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

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

структурных составных частей соединительной ткани: волокон, клетоки межклеточногоосновноговещества. Коллаген, синтезированныйв отсутствиеилипридефицитеаскорбиновойкислоты, оказывается недогидроксилированным (т. е. имеет пониженную температуру плавления). Такой коллаген не может образовать нормальные по структуре волокна, что и приводит к поражению кожи и ломкости сосудов.

Повреждение мышечной ткани

Двигательная активность вызывает значительные биохимические и морфологические изменения в ткани скелетных мышц не всегда адаптивного характера. Порог повреждения тренированных мышц при высокоинтенсивных нагрузках выше по сравнению с нетренированными. Травма мышц у спортсмена – это, как правило, вторичное метаболическое биохимическое повреждение, достигающее максимума на 1–3-й день после повреждающего сокращения.

Далее при длительных физических нагрузках в качестве основных факторов повреждения выступают нарушения кровообращения, гипоксические условия нагрузки, оксиданты, повышение лизосомальной активности клетки.

Повреждение мышечной ткани идет по пути повышения внутриклеточной концентрации Са2+ (и активации Са2+-зависи- мых протеиназ), что приводит к запуску расщепления белков скелетных мышц, воспалению и нарушению процессов регенерации. Развивается ацидоз в связи с продукцией большого количества лактата.

Далее усиливаются окислительные процессы (особенно ПОЛ, инициатором которого является высокий уровень АФК) и повышается проницаемость мембран миоцитов. Как результат протекающей асептической воспалительной реакции– разрыв сарколеммы.

Повреждение миофибрилл происходит и из-за увеличения ацидоза (избыточное образование лактата), усиления катаболизма белковых структур (кетоз, избыточный уровень аммиака). Вначалеследуетмышечнаяусталость, ноеслипродолжатьфизическую нагрузку в условиях блокады аэробного использования пирувата, повторного запуска глюконеогенеза и накопления аммиака, структура миофибрилл нарушается.

60

III. Биохимические показатели

Миоглобин обеспечивает транспорт и хранение кислорода

впоперечно-полосатой мускулатуре. Концентрация его в сывороткепропорциональнамышечноймассе, поэтомууспортсменовмужчин уровень миоглобина выше. Определение миоглобина может использоваться для оценки уровня подготовки атлета. Выходв сывороткумиоглобиназадерживаетсяу тренированных спортсменови ускоряетсяу потерявшихспортивнуюформу. Значительное увеличение концентрации миоглобина наблюдается при деструкции клеток скелетной мускулатуры и дезадаптации мышц. При повреждении мышц происходит высвобождение миоглобина в сыворотку крови и появление его в моче.

При повреждении мышечной ткани, исходя из сути биохимических процессов, реакции печени и почек, достоверными показателями будут:

– длительно высокий уровень КФК и ЛДГ;

– длительно высокий уровень миоглобина, BNP;

– высокий уровень ферритина;

– обнаружение тропонинов и актина в крови;

– высокие уровни малонового диальдегида, диеновых конъюгатов, молекул средней массы (эндогенная интоксикация);

– снижение активности глутатионпероксидазы, миелопероксидазы, супероксиддисмутазы (антиоксидантная защита);

– высокий уровень активных форм кислорода (ОМГ-тест) – повреждающий фактор;

– 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 фосфоркреатина ферментом креатинкиназой. Большое количество креатина содержится

вмышечной ткани, где он играет важную роль в процессах энергетического обмена. Высокоинтенсивная тренировка приводит к дефициту фосфоркреатина. 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.

61

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

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

Возможна перетренированость по мышечному варианту.

3.2. КЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНЕЛЛЫ

Органеллы– это субклеточная структура. Важность органелл заключаетсяв том, что они принимаютосновное участиев обеспечении организма энергией.

К клеточным органеллам относятся:

– эндоплазматичекий ретикулум;

– аппарат Гольджи;

– лизосомы и пероксисомы;

– митохондрии;

– рибосомы;

– цитозоль.

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

Но рибосомы и цитозоль не относятся к органеллам, они перечисленыздесь, т. к. выделяютсяцентрифугированиемиисследуются вместе с ними.

Эндоплазматичекий ретикулум (ЭПР)

Эндоплазматический ретикулум состоит из разветвлённой сети трубочеки цистерн(карманов), окружённыхмембраной, 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 оболочкеклеточногоядраи составляетс нейодноцелое. Такимобразом, полости эндоплазматического ретикулума открываются в межмембраннуюполость ядернойоболочки. Мембраныобеспечиваютактивный транспорт ряда элементов против градиента концентрации. Толщина двухслойных мембран, образующих стенку канальцев, составляет около 50 ангстрем (0,005 мкм).

62

III. Биохимические показатели

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

Выделяют два вида ЭПР:

— агранулярный(гладкий) эндоплазматическийретикулум;

— гранулярный (шероховатый) эндоплазматический ретикулум.

Они выполняют различные функции в клетке.

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

ПриучастииЭПРпроисходиттрансляцияи транспортбелков, 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 участвуетв углеводномобмене, нейтрализацииядови запасании кальция; ферментыагранулярногоЭПРучаствуютв синтезеразличных 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

вподдержании уровня глюкозы в крови. Один из ферментов агранулярного ЭПР отщепляет от первого продукта гликогенолиза, глюкоза-6-фосфата, фосфогруппу, позволяя такимобразом глюкозе покинуть клетку и повысить уровень сахаров в крови.

Гладкий ЭПР клеток печени принимает активное участие

внейтрализации всевозможных ядов. Его ферменты присоединяют 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,

63

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

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 путём облегченной диффузии. Возврат кальция в ЭПС обеспечивается активным транспортом. При этом мембрана ЭПС обеспечивает активный перенос ионов кальция против градиентов концентрации больших порядков. И приём, и освобождениеионов кальция

вЭПС 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,

вкоторых ионы кальция активно закачиваются из цитоплазмы

вполости ЭПР против градиента концентрации в невозбуждённом состоянии клетки и освобождаются в цитоплазму для инициации сокращения.

Гранулярный (шероховатый) ЭПР. Егоглавная 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 трёхмерную структуру, после чего повторно перемещаются в цитозоль.

Аппарат (комплекс) Гольджи

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

64

III. Биохимические показатели

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 соединённых трубками стопок.

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

— цис-отдел (ближний к ядру);

— медиальный отдел;

— транс-отдел (самый отдалённый от ядра).

Эти отделы различаются между собой набором ферментов.

Вцис-отделе первую цистернуназывают «цистернойспасения», так как с её помощью рецепторы, поступающие из промежуточной эндоплазматической сети, возвращаются обратно. Фермент цис-отдела: фосфогликозидаза (присоединяет фосфат к углеводу– маннозе). В медиальном отделе находятся 2 фермента: манназидаза (отщепляет маннозу) и N-ацетилглюкозаминтранс- фераза (присоединяет определённые углеводы– гликозамины).

Втранс-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 маркёр лизосомальных ферментов– манноза-6-фосфат. В дальнейшем эти фосфорилированные белкинебудутподвергатьсямодификации, апопадутвлизосомы;

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).

65

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

3.Формирование углеводных компонентов гликокаликса–

восновном гликолипидов.

4.Сульфатирование углеводных и белковых компонентов гликопротеидов и гликолипидов.

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

винсулин).

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 эндоплазматическогоретикулума, намембранахкоторогои 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 сиг- нальнойпоследовательности(лизин-аспарагин-глутамин-лейцин) и происходитблагодарясвязываниюэтихбелковс 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 последовательно 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

66

III. Биохимические показатели

транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки.

В аппаратеГольджипроисходитформирование«трехнаправленного белкового потока»:

— созреваниеи транспортбелковплазматическоймембраны;

— созревание и транспорт секретов;

— созревание и транспорт ферментов лизосом.

Спомощьювезикулярноготранспортапрошедшиечерезаппарат Гольджи белки доставляются «по адресу» в зависимости от полученныхимив аппарате Гольджи«меток». Механизмыэтого процесса также не до конца понятны. Известно, что транспорт белковизаппаратаГольджитребуетучастияспецифическихмембранных 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 присоединённого к аминокислотной цепочке олигосахарида. Добавление этой метки происходит при участии двухферментов. ФерментN-ацетилглюкозаминфосфотрансфераза специфическиопознаетлизосомальныегидролазыподеталямих третичной структуры и присоединяет N-ацетилглюкозаминфос- фатк шестомуатомунесколькихманнозныхостатковолигосахаридагидролазы. Второйфермент– 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,

вкислой среде, фосфат отщепляется от зрелой гидролазы. При нарушенииработыN-ацетилглюкозаминфосфотрансферазыиз-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

впроцессе эндоцитоза.

Транспорт белков на наружную мембрану. Как правило, ещё в ходе синтеза белки наружной мембраны встраиваются своими гидрофобнымиучасткамив мембрануэндоплазматическойсети. Затем в составе мембраны везикул они доставляются в аппарат

67

КУЛИНЕНКОВ О.С., ЛАПШИН И.А.

Гольджи, а оттуда– к поверхности клетки. При слиянии везикулы с плазмалеммой такие белки остаются в её составе, а не выделяются во внешнюю среду, как те белки, что находились в полости везикулы.

Секреция. Практически все секретируемыеклеткой вещества (какбелковой, таки небелковойприроды) проходятчерезаппарат 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, ноимеетсвоиособенности. Этокасаетсяструктурыбилипидного 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 локализуютсяразнообразныебелки. К нимотносятсяферменты: 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

вэкзоцитоз. В результате гидролазы матрикса оказываются

вгликокаликсе клетки и способны расщеплять внеклеточные чужеродные вещества.

Пероксисомы (микротельца) по строению сходны с лизосомами. Они состоят из матрикса и нуклеотида. Матрикс перокси-

68

III. Биохимические показатели

сомсодержитдо15 ферментов. Наиболееважныеизних – 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 гранулярнойЭПС, частичнов гиалоплазме. Мембранапероксисом непроницаема для ионов и низкомолекулярных субстратов.

Пероксисомы– главныйцентробразованиякислородаклетки. В результатеокисленияаминокислот, углеводовобразуетсяН2О2 (перекись водорода), которая благодаря каталазе распадается 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).

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 счёт 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.

Ихгеномкодируеткомпонентысобственнойсистемысинтеза 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% её внутреннего объёма. Митохондрии способны перемещаться по цитоплазме в зоны наибольшего энергопотребления. В клетках одновременно существуют примерно в равных количествах три типа митохондриальных органелл: молодые протомитохондрии, зрелые

69