гольджи и там упаковываются в секреторные пузырьки.

Лизосомы и пероксисомы

Лизосомы – это мембранные органоиды клетки. Внутри лизосом находится лизосомальный матрикс из мукополисахаридов и белки ферменты.

Мембрана лизосом является производной от мембраны ЭПС, но имеет свои особенности. Это касается структуры билипидного слоя. В мембране лизосом он не сплошной (не непрерывный), а включает липидные мицеллы. Эти мицеллы составляют до 25% поверхности лизосомальной мембраны. Такое строение называется пластинчато-мицеллярное. В мембране лизосом

108

локализуются разнообразные белки. К ним относятсяIII. Биохимическиферменты:показатели гидролазы, фосфолипазы; и низкомолекулярные белки. Гидролазы являются специфическими для лизосом ферментами. Они катализируют реакции гидролиза (расщепления) высокомолекулярных веществ.

Функции лизосом. Переваривание частиц при фагоцитозе и пиноцитозе; защитная при фагоцитозе; аутофагия; аутолиз в онтогенезе.

Основной функцией лизосом является участие в гетерофаготических циклах (гетерофагия) и в аутофаготических циклах (аутофагия). При гетерофагии расщепляются чужеродные для клетки вещества. Аутофагия связана с расщеплением собственных веществ клетки. Обычный вариант гетерофагии начинается с эндоцитоза и образования эндоцитарного пузырька. В этом случае пузырек называют гетерофагосомой. В другом варианте гетерофагии отсутствует этап эндоцитоза чужеродных веществ. В этом случае первичная лизосома сразу включается в экзоцитоз. В результате гидролазы матрикса оказываются в гликокаликсе клетки и способны расщеплять внеклеточные чужеродные вещества.

Пероксисомы (микротельца) по строению сходны с лизосомами. Они состоят из матрикса и нуклеотида. Матрикс пероксисом содержит до 15 ферментов. Наиболее важные из них пероксидаза и каталаза, оксидаза D-аминокислот и уратроксидаза. Нуклеотид пероксисомы соответствует области конденсации ферментов. Пероксисомы образуются в ЭПС, отпочковываясь от агранулярной ЭПС, их ферменты частично синтезируются в гранулярной ЭПС, частично в гиалоплазме. Мембрана пероксисом непроницаема для ионов и низкомолекулярных субстратов.

Пероксисомы – главный центр образования кислорода клетки. В результате окисления аминокислот, углеводов образуется Н2О2 (перекись водорода), которая благодаря каталазе распада- ется на воду и О2. Крупные пероксисомы печени и почек играют важную роль в обезвреживании ряда веществ. Помимо этого они участвуют в катаболизме (в обмене аминокислот, оксалата и полиаминов).

109

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А. Митохондрии

Это – двумембранный сферический или эллипсоидный органоид диаметром обычно около 1 микрометра. Энергетическая станция клетки. Основная функция – окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии для генерации электрического потенциала, синтеза АТФ и термогенеза. Эти три процесса осуществляются за счет движения электронов по электронно-транспортной цепи белков внутренней мембраны. Количество митохондрий в клетках различных органов (мозг, сердце, мышцы) различно. Кроме того, количество и размер митохондрий зависит от вида спорта и тренированности.

Их геном кодирует компоненты собственной системы синтеза белка; многие ферменты и белки, необходимые для их функционирования, кодируются ядерными хромосомами, синтезируются в цитоплазме клетки и только потом транспортируются в органеллы.

Число митохондрий в клетке непостоянно. Их особенно много в клетках, в которых потребность в кислороде велика. По своему строению они представляют собой обычно сферические органеллы, занимающие 10–20% ее внутреннего объема. Митохондрии способны перемещаться по цитоплазме в зоны наибольшего энергопотребления. В клетках одновременно существуют примерно в равных количествах три типа митохондриальных органелл: молодые протомитохондрии, зрелые 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.

110