Михайлов С.С. Спортивная биохимия - файл n1.docx

приобрести
Михайлов С.С. Спортивная биохимия
скачать (864.4 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx865kb.15.09.2012 13:32скачать

n1.docx

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

С. С. Михайлов

Спортивная

БИОХИМИЯ

! Ju ^






УДК 577.1 ББК 28.072 М69

Рецензенты:

Розенгарт Е.В. — доктор биологических наук, профессор Санкт- Петербургской государственной академии физической культуры им. П. Ф. Лесгафта; Волков Н.И. доктор биологических наук, профессор Российского государственного университета физической культуры, спорта и туризма

Михайлов С.С.

М69 Спортивная биохимия: Учебник для вузов и колледжей физической культуры. - 2-е изд., доп. - М.: Советский спорт, 2004. - 220 е.: ил.

ISBN 5-85009-876-3

Учебник написан в соответствии с Государственным образовательным стандартом по биохимии для вузов физической культуры. В первой части учебника описаны строение и свойства главных классов органических соединений организма, рассмотрены основные метаболические процессы, дана биохимическая характеристика крови и мочи. Во второй части учебника всесторонне освещены биохимические аспекты мышечной деятельности, рассмотрены молекулярные основы двигательных качеств спортсмена, адаптации организма к физическим нагрузкам и затронута проблема питания спортсменов.

Предназначен для студентов дневной и заочной форм обучения высших и средних специальных учебных заведений физической культуры.

УДК 577.1 ББК 28.072

ISBN 5-85009-876-3 © Михайлов С.С., 2002

© Михайлов С.С., 2004 © Оформление. ФГУП «Издательство "Советский спорт"», 2004

ВВЕДЕНИЕ

Биохимия изучает в самом общем виде химическую сторону жизни.

Обычно выделяют три главные задачи, стоящие перед этой научной дисциплиной:

  1. Изучение химического состава живого организма, строения и свойств молекул, из которых он состоит.

  2. Изучение обмена веществ, т. е. химических превращений, которым подвергаются входящие в организм молекулы (раздел биохимии, решающий эти задачи, называется «Общая биохимия»).

  3. Изучение особенностей химического состава и обмена веществ отдельных представителей живого мира (например, у микробов, растений, животных), изучение химического состава и обмена веществ при различных заболеваниях и при поступлении в организм экзогенных веществ (ядов, лекарственных средств). К этой задаче также относится изучение влияния на организм разнообразных физических нагрузок, в том числе применяемых в спорте.

В целом раздел биохимии, занимающийся решением третьей задачи, называется «Функциональная, или частная, биохимия».

Направлением функциональной биохимии, исследующим влияние физических упражнений на организм спортсмена, является «Спортивная биохимия».

Биохимия как учебная дисциплина играет важную роль в подготовке специалистов в области физической культуры. Это положение можно обосновать следующим:

Используя простейшие биохимические исследования, тренер и преподаватель физвоспитания должны уметь оценить соответствие фи-

Часть 1

ОБЩАЯ БИОХИМИЯ1

ГЛАВА 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ОРГАНИЗМА"

Организм человека имеет следующий химический состав: вода - 60-65%, органические соединения - 30-32%, минеральные вещества - 4%.

Наибольшее значение для живых организмов имеют органические соединения. Важнейшими классами органических соединений, входящих в живые организмы, являются белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

БЕЛКИ

Белки выполняют в организме очень важные функции. К ним в первую очередь следует отнести: структурную, каталитическую, сократительную, транспортную, регуляторную, защитную, а также энергетическую. На долю белков в среднем приходится 1/6 часть от массы тела человека.

По строению белки - это высокомолекулярные азотсодержащие соединения, состоящие из аминокислот. В состав белковых молекул могут входить десятки, сотни и тысячи остатков аминокислот. Однако все белки, независимо от происхождения, содержат лишь 20 видов аминокислот Строение 20 разновидностей аминокислот, входящих во все бедаи, можно отразить следующей формулой:

r

i

H-C-nh2

У всех аминокислот можно выделить общую, одинаковую часть молекулы, содержащую амино- и карбоксильную группы (выделена пунктирной рамкой). Другая же часть молекулы, обозначенная как радикал (R), у каждой из 20 аминокислот имеет специфическое строение, и аминокислоты отличаются друг от друга только радикалами. (Классификация, формулы и некоторые свойства аминокислот приведены в приложении 1.)

Аминокислоты, соединяясь друг с другом пептидной связью, образуют длинные неразветвленные цепи - полипептиды. Пептидная связь возникает при взаимодействии карбоксильной группы одной аминокислоты и аминогруппы другой аминокислоты с выделением воды:


H,

CH-COOH
r1 r2 nh2-ch-cooh +nh2-ch-cooh

2о





о

н :

nh2 -сн

—;с

—n —i

Пешидная связь




Пептидные связи обладают высокой прочностью, их образуют все аминокислоты.

В состав белковой молекулы входит один или несколько полипептидов.

Кроме пептидных, в белках обнаруживаются еще дисульфидные, водородные, ионные и другие связи.

Эти химические связи могут возникать между остатками аминокислот, которые входят в разные участки одного и того же полипептида или же находятся в разных полипептидах, но обязательно пространственно сближены. В первом случае благодаря таким связям полипептидная цепь принимает определенную пространственную форму. Во втором случае с помощью непептидных связей полипептиды объединяются в белковую молекулу.

В итоге молекула белка является объемным, трехмерным образованием, имеющим определенную пространственную форму. Для удобства рассмотрения пространственного строения молекулы белка условно выделяют четыре уровня ее структурной организации.

Первый уровень пространственной организации белковой молекулы называется первичной структурой и представляет собой последовательность расположения аминокислот в полипептидных цепях. Фиксируется эта структура прочными пептидными связями. Другими словами, первичная структура характеризует химическое строение полипептидов, образующих белковую молекулу. Каждый индивидуальный белок имеет уникальную первичную структуру.

Второй уровень пространственной организации - вторичная структура - описывает пространственную форму полипептидных цепей. Например, у многих белков полипептидные цепи имеют форму спирали. Фиксируется вторичная структура дисульфидными и различными нековалентными связями.

Третий уровень пространственной организации - третичная структура - отражает пространственную форму вторичной структуры. Например, вторичная структура в форме спирали, в свою очередь, может укладываться в пространстве в виде глобулы, т. е. имеет шаровидную или яйцевидную форму. Стабилизируется третичная структура слабыми нековалентными связами, а также дисульфидными связями и поэтому является самой неустойчивой структурой.

Пространственная форма всей белковой молекулы получила название конформация. Поскольку в молекуле белка наряду с прочными ковалентными связями имеются еще менее прочные (нековалентные) связи, то его конформация характеризуется нестабильностью и может легко изменяться. Изменение пространственной формы белка влияет на его биологические функции. Конформация, находясь в которой белок обладает биологической активностью, называется нативной. Любые воздействия на белок, приводящие к нарушению этой конформа- ции, сопровождаются частичной или полной утратой белком его биологических свойств. Изменение конформации в небольших пределах обратимо и является одним из механизмов регуляции биологических функций белков в организме.

Четвертичной структурой обладают только некоторые белки. Четвертичная структура - это сложное надмолекулярное образование, состоящее из нескольких белков, имеющих свою собственную первичную, вторичную и третичную структуры. Каждый белок, входящий в состав четвертичной структуры, называется субъединицей. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех субъединиц двух типов (а и Р) и имеет строение а2рг- Ассоциация субъединиц в четвертичную структуру приводит к возникновению нового биологического свойства, отсутствующего у свободных субъединиц. Например, формирование четвертичной структуры в ряде случаев сопровождается появлением каталитической активности, которой нет у отдельных субъединиц.

Объединяются субъединицы в четвертичную структуру за счет слабых нековалентных связей, и поэтому четверичная структура неустойчива и легко диссоциирует на субъединицы. Образование и диссоциация четвертичной структуры является еще одним механизмом регуляции биологических функций белков.

Из всех структур белка кодируется только первичная. За счет информации, заключенной в молекуле ДНК, синтезируются полипептидные цепи (первичная структура). Высшие структуры (вторичная, третичная, четвертичная) возникают самопроизвольно в соответствии со строением полипептидов.

Классификация белков

Белки делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. К простым белкам, имеющимся в организме человека, относятся альбумины, глобулины, гистоны, белки опорных тканей. В молекуле сложного белка, кроме аминокислот, еще имеется неаминокислотная часть, называемая простетической группой. В зависимости от строения про- стетической группы выделяют такие сложные белки, как фосфопро- теиды (содержат в качестве простетической группы фосфорную кислоту), нуклеопротеиды (содержат нуклеиновую кислоту), глико- протеиды (содержат углевод), липопротеиды (содержат липоид), хромопротеиды (содержат окрашенную простетическую группу) и др.

Возможна и другая классификация белков, вытекающая из их пространственной формы. В этом случае белки разделяются на два больших класса: глобулярные и фибриллярные.

Молекулы глобулярных белков имеют шарообразную или эллипсоидную форму. Примером таких белков являются альбумины и глобулины плазмы крови.

Фибриллярные белки представляют собою вытянутые молекулы, у которых длина значительно превышает их диаметр. К таким белкам прежде всего необходимо отнести коллаген - самый распространенный белок у человека и высших животных, на долю которого приходится 25-30% от общего количества белков организма. Коллаген обладает высокой прочностью и эластичностью. Этот белок широко распространен в организме, он входит в состав соединительной ткани, и поэтому его можно обнаружить в коже, стенках сосудов, мышцах, сухожилиях, хрящах, костях, во внутренних органах.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

По своему строению нуклеиновые кислоты являются полинуклео- тидами, состоящими из очень большого количества мононуклеотидов (нуклеотидов). Любой нуклеотид обязательно включает в себя азотистое основание (циклическое соединение, содержащее атомы азота и обладающее щелочными свойствами), углевод и фосфорную кислоту.

Азотистые основания бывают двух типов: пуриновые и пирими- диновые.

Н Н

Аденин Гуанин

Пиримидиновыми основаниями являются урацил, тимин и цитозин:


Урацил Тимин Цитозин
К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин, имеющие следующее строение:

Углеводом, входящим в состав нуклеотидов, может быть рибоза или дезоксирибоза, находящиеся в циклической форме:

он/о. сн2он он/о. сн2он

он он н он

Рибоза Дезоксирибоза

Азотистые основания присоединяются к первому углеродному атому (С]) углевода. Азотистое основание, связанное с углеводом, называется нуклеозидом.

Нуклеозиды, содержащие аденин и гуанин, называются соответственно аденозин и гуанозин, а нуклеозиды с пиримидиновыми основаниями получили названия: уридин, тимидин и цитидин.

Если в состав нуклеозида входит дезоксирибоза, то в название нук- леозида входит еще приставка «дезокси-». Например, нуклеозид, состоящий из аденина и рибозы, называется «аденозин», а нуклеозид, содержащий аденин и дезоксирибозу, носит название «дезоксиаденозин», или в сокращенном виде «д-аденозин».

Фосфорная кислота присоединяется эфирной связью к пятому атому углерода рибозы или дезоксирибозы. Поэтому нуклеотиды можно рассматривать как нуклеозидфосфаты.

Нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот, имеют один остаток фосфорной кислоты, а свободные нуклеотиды могут содержать от одного до трех фосфатных остатков.

Название нуклеотидов состоит из трех частей: название нуклеозида, входящего в данный нуклеотид; числительное, показывающее количество остатков фосфорной кислоты, и слово «фосфат»:


аденозин - гуанозин ■ •уридин - тимидин - цитидин -

моно- ди - три -

фосфат

(дезокси);







Например, нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и фосфорной кислоты, называется аденозинмонофосфат, или сокращенно АМФ, и имеет следующее строение:

N ОН

СН20—Р=0

Аденин

\Н W он

он он

Рибоэа

Нуклеотиды, входящие в нуклеиновые кислоты, соединяются друг с другом в длинные полинуклеотидные цепи эфирными связями, идущими от углевода одного нуклеотида к фосфорной кислоте соседнего:

Аз. основание—углевод—фосфат Аз. основание —углевод —фосфат Аз. основание —углевод —фосфат Аз. основание —углевод —фосфат

В результате такого связывания образуется длинная цепь, состоящая из чередующихся остатков углевода и фосфорной кислоты. Азотистые основания непосредственно в эту цепь не входят; они как боковые веточки присоединяются к углеводам. Отличаются полинуклеотиды друг от друга длиной (т. е. количеством нуклеотидов) и последовательностью расположения азотистых оснований.


Особенности строении и свойства РНК н ДНК
Оказалось, что в одну молекулу нуклеиновых кислот может входить углевод только одного вида - рибоза или дезоксирибоза. На этом основании все нуклеиновые кислоты делятся на два типа: рибонуклеиновые - РНК (содержат рибозу) и дезоксирибонуклеиновые - ДНК (содержат дезоксирибозу). Особенности строения и биологические функции РЖ и ДНК отражены в табл. 1.


Таблица 1

п/п

Особенности строении, свойства, биологнческаи роль

РНК

ДНК

1.

Химический состав:

а)углевод

б) азотистые основания

а) Рибоза

б) Аденин, гуанин, урацил, цитозин (нет тимина)

а) Дезоксирибоза

б) Аденин, гуанин, тимин, цитозин (нет урацила)

2.

Количество нуклеотидов

Десятки, сотни и тысячи

Десятки и сотни тысяч

3.

Молекулярная масса

От 25 тыс. Да до 1 млн Да

Десятки млн Да

4.

Количество полинуклео- тидных цепей в молекуле

Одна

Две

5.

Пространственная конфигурация

Спираль, конфигурация «клеверного листа», клубок

Двойная спираль линейной или кольчатой формы

6.

Локализация в клетке

Цитоплазма. Рибосомы. Ядро (мало)

Ядро. Митохондрии (мало)

7.

Биологическая роль

Передача и реализация генетической информации, участие в синтезе белков

Хранение генетической информации

8.

Главные представители

Информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК)

Хроматин (комплекс ДНК и белков, входящий в хромосомы)




*

1 Да (дальтон, атомная, или углеродная, единица) = 1,66-КГ24 г.

Как видно из таблицы, ДНК имеет более сложное строение. Состоит молекула ДНК из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль вокруг общей оси и образующих двойную спираль (рис. 1).

Один виток каждой спирали содержит 10 нуклеотидов, диаметр двойной спирали около 2 нм . Азотистые основания обеих цепей находятся внутри двойной спирали и соединены друг с другом водородными связями. Связывание (спаривание) азотистых оснований осуществляется строго определенным образом. Аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин - с ци- тозином, причем все без исключения основания одной цепи спарены с основаниями второй. Вследствие этого обе нук- леотидные цепи, образующие молекулу ДНК, имеют одинаковую длину и пространственно соответствуют друг другу. Если в каком-то месте одной цепи находится аденин, то обязательно напротив него в другой цепи присутствует тимин, а напротив гуанина всегда располагается цитозин.

Рис. 1. Схема строения ДНК
Такое пространственное соответствие двух полинуклеотидных цепей ДНК получило название комплементарность.

Принцип комплементарности лежит в основе таких важнейших процессов, как репликация (удвоение молекулы ДНК в процессе клеточного деления), транскрипция (передача генетической информации с молекулы ДНК информационной РНК в процессе синтеза белков) и трансляция (сборка из аминокислот белковой молекулы на рибосомах).

УГЛЕВОДЫ

Углеводы - это альдегидоспирты или кетоспирты и их производные. В природе углеводы содержатся главным образом в растениях. В организме человека углеводов около 1%.

Основным природным углеводом является глюкоза, которая может находиться как в свободном виде (моносахарид), так и в составе олиго-сахаридов (сахароза, лактоза и др.) и полисахаридов (клетчатка, крахмал, гликоген).

Эмпирическая формула глюкозы СбН1206. Однако, как известно, глюкоза может иметь различные пространственные формы (ациклическую и циклические). В организме человека почти вся глюкоза (свободная и входящая в олиго- и полисахариды) находится в циклической а-пиранозной форме:






Свободная глюкоза в организме человека в основном находится в крови, где ее содержание довольно постоянно и колеблется в узком диапазоне от 3,9 до 6,1 ммоль/л (70-110 мг%).

Другим углеводом, типичным для человека и высших животных, является гликоген. Состоит гликоген из сильно разветвленных молекул большого размера, содержащих десятки тысяч остатков глюкозы. Эмпирическая формула гликогена - (С6Н10О5)п6Н10О5 - остаток глюкозы).

Гликоген является запасной, резервной формой глюкозы. Основные запасы гликогена сосредоточены в печени (до 5-6% от массы печени) и в мышцах (до 2-3% от их массы).

Глюкоза и гликоген в организме выполняют энергетическую функцию, являясь главными источниками энергии для всех клеток организма.

ЛИПИДЫ

Молекула жира состоит из остатка спирта - глицерина и трех остатков жирных кислот, соединенных сложноэфирной связью

О

II

сн2 — о — с — r,

Спортивная 2

БИОХИМИЯ 2

conh2 42

сн2 42

СН, 42

- адф н - с - nh2 42

соон 42

общая характеристика почек 70

Механизм образования мочи 71

It Чч ^ 169

Спортивная 178

БИОХИМИЯ 178




Перекись водорода Участок молекулы жирной кислоты, подвергшейся СРО

Далее в этом месте происходит расщепление жирной кислоты.

В связи с возникновением перекисной группировки свободноради- кальное окисление жирных кислот, входящих в состав липоидов, часто обозначают термином перекисное окисление липидов (ПОЛ).

Образование свободных радикалов кислорода в тканях организма происходит постоянно. За счет этого процесса прежде всего осуществляется обновление липидного слоя биологических мембран.

Считается, что свободные радикалы кислорода выполняют также защитную функцию, окисляя различные чужеродные вещества, поступающие в организм извне, в том числе мембранные белки и липоиды патогенных микроорганизмов.

В физиологических условиях свободнорадикальное окисление протекает с низкой скоростью, так как ему противостоит защитная анти- оксидантная система организма, предупреждающая накопление свободных радикалов кислорода и ограничивающая тем самым скорость СРО. Главным компонентом антиоксидантной системы является витамин Е (токоферол).

Активные формы кислорода могут возникать в процессе тканевого дыхания. Для нормального течения тканевого дыхания необходимо одновременное присоединение к молекуле кислорода четырех электронов. В этом случае образуются две молекулы воды. Однако же иногда (например, при избытке кислорода) к молекуле кислорода присоединяются два или даже один электрон. В этих случаях вместо воды возникают соответственно перекись водорода (Н202) и супероксид-анион кислорода (02~), которые очень токсичны для клеток, так как являются сильными окислителями и повреждают биомембраны (подробно см. в главе 17 «Молекулярные механизмы утомления»).

Для защиты от этих опасных соединений в состав антиоксидантной системы входят специальные ферменты. Под действием фермента су- пероксиддисмутазы супероксиданион превращается в перекись водорода:

2 02~ + 2 Н+ Н202 + 02

Далее перекись водорода разрушается ферментом каталазой: 2 Н202 — 2 Н20 + 02

ГЛАВА 5 ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

гткРНВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

С пищей в сутки поступает 400-500 г углеводов. Основные пищевые углеводы - крахмал, клетчатка, сахароза (пищевой сахар), лактоза (молочный сахар), гликоген.

Переваривание пищевых углеводов начинается в ротовой полости. Под действием фермента слюны амилазы крахмал и гликоген подвергаются неглубокому расщеплению с образованием низкомолекулярных полисахаридов - декстринов. Дальнейший распад декстринов, а также нерасщепленного крахмала и гликогена протекает в тонкой кишке с участием амилазы поджелудочного сока. В результате образуется диса- харид мальтоза, состоящая из двух остатков глюкозы. Завершается переваривание углеводов превращением образовавшейся мальтозы и других пищевых дисахаридов (сахароза, лактоза) в моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза), главным из которых является глюкоза.

Клетчатка (целлюлоза), в молекуле которой остатки глюкозы соединены прочными связями, в ходе пищеварения не расщепляется и, пройдя через весь кишечник, выделяется из организма.

Образовавшиеся моносахариды всасываются по системе воротной вены и поступают вначале в печень. При этом в печень поступает практически только глюкоза, так как в ходе всасывания в клетках тонкой кишки в нее могут превращаться другие моносахариды (фруктоза, галактоза и др.).

В печени значительная часть глюкозы превращается в
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации