Биохимия / Обмен в тканях. Метода. БХ

1

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный медицинский университет»

Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации (ГБОУ ВПО НГМУ Минздравсоцразвития России)

ПЕДИАТРИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра медицинской химии

В.И.Шарапов, Н.В.Шинкарѐва

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА В МЫШЕЧНОЙ, НЕРВНОЙ И СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНЯХ

Учебное пособие для студентов 2-го курса лечебного, педиатрического,

стоматологического и медико-профилактического факультетов

Новосибирск - 2012

2

Шарапов В.И., Шинкарева Н.В.

Биохимические особенности метаболизма в мышечной, нервной и соединительной тканях. – Изд. испр. доп.- Новосибирск, НГМУ.- 2012.- 45с.

В настоящем учебно-методическом пособии рассмотрены основные функции, особенности строения, представлен химический состав мышечной, нервной и соединительной ткани в соответствии с программой по биологической химии. Рассмотрены особенности обмена веществ и представлены биохимические показатели, отражающие функциональное состояние данных тканей.

Учебно-методическое пособие может быть использовано для подготовки к практическим занятиям, коллоквиумам и экзамену. Пособие предназначено для студентов 2-3 курса всех факультетов очной формы обучения.

Тестовые задания предназначены для контроля уровня знаний студентов по теме «Биохимические особенности метаболизма в тканях»

Рецензенты:

О.Р. Грек, д.м.н., профессор, заведующий кафедрой фармакологии НГМУ, А.А. Зубахин, д.м.н., профессор кафедры патологической физиологии и клинической патофизиологии НГМУ

Переработанное пособие утверждено на заседании кафедры медицинской химии (протокол № 8 от 14.11.2011г.)

Утверждено и рекомендовано к печати ЦМК по физиологии (протокол № 2 от 18 января 2012г.)

©Шарапов В.И., Шинкарева Н.В.

©Новосибирский государственный медицинский университет, 2012 г.

3

С О Д Е Р Ж А Н И Е

РАЗДЕЛ I – « Биохимия мышечной ткани»

1.ФУНКЦИИ МЫШЦ………………………………………………………………………..4

2.МЫШЕЧНОЕ ВОЛОКНО………………………………………………………………...4

3.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ……………………………………..4

4.ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ…………................5

5.МИОФИБРИЛЛА……………………………………………………………….................8

6.МЕХАНИЗМЫ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ……………………………..............10 7.БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КРОВИ И МОЧИ, ОТРАЖАЮЩИЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ……………………………..13 8. ОСНОВНЫЕ НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ…………………………………………………………………………15

РАЗДЕЛ – II «Биохимия нервной ткани»

1.НЕЙРОН…………………………………………………………………………………...17

2.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ НЕРВНОЙ ТКАНИ………………………………...............17

3.ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ В НЕРВНОЙ ТКАНИ……………….......................20

4.НЕЙРОМЕДИАТОРЫ…………………………………………………………………….24

5.СПИНОМОЗГОВАЯ ЖИДКОСТЬ – КАК ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ ПОКАЗАТЕЛЬ СОСТОЯНИЯ НЕРВНОЙ ТКАНИ……………………….............................27

РАЗДЕЛ – III «Биохимия соединительной ткани»

1.ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ…………………………………………………………………………………………..29

2.ФУНКЦИИ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ…………………………………………….29

3.СОСТАВ И СТРОЕНИЕ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ……………………………....29

РАЗДЕЛ – IV – Тестовые задания и ситуационные задачи……………………………..42

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………45 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………………………………..45

4

РАЗДЕЛ – 1

Биохимия мышечной ткани

Мышечная ткань занимает первое место по объему среди других тканей человека. На ее долю при рождении приходится чуть меньше 25%, у людей среднего возраста — более 40%, а у пожилых — чуть меньше 30% общей массы тела.

1.ФУНКЦИИ МЫШЦ

1.передвижение тела в пространстве;

2.перемещение частей тела относительно друг друга;

3.поддержание позы; 4.обеспечивают работу сердечно-сосудистой, дыхательной, мочеполовой, желудочнокишечной системы; 5.выработка тепла;

6.механическая защита внутренних органов; 7.депо аминокислот, т.к. содержат много белков. 8.депо воды и солей.

2.МЫШЕЧНОЕ ВОЛОКНО

Функциональной единицей мышечной ткани является мышечное волокно (мышечная клетка). Мышечное волокно поперечнополосатой мышцы это многоядерная клетка. По форме мышечное волокно напоминает веретено, которое может быть вытянуто на всю длину мышцы. Снаружи мышечное волокно окружено электровозбудимой мембраной – сарколеммой, внутри находиться внутриклеточная жидкость - саркоплазма. Центральная часть саркоплазма практически полностью заполнена миофибриллами, на периферии, вдоль сарколеммы, располагаются ядра и митохондрии.

2.1 Классификация мышечных волокон

Мышечные волокна делят на 3 вида: скелетные, гладкие и миокард.

I. Скелетные волокна

1). Фазные (они генерируют потенциал действия); а). Быстрые (белые); б). Медленные (красные);

2). Тонические (не генерируют полноценный потенциал действия).

II. Гладкие волокна

1.Тонические. Не способны развивать быстрые сокращения.

2.Фазно-тонические. Способны развивать быстрые сокращения.

III. Миокард

Двигательная единица – это совокупность образований – нейрон и все мышечные

волокна (обычно 10-1000), которые этот нейрон через свои аксоны иннервирует.

3.ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ

В мышечной ткани взрослых животных и человека содержится от 72 до 80% воды и от 20 до 28 % сухого остатка. Сухой остаток представлен на 18,5-26,5% органическими и на 1,4-1,5% неорганическими веществами. Основной органический компонент мышц - это белки, на них приходиться около 20% (от 16,5 до 20,9%) от всей мышечной массы.

Мышечные белки 1. Сократительные (миофибриллярные) белки. Основными сократительными

белками являются миозин (55% от общей массы белка) и актин (25% от общей массы

5

белка). Также в мышцах содержатся тропомиозин и тропонины Т, I и С. Тропомиозин имеется во всех мышцах, а тропонины есть только в поперечнополосатых мышцах. В гораздо меньшем количестве в мышечных волокнах присутствуют белки α- и β-актинин, десмин, коннектин (титин) и виментин. Упаковка сократительных белков в мышце сравнима с упаковкой атомов и молекул в составе кристалла.

2. Саркоплазматические белки. В саркоплазме мышц содержатся глобулины X, миогены, миоглобин, нуклеопротеиды и ферменты. В миокарде содержится много АСТ,

АЛТ, ЛДГ1,2, КФК МВ. В скелетной мышце содержится много ЛДГ3,4, КФК ММ.

3. Белки стромы. Белки стромы мышечной ткани представлены в основном коллагеном и эластином.

Углеводы мышечной ткани

Основным углеводом мышечной ткани является гликоген (0,3-3,0%). Также в мышечной ткани присутствуют ГАГ, моносахариды глюкоза, фруктоза и т.д.

Липиды мышечной ткани

В мышечной ткани из липидов преобладают фосфолипиды и холестерин. Миокард по сравнению с другими мышечными тканями богаче фосфолипидами.

Небелковые азотистые вещества

В мышцах содержится ряд важных азотистых веществ:

1.много креатинфосфата и креатина (до 60% небелкового азота мышц), мало креатинина; 2.много адениновых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ (АТФ 4,43 мкмоль/г, АДФ 0,81 мкмоль/г, АМФ 0,93 мкмоль/г); 3.мало нуклеотидов неаденинового ряда ГТФ, УТФ, ЦТФ и др.

4.имидазолсодержащие дипептиды – карнозин и ансерин. 5.свободные аминокислоты (много глутамина, аланина) и др.

Неорганические вещества: макро- и микроэлементы

В мышцах содержатся минеральные вещества — соли К, Na, Ca, Mg.

Гладкие мышцы существенно отличаются по химическому составу от поперечнополосатых: у них более низкое содержание контрактальных белков — актомиозина, макроэргических соединений, дипептидов и др.

4.ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ Белковый обмен

Мышцы характеризуются высоким обменом белков и АК. Белки и АК в мышцах активно синтезируются и распадаются. Белок скелетных мышц является важным источником АК для всего организма. В условиях голодания и энергодефицита белки мышц разрушаются, а образовавшиеся АК покидают мышцы и активно используются организмом в качестве источника энергии.

У млекопитающих мышцы являются главным местом катаболизма АК с разветвленной цепью. Мышечная ткань окисляет лейцин до СО2 и превращает углеродный скелет аспартата, аспарагина, глутамата, изолейцина и валина в субстраты ЦТК. Способность мышц разрушать АК с разветвленной цепью при голодании и диабете возрастает в 3— 5 раз.

6

Мышцы также синтезируют и выделяют много аланина и глутамина. В синтезе этих АК используются аминогруппы, которые образуются при распаде АК с разветвленной цепью и затем переносятся на α-КГ и ПВК в ходе реакций трансаминирования. Источником почти всего пирувата, идущего на синтез аланина, является гликолиз (глюкозо-аланиновый цикл).

При интенсивной работе мышцы выделяют аммиак. В мышечной ткани активность глу-ДГ низка, поэтому при интенсивной работе функционирует в основном путь непрямого дезаминирования с участием цикла ИМФ-АМФ. Выделяющийся аммиак предотвращает закисление среды в клетках, вызванное образованием лактата.

Липидный обмен

В мышцах преобладает катаболизм липидов. Жирные кислоты, кетоновые тела в аэробных условиях окисляются в мышцах для получения энергии. В мышцах синтезируется немного холестерина.

Углеводный обмен

В мышцах преобладает катаболизм углеводов. Глюкоза окисляется в аэробных или анаэробных условиях для синтеза АТФ. Из глюкозы в мышцах образуется аланин. Также в мышцах протекает глюконеогенез, однако он идет не до конца и свободная глюкоза не выделяется в кровь. В скелетных мышцах глюконеогенез дает глюкозу-6-фосфат, в

миокарде – фруктозу-1,6-фосфат. Глюкоза, поступившая из крови и образовавшаяся в глюконеогенезе, запасается в мышцах в форме гликогена (до 1%). Большие запасы гликогена локализованы в гранулах, примыкающих к I-диску.

Гликогенолиз в мышцах кроме адреналина, также стимулируется Ca2+. Поэтому Са2+ не только стимулирует мышечное сокращение, но и усиливает образование необходимого для этого процесса источника энергии - АТФ.

Энергетический обмен

Энергетический обмен в мышцах отличается от всех тканей тем, что в состоянии покоя он очень низкий, а при интенсивной физической нагрузке он значительно возрастает.

Различия энергетического обмена наблюдаются и в самих мышцах. В белых (белых) волокнах преобладает анаэробный гликолиз, субстратом которого является только глюкоза. В красных (медленных) мышцах преобладает аэробное окисление жирных кислот, кетоновых тел и глюкозы.

Миокард в норме в качестве субстратов для синтеза АТФ использует жирные кислоты (65 — 70%), глюкозу (15 — 20%) и молочную кислоту (10 — 15%). Роль аминокислот, кетоновых тел и пирувата в энергообеспечении миокарда сравнительно невелика. Основным потребителем АТФ в мышечной ткани является процесс мышечного сокращения. Запасы АТФ в скелетной мышце при сокращении быстро истощаются, и их хватает менее чем на секундное сокращение.

Для того, чтобы обеспечить интенсивно работающую мышцу достаточным количеством энергии, в мышце существует несколько источников АТФ.

1).АТФ образуется по классическому пути: в реакциях субстратного и окислительного фосфорилирования.

2).АТФ образуется из 2 АДФ при участии миоаденилаткиназы: АДФ + АДФ → АТФ + АМФ; 3).АТФ образуется при работе креатинфосфатного челнока.

Работа креатинфосфатного челнока предотвращает быстрое истощение запасов АТФ в мышце. Это происходит благодаря тому, что:

1. в креатинфосфате создается запас макроэргических связей; 2. креатинфосфат меньше АТФ и по этому он гораздо подвижнее. Он гораздо

быстрее доставляет энергию от митохондрий к работающей миофибрилле, чем АТФ (скорость примерно на три порядка выше). При этом, скорость доставки энергии с помощью креатинфосфата заведомо превышает максимльную скорость ее использования.

Существует несколько изоферментов КФК не только в разных органах, но и в одной и той же клетке. В частности, в мышечных клетках идентифицированы четыре изофермента — в митохондриях, миофибриллах, мембранах саркоплазматического ретикулума, а также в комплексе с мембранными транспортными белками.

Кф-путь возникает в миокарде только после рождения, когда резко возрастает нагрузка на сердце. У многих беспозвоночных функцию Кф выполняет другой фосфаген - аргининфосфат.

Мышцы, характеризующиеся высокой потребностью в кислороде в связи с длительным состоянием сокращения (например, для поддержания определенной позы), обладают способностью резервировать кислород в миоглобине. Поскольку кислород связывается в миоглобине с гемом, мышцы, содержащие миоглобин, окрашены в красный цвет в отличие от не содержащих его белых скелетных мышц.

8

Характеристика быстрых и медленных скелетных мышц

5.МИОФИБРИЛЛА

Миофибрилла — это цилиндрическое образование толщиной 1-2 мкм, простирающиеся на всю длину мышечного волокна. Миофибрилла состоит из нескольких сократительных белков.

Состав миофибриллы

Миозин - асимметричный гексамер с мол. массой 460кДа, состоит из 2 тяжелых (мол. масса 200кДа) и 4 легких (L) (мол. масса 15-27кДа) цепей.

Миозин имеет фибриллярную и глобулярную часть. Фибриллярная часть образована двойной α-суперспиралью тяжелых цепей, имеет длину 150 нм. Свободный конец фибриллярной части, за счет карбоксильных групп, заряжен отрицательно.

Глобулярная часть состоит из 2 глобулярных «головок» (G), каждая из которых содержит 2 легкие цепи и глобулярную часть 1 тяжелой цепи. Глобулярные «головки», за счет аминогрупп, имеют положительный заряд. У скелетных мышц глобулярные головки миозина обладают АТФгидролизующей (АТФ-азной) активностью.

G-актин - мономерный (глобулярный) белок с молекулярной массой 43000Да. При физиологической величине рН и в присутствии магния G-актин нековалентно полимеризуется с образованием F-актина, нерастворимого двойного спирального филамента, толщиной в 6—7 нм. G- и F-актин не обладают каталитической активностью.

На поверхности F-актина через каждые 35,5 нм (38,5 нм) располагаются минорные белки: тропомиозин и тропонины Т, I и С. Тропомиозин имеется во всех мышцах, а тропонины есть только в поперечнополосатых мышцах.

Тропомиозин - белок, состоящий из двух а и р цепей, который располагается в щели между двумя полимерами F-актина.

Тропонины – глобулярные белки, которые образуют тропониновую систему. Тропонин I (TпI) ингибирует взаимодействие между F-актином и миозином и также

связывается с другими компонентами тропонина.

Тропонин С (ТпС) — кальций-связывающий белок с массой 17000Да, он может связывать 4 Са2+, его строение и свойства аналогичны кальмодулину.

Тропонин Т (ТпТ) как и другие тропонины, связывается с тропомиозином. α-Актинин – белок, который образует в миофибрилле Z-диск.

9

Строение миофибриллы

Миофибрилла состоит из одинаковых повторяющихся элементов - саркомеров. Саркомер - функциональная единица миофибриллы, он имеет длину от 1500 до 2300 нм.

Саркомер ограничен с двух сторон Z-дисками, образованные α-актинином.

К Z-дискам присоединены «тонкие» филаменты. Тонкие филаменты гладких мышц образованы F-актином и тропомиозином, а поперечнополосатых - F-актином, тропомиозином и тропонинами Т, I и С. Диаметр тонких филаментов составляет около 6 нм.

В центре саркомера, между «тонкими» филаментами, расположены «толстые» филаменты. «Толстые» филаменты имеют диаметр около 16нм, они образованы молекулами миозина. На поверхности «толстого» филамента с промежутками в 14 нм расположены головки миозина, с помощью которых «толстые» филаменты взаимодействуют с актином «тонких» филаментов. В центре «толстых»

филаментов на участке в 150 нм миозиновых головок нет.

Каждый «тонкий» филамент занимает симметричное положение между тремя толстыми филаментами, а каждый «толстый» филамент симметрично окружен шестью «тонкими» филаментами

Схема тонкого филамента. Показана пространственная конфигурация трех главных белковых компонентов: актина, тропомиозина и тропонина (по Р. Марри, 1993).

.

10

В скелетной мышечной ткани мышечные волокна выстраивается таким образом, что саркомеры миофибрилл располагаются параллельно. При этом на срезах наблюдается правильное чередование светлых и темных участков, благодаря которым скелетные мышцы называют поперечнополосатыми.

Темный участок – называется диск А (анизотропная зона), он образован «толстыми» нитями миозина. Его размер постоянен.

Центральная область диска А - называется зона Н, она выглядит менее плотной, чем остальная его часть. В зоне Н нет «тонких» нитей актина, в отличие от более темной части, которая образована и «толстыми» и «тонкими» нитями. Размер зоны Н уменьшается при сокращении мышцы.

Полоса М пересекает центральную область диска А, она образована толстыми нитями, в которых миозин не имеет головок. Полоса М имеет длину 150 нм, в не заходят «тонкие» нити актина.

Светлый участок - называется диск I (изотропная зона), он образован «тонкими» нитями актина. Размер диска I уменьшается при сокращении мышцы.

Диск I делит пополам очень плотная и узкая линия Z, которая образована Z-дисками α- актинина.

Расположение филаментов в поперечнополосатой мышце (по Р. Марри, 1993).