Биохимия в практике спорта

Внутренняя мембрана образует многочисленныеIII. Биохимическигребневидные складки – кристы, существенно увеличивающие площадь ее поверхности. Особенность внутренней мембраны митохондрий – очень высокое содержание белков (до 70% по весу), представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а также крупными АТФ-синтетазными комплексами. 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.

показатели

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, цикла лимонной кислоты). Кроме того, здесь же находится митохондриальная 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 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. Превращение поступивших из цитоплазмы в митохондрию пирувата и жирных кислот в ацетил-СоА.

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

111

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

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

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

Еще в цитоплазме шестиуглеродная молекула глюкозы частично окисляется до двух трехуглеродных молекул пирувата с образованием двух молекул АТФ. Затем пируват переносится из цитозоля через наружную и внутреннюю мембраны в матрикс, где первоначально декарбоксилируется и превращается в ацетил-СоА. На следующем этапе, также протекающем в матриксе митохондрии, ацетил-СоА полностью окисляется в цикле Кребса.

Дальнейшие процессы энергообразования в митохондрии происходят на ее 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».

Весь процесс переноса электрона по дыхательной цепи может быть разбит на три стадии, каждая из которых катализируется отдельным трансмембранным липопротеидным комплексом (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.

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 функционируют мигрирующие в плоскости мембраны жирорастворимые молекулы убихинона, а также небольшие водорастворимые белки, содержащие ковалентно связанный гем и называе-

112

мые «цитохромами с». При этом три изIII.пятиБиохимическикомпонентов,показатели 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-убихи- нон-оксидоредуктаза). Функциональная активность этого комплекса определяется тем, что он содержит в своем составе более 20 атомов железа, упакованных в ячейки из атомов серы, а также флавин (производное витамина рибофлавина). Комплекс I катализирует окисление НАДН.

Комплекс III катализирует реакцию окисления двух убихинолов до убихинонов, восстанавливая две молекулы цитохрома 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 по дыхательной цепи пары электронов перекачивается от трех до шести протонов.

Завершающим этапом функционирования митохондрии является генерация АТФ, осуществляемая встроенным во внутрен-

113

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

нюю мембрану специальным макромолекулярным комплексом. Этот комплекс, называемый АТФ-синтазой, как раз и катализирует синтез АТФ путем конверсии энергии трансмембранного электрохимического градиента протонов водорода в энергию макроэргической связи молекулы АТФ.

АТФ-синтаза. В молекуле АТФ-синтазы можно выделить две 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 ее отдельных частей, что позволило отнести этот процесс к особому типу явлений, названных «вращательным катализом». Подобно тому, как электрический ток в обмотке электродвигателя приводит в движение ротор относительно статора, направленный перенос протонов через АТФ-синтазу вызывает вращение отдельных субъединиц фактора сопряжения относительно других 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, который обменивает вновь синтезированную АТФ на цитоплазматическую АДФ, что гарантирует сохранность фонда адениловых нуклеотидов внутри митохондрий.

Митохондрии и наследственность. ДНК митохондрий наследуются 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. Рибосомы имеют сферическую или слегка эллипсоидную форму

114

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

Биохимически показатели

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

Структурно и функционально рибосома − это прежде всего ее РНК. Рибосомная РНК (рРНК) в составе рибосомы очень 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 задается свойствами рРНК. Рибосомная РНК состоит из малой субъединицы и большой субъединицы.

Рибосомные белки. Рибосома на 30–50% состоит из белка. Кроме биополимеров (РНК и белков), в состав рибосом

входят также некоторые низкомолекулярные компоненты. Это молекулы воды, ионы металлов (главным образом Mg2+ – до 2% сухой массы 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).

В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматической сети, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме. Нередко с одной молекулой мРНК ассоциировано несколько рибосом, такая структура называется полирибосомой (полисомой). Синтез рибосом происходит в специальной внутриядерной структуре – ядрышке.

Рибосомы впервые были описаны в середине 1950-х годов. В начале 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.

115

Цитозоль – жидкое содержимое клетки. Большую часть цитозоля занимает внутриклеточная жидкость. Цитозоль разбивается на компартменты при помощи разнообразных мембран. Таким 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 и другие органеллы, но не содержащаяся в них жидкость и внутренние структуры. У эукариот, хотя многие реакции протекают в органеллах, некоторые реакции происходят в цитозоле. У прокариот большая часть химических реакций метаболизма происходит в цитозоле, и лишь небольшая их часть – в мембранах и периплазматическом пространстве.

Химически цитозоль представляет собой сложную смесь веществ, растворенных 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 и генерация 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.

116

III. Биохимические показатели

У цитозоля нет какой-то одной функции, потому что в нем протекает множество процессов. Среди этих 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.

3.3. КЛЕТОЧНЫЙ СОСТАВ КРОВИ

Раньше подсчет клеточного состава крови проводился визуальным способом в ручном порядке. Сейчас, чаще всего, все параметры определяются путем подсчета на автоматических поточных анализаторах.

Определяют клеточный состав как в периферической крови, взятой из капиллярной крови пальца, так и из венозной крови, одномоментно с определением биохимических показателей. Различные заболевания и значительная физическая нагрузка довольно быстро (минуты, часы) вызывают изменения, как в 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.

Среди разнообразных клеток лейкоцитов существует «узкая специализация». Различают 5 видов лейкоцитов: базофилы, нейтрофилы, эозинофилы, моноциты, лимфоциты. Их измеряют в процентах от общего количества лейкоцитов (100%) и абсолютных количествах в одном кубическом миллиметре, которые, каждый в отдельности, могут не укладываться в средний

117

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

норматив. Большее значение имеет подсчет абсолютного коли- чества представителей лейкоцитов в одном микролитре крови, чем их процентное соотношение.

Абсолютное число лейкоцитарных клеточных форм вычисляется исходя из известного общего количества лейкоцитов в 1 мкл и процентов отдельных составляющих типов.

Караулов А.В. предложил (2002) вычислять лейкоинтоксикационный индекс (ЛИИ). Имея лейкоцитограмму, это можно делать по формуле:

ЛИИ = –––––––––––––––––––––Ми + Ю + Пл + П + С  , Э + Б + Л + М

где Ми – миелоциты, Ю – юные, Пл – плазматические клетки, П – палочкоядерные, С – сегментоядерные, Э – эозинофилы, Б – базофилы, Л – лимфоциты, М – моноциты.

Значение индекса: в интервале от 1 до 2 – легкая степень интоксикации;

от 2,1 до 7 – средняя; от 7,1 до 12 – тяжелая;

более 12,1 – терминальное состояние.

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%) ‒ защищают 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 реагировать, выделяя вещества, необходимые для уничтожения инородных агентов. Дифференцированно лимфоциты делятся

118

на Т и В клетки (киллеры и хелперы) имеющиеIII. Биохимическиотношениепоказатели к 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, как реакция на прием некоторых препаратов.

Значительная физическая нагрузка вызывает значительный лейкоцитоз.

Увеличение количества лейкоцитов во время физической 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), которые транспортируют кислород в ткани, а от тканей (в обратном направлении) – оксид углерода (СО2); поддерживают в организме биологические окислительные процессы. Эритроциты лишены ядра и органелл. Норма количества эритроцитов (3,9– 5,5×1012/л) в одном кубическом миллилитре в разных регионах страны разная. Кроме того, она различается у детей, женщин и мужчин. И зависит также от физической нагрузки, приема фармакологических препаратов (чаще это стероиды, эритропоэтины), ряда заболеваний (нарушения иммунных процессов). Возможно ускоренное разрушение эритроцитов в результате значительной физической нагрузки.

В капиллярах они движутся со скоростью 2 см/мин (при нормальном пульсе), что дает 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.

119

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Средняя продолжительность жизни эритроцитов у здорового человека составляет около 120 суток. Но есть теория, что срок жизни зависит от определенного количества контактов с кислородом, т.е. чем их больше, тем короче жизнь эритроцитов. По этой теории средняя продолжительность жизни эритроцитов у спортсменов короче, чем среднестатистическая.

Средний объем эритроцита (MCV) – количественный показатель объема эритроцитов. Показатель, характеризующий среднюю величину клеток (в объемном отношении). Единицей измерения MCV является фемтолитр.

Эритроциты определяются на автоматических анализаторах по следующим параметрам: ширина распределения эритроцитов, средний объем эритроцита (фл), среднее содержание гемоглобина в эритроците, средняя концентрация гемоглобина в эритроцитах, скорость оседания эритроцитов (СОЭ). Определяется и осмотическая резистентность эритроцитов.

Ретикулоциты – молодые формы эритроцитов (предшественники зрелых эритроцитов), содержащие зернисто-нитчатую субстанцию, выявляемую при специальной окраске.

Ретикулоциты существуют как в костном мозге, так и в периферической крови. Время созревания ретикулоцитов составляет 4–5 суток, из них в течение 3 суток они дозревают в периферической крови, после чего становятся зрелыми эритроцитами. Норма – 1–5% от количества эритроцитов. Число ретикулоцитов в крови отражает регенеративные свойства костного мозга относительно красного ростка. Доля ретикулоцитов может превышать 50% в случае усиленного разрушения эритроцитов. Резкое снижение количества эритроцитов в периферической крови может привести к искусственному завышению числа ретикулоцитов, так как их рассчитывают в процентах 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.

120