Анализ макроэлементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Что такое макроэлементы? Приведите примеры некоторых макроэлементов. Опишите биологическую роль кальция, как компонента тканей организма и участника биохимичских процессов сокрощения мышц

макроэлемент эритроцит креотинфасфат мышечный

Макроэлементы - химические элементы, содержащийся в теле живых организмов в концентрации от 0.001% до 70%. К макроэлементам относятся: кислород, водород, углерод, азот, фосфор, калий, кальций, сера, магний, натрий, хлор, железо и др.

Натрий и хлор - это сама жизнь. Более того - это соль нашей жизни в прямом и переносном значении данного слова, ведь химическая формула поваренной соли состоит из этих двух элементов (NaCl).

Основой крови любого живого организма является солевой раствор слабой концентрации; в состав желудочного сока тоже входит соль; даже негативные наши эмоциональные излияния - слёзы - солены на вкус.

Без соли нельзя приготовить ни одно блюдо так, чтобы оно было вкусным. Лишь при некоторых определённых заболеваниях врачи рекомендуют бессолевую диету (например, при тяжёлых болезнях почек).

Натрий - жизненно необходимый внутриклеточный и межклеточный элемент, электролит, стабилизирующий кровяное давление, поддерживающий буферность крови на нужном уровне, регулирующий почечную деятельность, работу мышечной и нервной ткани, активизирующий пищеварительные ферменты.

Натрий поддерживает нормальную сократимость мышц, тонус сосудистых стенок, процессы возбудимости и расслабления. В костной ткани депонируется до 30% натрия, примерно столько же его в клеточной системе организма.

Суточная потребность в натрии у взрослых составляет 4-5 г. Избыток же этого макроэлемента вызывает отеки лица и ног: ионы натрия провоцируют набухание коллоидов тканей, что, в свою очередь, способствует задержке и накоплению воды в организме. При большом количестве соли в пищевом рационе, при дисфункции коры надпочечников, склонности к гипертонии, сахарном диабете, неврозах, при нарушении водно-солевого обмена и выделительной функции почек количество натрия в организме повышается.

Симптомы избытка: гиперактивность, впечатлительность, быстрая возбудимость, потливость, повышенная жажда.

Пищевые источники натрия

Содержание натрия в продуктах довольно невелико. Макроэлемент входит в состав морской капусты, моркови, свекле, цикории, одуванчике, сельдерее. При приготовлении блюд рекомендуют применять морскую очищенную соль, потому как она в меньшей степени приводит к задержке воды в организме.

Хлор является составной частью человеческого организма, где он находится в основном в ионизированном состоянии. Основное место концентрации хлора - кожа, в ней содержится 30-60 % элемента. Также хлор входит в состав крови, межклеточной жидкости и костной ткани. 90 % хлора выводится с мочой и потом.

Суточная потребность в хлоре - 2 г. Она полностью удовлетворяется потреблением поваренной соли, ананаса, огурцов, моркови, лука, томата, редиса, сельдерея, салата, сырой белокочанной капусты, свеклы. Также он присутствует в бобовых, злаках.

Роль хлора в организме

· содержится в соляной кислоте - главной составляющей желудочного сока

· совместно с натрием поддерживает водно-электролитный баланс организма, способствует накоплению воды в тканях

· принимает участие в формировании плазмы крови

· помогает выводить токсины и шлаки из организма, улучшает деятельность печени

· способствует нормальному пищеварению

· активизирует некоторые ферменты

· принимает участие в процессе расщепления жиров

· контролирует состояние эритроцитов

· способствует своевременному выведению из организма углекислого газа

Избыток хлора

Повышенное содержание хлора в организме вредно, так как приводит к задержке воды в тканях и органах, что, прежде всего, влечет повышение кровяного давления. Другие симптомы избытка хлора: боли в голове и груди, диспепсические расстройства, сухой кашель, слезотечение, резь в глазах. В более тяжелых случаях возможно возникновение токсического отека легких и бронхопневмонии с повышением температуры.

Причины возникновения избытка хлора вдыхание концентрированных паров с содержанием хлора на вредных производствах (текстильное, фармацевтическое, химическое);

прием некоторых лечебных препаратов, а также ряд заболеваний: гиперфункция коры надпочечников, повреждение гипоталамуса и другие;

дезинфекция питьевой воды с помощью хлора, в результате чего образуются соединения, приводящие к респираторно-вирусным заболеваниям, гастритам, пневмонии, и по некоторым данным, даже к онкозаболеваниям предполагают также, что есть большая опасность отравления хлором при вдыхании концентрированных токсичных веществ во время длительного приема горячего душа.

Если натрий и хлор - сама жизнь, то кальций - это красота жизни. Как и всякая красота, он весьма капризен. Кальций не усваивается без витаминов группы D, поэтому следует выбирать препараты кальция с витамином D или же дополнительно принимать жирорастворимый витамин D в осенне-зимний период.

Значение кальция в обмене веществ организма человека трудно переоценить. Он участвует в функционировании сердечнососудистой и нервной систем, в процессе свёртываемости крови, в выработке гормонов, ферментов и белков, в сокращении и расслаблении мышц и особенно - в обеспечении прочности костей скелета.

Учёные утверждают, что 99% кальция содержится в костях, поэтому они служат основным резервуаром кальция в нашем организме.

В среднем человек нуждается в потреблении 0,6 -1,1 г кальция в сутки. Он крайне важен для развития детского организма. При беременности и кормлении грудью суточная потребность увеличивается до 1,5-2 г. Основные источники кальция: кожица всех фруктов и овощей; отруби, бобовые - горох, зеленый горошек, чечевица, соя, бобы, фасоль, шпинат, морковь, репа, листья молодых одуванчиков, сельдерей, яблоки, вишня, крыжовник, земляника, спаржа, капуста, картофель, смородина, яйца, огурцы, апельсины, ананасы, персики, редис, виноград, овощи зеленые - салат, лук, ботва моркови, репы, редиски, зеленые зерна пшеницы, хлеб ржаной, крупа овсяная, миндаль, лук; кисломолочные продукты - творог, сметана, кефир, простокваша, ацидофилин и т. д.; абрикосы, свекла, ежевика [6].

Действие и свойства кальция

Помимо построения костей и зубов кальций выполняет и другие функции: активно участвует в процессах свертывания крови, играет важную роль в работе ферментных систем, влияет на деятельность сердечнососудистой и нервно-мышечной систем. Кальций снижает проницаемость сосудов, усиливает сопротивляемость организма к токсинам и инфекциям, обладает противовоспалительным действием.

Нельзя переоценить значение этого элемента для полноценного внутриутробного развития плода: соли кальция закладывают основу жизненно-важных систем и процессов организма ребенка.

Избыток кальция

Избыток элемента может спровоцировать повышение кровяного давления и привести к отложению солей кальция в тканях, в которых изначально они присутствовать не должны (кальциноз).

У кальция есть свои «враги», которые мешают его усвоению или же «изгоняют» его из организма. К ним относятся:

- стрессы,

- злоупотребление кофе,

- злоупотребление алкоголем,

- приём противосудорожных лекарственных препаратов,

- курение,

- малоподвижный образ жизни,

- беременность, роды и кормление грудью.

В процессе сокращения мышечного волокна в нем происходят следующие преобразования:

А. Электрохимическое преобразование:

1. Генерация ПД.

2. Распространение ПД по Т-системе.

3. Электрическая стимуляция зоны контакта Т-системы и саркоплазматического ретикулума, активация ферментов, образование инозитолтрифосфата, повышение внутриклеточной концентрации ионов Са2+.

Б. Хемомеханическое преобразование:

4. Взаимодействие ионов Са2+ с тропонином, освобождение активных центров на актиновых филаментах.

5. Взаимодействие миозиновой головки с актином, вращение головки и развитие эластической тяги.

6. Скольжение нитей актина и миозина относительно друг друга, уменьшение размера саркомера, развитие напряжения или укорочение мышечного волокна.

Передача возбуждения с двигательного мотонейрона на мышечное волокно происходит с помощью медиатора ацетилхолина (АХ). Взаимодействие АХ с холинорецептором концевой пластинки приводит к активации АХ-чувствительных каналов и появлению потенциала концевой пластинки, который может достигать 60 мВ. При этом область концевой пластинки становится источником раздражающего тока для мембраны мышечного волокна и на участках клеточной мембраны, прилегающих к концевой пластинке, возникает ПД, который распространяется в обе стороны со скоростью примерно 3--5 м/с при температуре 36 oС. Таким образом, генерация ПД является первым этапом мышечного сокращения [4].

Вторым этапом является распространение ПД внутрь мышечного волокна по поперечной системе трубочек, которая служит связующим звеном между поверхностной мембраной и сократительным аппаратом мышечного волокна. Т-система тесно контактирует с терминальными цистернами саркоплазматической сети двух соседних саркомеров. Электрическая стимуляция места контакта приводит к активации ферментов, расположенных в месте контакта и образованию инозитолтрифосфата. Инозитолтрифосфат активирует кальциевые каналы мембран терминальных цистерн, что приводит к выходу ионов Са2+ из цистерн и повышению внутриклеточной концентрации Са2+ с 107до 105 M. Совокупность процессов, приводящих к повышению внутриклеточной концентрации Са2+ составляет сущность третьего этапа мышечного сокращения. Таким образом, на первых этапах происходит преобразование электрического сигнала ПД в химический - повышение внутриклеточной концентрации Са2+, т. е. электрохимическое преобразование.

При повышении внутриклеточной концентрации ионов Са2+ тропомиозин смещается в желобок между нитями актина, при этом на актиновых нитях открываются участки, с которыми могут взаимодействовать поперечные мостики миозина. Это смещение тропомиозина обусловлено изменением конформации молекулы белка тропонина при связывании Са2+ . Следовательно, участие ионов Са2+ в механизме взаимодействия актина и миозина опосредовано через тропонин и тропомиозин.

Существенная роль кальция в механизме мышечного сокращения была доказана в опытах с применением белка экворина, который при взаимодействии с кальцием излучает свет. После инъекции экворина мышечное волокно подвергали электрической стимуляции и одновременно измеряли мышечное напряжение в изометрическом режиме и люминесценцию экворина. Обе кривые полностью коррелировали друг с другом. Таким образом, четвертым этапом электромеханического сопряжения является взаимодействие кальция с тропонином.

Следующим, пятым, этапом электромеханического сопряжения является присоединение головки поперечного мостика к актиновому филаменту к первому из нескольких последовательно расположенных стабильных центров. При этом миозиновая головка поворачивается вокруг своей оси, поскольку имеет несколько активных центров, которые последовательно взаимодействуют с соответствующими центрами на актиновом филаменте. Вращение головки приводит к увеличению упругой эластической тяги шейки поперечного мостика и увеличению напряжения. В каждый конкретный момент в процессе развития сокращения одна часть головок поперечных мостиков находится в соединении с актиновым филаментом, другая свободна, т. е. существует последовательность их взаимодействия с актиновым филаментом. Это обеспечивает плавность процесса сокращения. На четвертом и пятом этапах происходит хемомеханическое преобразование.

Последовательная реакция соединения и разъединения головок поперечных мостиков с актиновым филаментом приводит к скольжению тонких и толстых нитей относительно друг друга и уменьшению размеров саркомера и общей длины мышцы, что является шестым этапом. Совокупность описанных процессов составляет сущность теории скольжения нитей

Первоначально полагали, что ионы Са2+ служат кофактором АТФазной активности миозина. Дальнейшие исследования опровергли это предположение. У покоящейся мышцы актин и миозин практически не обладают АТФазной активностью. Присоединение головки миозина к актину приводит к тому, что головка приобретает АТФазную активность.

Гидролиз АТФ в АТФазном центре головки миозина сопровождается изменением конформации последней и переводом ее в новое, высокоэнергетическое состояние. Повторное присоединение миозиновой головки к новому центру на актиновом филаменте вновь приводит к вращению головки, которое обеспечивается запасенной в ней энергией. В каждом цикле соединения и разъединения головки миозина с актином расщепляется одна молекула АТФ на каждый мостик. Быстрота вращения определяется скоростью расщепления АТФ. Очевидно, что быстрые фазические волокна потребляют значительно больше АТФ в единицу времени и сохраняют меньше химической энергии во время тонической нагрузки, чем медленные волокна. Таким образом, в процессе хемомеханического преобразования АТФ обеспечивает разъединение головки миозина и актинового филамента и энергетику для дальнейшего взаимодействия головки миозина с другим участком актинового филамента. Эти реакции возможны при концентрации кальция выше 106М [9].

Описанные механизмы укорочения мышечного волокна позволяют предположить, что для расслабления в первую очередь необходимо понижение концентрации ионов Са2+. Экспериментально было доказано, что саркоплазматическая сеть имеет специальный механизм - кальциевый насос, который активно возвращает кальций в цистерны. Активация кальциевого насоса осуществляется неорганическим фосфатом, который образуется при гидролизе АТФ, а энергообеспечение работы кальциевого насоса также за счет энергии, образующейся при гидролизе АТФ. Таким образом, АТФ является вторым важнейшим фактором, абсолютно необходимым для процесса расслабления. Некоторое время после смерти мышцы остаются мягкими вследствие прекращения тонического влияния мотонейронов. Затем концентрация АТФ снижается ниже критического уровня и возможность разъединения головки миозина с актиновым филаментом исчезает. Возникает явление трупного окоченения с выраженной ригидностью скелетных мышц.

2.Что такое белки? Опишите в каких отделах пищеварения и при участии каких ферментов происходит переваривание белков .Чем завершается переваривание белков?

Белки, или протеины (от греч. «протос» - «первый»), - это природные органические соединения, которые обеспечивают все жизненные процессы любого организма. Из белков построены хрусталик глаза и паутина, панцирь черепахи и ядовитые вещества грибов... С помощью белков мы перевариваем пищу и боремся с болезнями. Благодаря особым белкам по ночам светятся светлячки, а в глубинах океана мерцают таинственным светом медузы.

Белки занимают ведущее место среди органических элементов, на их долю приходится более 50 % сухой массы клетки. Они выполняют ряд важнейших биологических функций.

Вся совокупность обмена веществ в организме (дыхание, пищеварение, выделение) обеспечивается деятельностью ферментов, которые являются белками. Все двигательные функции организма обеспечиваются взаимодействием сократительных белков - актина и миозина.

Поступающий с пищей из внешней среды белок служит пластической и энергетической целям. Пластическое значение белка состоит в восполнении и новообразовании различных структурных компонентов клетки. Энергетическое значение заключается в обеспечении организма энергией, образующейся при расщеплении белков.

В тканях постоянно протекают процессы распада белка с последующим выделением из организма неиспользованных продуктов белкового обмена и наряду с этим - синтез белков. Таким образом, белки организма находятся в динамическом состоянии: из-за непрерывного процесса их разрушения и образования происходит обновление белков, скорость которого неодинакова для различных тканей. С наибольшей скоростью обновляются белки печени, слизистой оболочки кишечника, а также других внутренних органов и плазмы крови. Медленнее обновляются белки, входящие в состав клеток мозга, сердца, половых желез и еще медленнее - белки мышц, кожи и особенно опорных тканей (сухожилий, костей и хрящей) [21].

Физиологическое значение аминокислотного состава пищевых белков и их биологическая ценность. Для нормального обмена белков, являющихся основой их синтеза, необходимо поступление с пищей в организм различных аминокислот. Изменяя количественное соотношение между поступающими в организм аминокислотами или исключая из рациона ту или иную аминокислоту, можно по состоянию азотистого баланса, росту, массе тела и общему состоянию животных судить о значении для организма отдельных аминокислот. Экспериментально установлено, что из 20 входящих в состав белков аминокислот 12 синтезируются в организме - заменимые аминокислоты, а 8 не синтезируются - незаменимые аминокислоты.

Без незаменимых аминокислот синтез белка резко нарушается и наступает отрицательный баланс азота, останавливается рост, уменьшается масса тела. Для людей незаменимыми аминокислотами являются лейцин, изолейцин, валин, метионин, лизин, треонин, фенилаланин, триптофан.

Белки обладают различным аминокислотным составом, поэтому и возможность их использования для синтетических нужд организма неодинакова. В связи с этим было введено понятие биологической ценности белков пищи. Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот в таких соотношениях, которые обеспечивают нормальные процессы синтеза, являются белками биологически полноценными. Наоборот, белки, не содержащие тех или иных аминокислот или содержащие их в очень малых количествах, являются неполноценными. Так, неполноценными белками являются желатина, в которой имеются лишь следы цистина и отсутствуют триптофан и тирозин; зеин (белок, находящийся в кукурузе), содержащий мало триптофана и лизина; глиадин (белок пшеницы) и гордеин (белок ячменя), содержащие мало лизина; и некоторые другие. Наиболее высока биологическая ценность белков мяса, яиц, рыбы, икры, молока.

Всего живая клетка использует 20 аминокислот. Они отличаются строением боковой цепи, как видно из рисунка, могут быть разветвленные цепи, они могут содержать ароматические кольца. Например, у пролина второй углеродный атом израсходовал все свободные связи на ароматическую группу, и поэтому он не обладает такой подвижностью относительно группы С-С, и поэтому в белках, где есть пролин, вращение полипептидной цепи в этих участках ограниченно.

Гидролиз (греч. hydor вода + lysis разложение) - разложение веществ, проходящее с обязательным участием воды и протекающее по схеме:

AB + H-OH > AH + BOH

Реакции гидролиза подвергаются самые различные вещества. Так в процессе пищеварения высокомолекулярные вещества (белки, жиры, полисахариды и др.) подвергаются ферментативному гидролизу с образованием низкомолекулярных соединений (соответственно, аминокислот, жирных кислот и глицерина, глюкозы и др.). Без этого процесса не было бы возможным усвоение пищевых продуктов, так как высасываться в кишечнике способны только относительно небольшие молекулы.

Так, например, усвоение полисахаридов и дисахаридов становится возможным лишь после полного их гидролиза ферментами до моносахаридов. Точно так же белки и липиды гидролизуются до веществ, которые лишь потом могут усваиваться. Рассмотрим основные реакции гидролиза, протекающие в организме. Гидролиз белков. Белковые вещества составляют громадный класс органических, то есть углеродистых, а именно углеродисто азотистых соединений, неизбежно встречаемых в каждом организме. Роль белков в организме огромна. Без белков или их составных частей - аминокислот - не может быть обеспечено воспроизводство основных структурных элементов органов и тканей, а также образование ряда важнейших веществ, как, например, ферментов и гормонов. Белки пищи прежде, чем быть использованы для построения тканей тела, предварительно расщепляются. Организмом используется для питания не сам пищевой белок, а его структурные элементы - аминокислоты и, может быть, частично простейшие пептиды, из которых затем в клетках синтезируются специфические для данного вида организма белковые вещества.

Каждый вид организма, каждый орган и каждая ткань содержат свои характерные белки, и при усвоении чужеродных белков пищи организм прежде всего лишает их видовой специфичности. Перед тем, как быть усвоенными белки должны быть разложены на индифферентный материал. Разложение белковых веществ на более простые, лишенные видовой специфичности соединения, способные всасываться в кровь через стенки кишечника, осуществляется в пищеварительных органов человека и животных путем последовательного гидролиза под действием ряда ферментов [7].

В полости рта белки никаким изменениям не подвергаются, так как в состав слюны необходимые для этого протеолитические ферменты не входят. Переваривание белков начинается в желудке. В желудочно-кишечном тракте пищевые белки распадаются на аминокислоты при участи пищеварительных протеолитических ферментов - пептидогидролаз. Эта группа ферментов различающихся по субстратной специфичности: каждый из этих ферментов предпочтительно (т.е. с наибольшей скоростью) гидролизует пептидные связи, образованные определёнными аминокислотами. В результате совместного действия всех пищеварительных пептидогидролаз белки пищи полностью распадаются на аминокислоты. Таким путём организм получает мономеры для синтеза собственных белков. В желудке переваривание (т. е. гидролитическое расщепление) происходит при действии протеолитического фермента пепсина; существенную роль в этом процессе играет соляная кислота, за счёт которой желудочный сок имеет низкое значение pH (1-2). Под действием этой кислоты выделяемый главными клетками желудочных желез белок пепсиноген превращается в пепсин. HCl катализирует этот процесс, в ходе которого отщепляется часть молекулы и образуется активный центр фермента. Сам пепсин катализирует процесс своего образования, т. е. является автокатализатором. Пепсин гидролизирует пептидные связи, удалённые от концов пептидной цепи (поэтому пепсин относят к эндопептидазам). При этом белки распадаются на полипептиды, свободные аминокислоты практически не образуются.

Переваривание белков завершается в верхнем отделе тонкого кишечника под действием ферментов поджелудочной железы и клеток кишечника. Эти клетки продуцируют ряд проферментов (трипсиноген, химотрипсиноген, прокарбопептидазы А и В, проэластаза). После каталитического образования в проферментах активного центра и отщепления части молекул, эти белки превращаются соответственно в ферменты: Трипсин, Химотрипсин, Карбопептидазы А и В и Эластазу.

Трипсин, Химотрипсин и эластаза - эндопептидазы - гидролизуют связи, лежащие ближе к середине полипептидной цепи. Продуктами их действия являются, в основном, пептиды, но образуется и ряд аминокислот. Карбопептидазы - экзопептидазы. Они гидролизуют пептидную связь, образованную концевым аминокислотным остатком. Карбопептидаза А отщепляет преимущественно концевые аминокислоты с гидрофобным радикалом, а карбоксипептидаза В - остатки лизина и аргинина. Последний этап переваривания происходит при участии ферментов, синтезируемых клетками кишечника - аминопептидаз и дипептидаз. Первые отщепляют концевые аминокислоты от пептидов, вторые гидролизуют дипептиды.

Таким образом, переваривание пищевых белков - суть, последовательность реакций гидролиза, катализирующегося рядом ферментов. Гидролиз - также основа синтеза мочевины, протекающего по уравнению: Данный процесс катализируется ферментом аргиназой, причём возможен и обратный процесс - синтез аргинина из орнитина (Цикл Кребса-Гензелейта).

Углеводы пищи в пищеварительном тракте распадаются на мономеры при действии гликозидаз - ферментов, катализирующих гидролиз гликозидных связей в полисахаридах. Переваривание начинается уже в ротовой полости: в слюне содержится фермент амилаза, расщепляющая гликозидные связи. Поскольку пища в ротовой полости пребывает недолго, то крахмал здесь переваривается лишь частично. Основным же местом перваривания крахмала служит тонкий кишечник, куда поступает амилаза в составе сока поджелудочной железы. Амилаза не гидролизует гликозидную связь в дисахаридах, поэтому основным продуктом действия кишечой амилазы является дисахарид мальтоза. Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала соединены 1,6- гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза. Кроме того, с пищей в организм поступают дисахариды сахароза и лактоза, которые гидролизуются специфическими гликозидазами - мальтазой, изомальтазой, лактазой и сахаразой соответственно .

Продукты полного гидролиза углеводов - глюкоза, галактоза и фруктоза - через клетки кишечника поступают в кровь. Гидролиз жиров В 12-перстную кишку поступает желчь и сок поджелудочной железы, необходимые для переваривания жиров. В соке поджелудочной железы содержится фермент липаза, катализирующий гидролиз сложноэфирной связи в триацилглицеринах. Поскольку жиры нерастворимы в водных средах, а липаза нерастворима в жирах, гидролиз происходит лишь на поверхности раздела этих фаз и, следовательно, скорость переваривания зависит от площади этой поверхности. В составе желчи содержатся коньюгированные желчные кислоты - гликохолевая и таурохолевая. Эти кислоты обладают амфифильными свойствами. На поверхности раздела жир-вода они ориентируются таким образом, что гидрофобная циклическая часть оказывается погружённой в жир, а гидрофильная боковая цепь - в водную фазу. В результате образуется стабильная эмульсия.

Образующиеся в процессе переваривания пищи вещества-мономеры, вступают в ряд реакций. Во многих из них они окисляются, и энергия, выделяющаяся при этом окислении, используется для синтеза АТФ из АДФ - основного процесса аккумулирования энергии в живых организмах. Эта энергия необходима для роста и нормального функционирования организма. Человек получает её как за счёт многостадийного процесса окисления пищи - белков, жиров и углеводов, так и за счёт гидролиза некоторых сложных эфиров, амидов, пептидов и гликозидоа. Однако главным источником энергии для многих биологических процессов - биосинтеза белка, ионного траспорта, сокращения мышц, электрической активности нервных клеток - является аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ (Аденозинтрифосфорная кислота) принадлежит к бионеорганическим соединениям, так как состоит из органической части - аденозина и неорганической части - трёх связанных в цепь фосфатных групп. При рН ( 7,0 АТФ существует в виде аниона АТФ 4- , так как все фосфатные группы при этом значении водородного показателя ионизированы. Гидролиз АТФ записывают в виде кислотно-основного равновесия:: АТФ 4- + Н2О ( АДФ 3- + НРО4 2- + Н+ (Gо = -30,5 кДж/моль, где АДФ 3- - анион аденозидифосфата.

Как видно, гидролиз соповождается убылью энергии Гиббса ((Gо = -30,5 кДж/моль). Гидролиз может идти и дальше до образования аденозинмонофосфата (АМФ) и, наконец, до аденозина. Освобождение значительной энергии при гидролизе дало основание ввести специальный термин для фосфоорганических веществ - макроэнергетические. Молекула АТФ содержит две высокоэнергетические (макроэнергетические) связи. В химической формуле они традиционно обозначаются знаком ~ (тильда). В молекуле АДФ только одна высокоэнергетическая связь; в результате синтеза АТФ путём окилительного фосфорилирования добавляется ещё одна, т.е. энергия окисления субстрата трансформируется в энергию химических связей в молекуле АТФ. Энергия, освобождающаяся при реакциях гидролиза разных веществ, обычно невелика. Если она превышает 30 кДж/моль, то гидролизуемая связь называется высокоэнергетической. Энергия гидролиза АТФ в зависимости от от локализации в клетке может меняться от 40 до 60 кДж/моль. В среднем её принято считать равной 50 кДж/моль [19].

Главный путь синтеза АТФ из АДФ - окислительное фосфорилирование. При этом АДФ фосфорилируется неорганическим фосфатом.: АДФ + H3PO4 + Энергия > АТФ + Н2О Реакция энергетически сопряжена с переносом водорода с восстановленных коферментов на кислород. При этом переносе освобождается основная часть энергии окисляемых. Энергия синтеза воды из газообразных Н2 и О2 составляет 230 кДж/моль. Практически столько же получается, если используется водород. Входящий в состав органических соединений. Энергетическое сопряжение реакций переноса водорода и синтеза АТФ происходит при участии митохондриальной мембраны и Н+-АТФ-синтетазы. Другой путь синтеза АТФ из АДФ - субстратное фосфорилирование. В этом случае механизм сопряжения не требует участия мембран. Сущность же гидролиза заключается в переносе фосфатных групп от соединений, которые при гидролизе выделяют больше энергии, чем АТФ, к фосфорилированным соединениям, выделяющим меньше свободной энергии при гидролизе, чем АТФ.

Следовательно, АТФ функционирует в клетках как промежуточный продукт, переносящий энергию и сопрягающий реакции, сопровождающиеся выделением и потреблением энергии. При расщеплении сложных органических соединений, например при окислении глюкозы - клеточного топлива, в клетках выделяется большое количество энергии. Значительная её часть запасается благодаря сопряжённому синтезу АТФ и АДФ и неорганического фосфата. При участии специфичного фермента - фосфотрансферазы - фосфатная группа от фосфоорганического соединения R1 - фосфат с более высокой, чем АТФ, энергией, переносится через АДФ. Это приводит к образованию АТФ: R1-фосфат + АДФ ( R1H + АТФ АТФ, в свою очередь, под действием другого фермента переносит концевую фосфатную группу на молекулы органических соединений с меньшей энергией, чем АТФ, тем самым запасая в них энергию. При этом вновь образуется АДФ: R2H + АТФ ( R2-фосфат + АДФ, где R1-фосфат - фосфорорганическое соединение с более высокой энергией, чем АТФ; R2-фосфат - фосфорорганическое соединение с более низкой энергией, чем АДФ.

Энергия гидролиза АТФ в свою очередь используется для обеспечения разнообразных эндергонических процессов. Реакция фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образует циклический процесс:

З.Что такое креотинфасфат и какова биологическая роль этого вещества? Напишите схему реакции креотинфасфатного ресинтэза АТФ. Охарактеризуйте этот процес по кинетическим показателям (быстроте развития, метобалитической мощности, емкости и эффективности). Объясните какие преимущества они имеет перед другими процессами ресинтэзе АТФ? В каких видах спорта и почему при выполнении соревновательной нагрузке этот процесс ресинтэза АТФ является основным?

Реатинфосфорная кислота (креатинфосфат, фосфокреатин) - 2-[метил-(N'-фосфонокарбоимидоил)амино]уксусная кислота. Бесцветные кристаллы, растворимые в воде, легко гидролизуется с расщеплением фосфамидной связи N-P в кислой среде, устойчива в щелочной.

Лабораторный синтез - фосфорилирование креатина POCl₃ в щелочной среде.

Креатинфосфат - продукт обратимого метаболического N-фосфорилирования креатина, являющийся, подобно АТФ, высокоэнергетическим соединением. Однако, в отличие от АТФ, гидролизуемой по пирофосфатной связи O-P, креатин гидролизуется по фосфамидной связи N-P, что обуславливает значительно больший энергетический эффект реакции. Так, при гидролизе изменение свободной энергии для креатина ~ ?43 кДж/моль, в то время как при гидролизе АТФ до АДФ ~ ?30 кДж/моль.

Креатинфосфат содержится преимущественно в возбудимых тканях (мышечная и нервная ткани) и его биологической функцией является поддержание постоянной концентрации АТФ за счёт обратимой реакции перефосфорилирования:

креатинфосфат + АДФ ? креатин + АТФ

Эта реакция катализируется цитоплазматическими и митохондриальными ферментами-креатинкиназами; при расходе (и, соответственно, падении концентрации) АТФ, например, при сокращении клеток мышечной ткани, равновесие реакции сдвигается в вправо, что ведёт к восстанавлению нормальной концентрации АТФ.

Концентрация креатинфосфата в покоящейся мышечной ткани в 3-8 раз превышает концентрацию АТФ, что позволяет компенсировать расход АТФ во время кратких периодов мышечной активности, в период покоя при отсутствии мышечной активности в ткани идёт гликолиз и окислительное фосфорилирование АДФ в АТФ, в результате чего равновесие реакции смещается влево и концентрация креатинфосфата восстанавливается [18].

В тканях креатинфосфат подвергается самопроизвольноми неферментативному гидролизу с циклизацией в креатинин, выводящийся с мочой, уровень выделения креатинина зависит от состояния организма, меняясь при патологических состояниях, и является диагностическим признаком.

Креатинфосфат является одним из фосфагенов - N-фосфорилированных производных гуанидина, являющихся энергетическим депо, обеспечивающим быстрый синтез АТФ. Так, у многих беспозвоночных (например, насекомых) роль фосфагена играет аргининфосфорная кислота, у некоторых кольчатых червей - N-фосфоломбрицин.

Энергия для мышечного сокращения образуется при расщеплении аденозинтрифосфата (АТФ). Но содержание АТФ в мышцах таково, что его достаточно для выполнения одного-двух интенсивных сокращений. Для того чтобы мышцы могли поддерживать более длительное сокращение, необходимо обеспечить непрерывное восстановление (ресинтез) АТФ примерно с такой же скоростью, с которой она расходуется в процессе мышечной работы. Мышцы обладают механизмом ресинтеза АТФ, который способен обеспечить её быструю регенерацию в анаэробных условиях. Речь идёт о креатинфосфатном механизме энергообеспечения, который осуществляет ресинтез АТФ при взаимодействии креатинфосфата с молекулами АДФ, появляющимися в мышцах в результате расщепления АТФ при физической работе. Однако содержание креатинфосфата в мышечных клетках ограничено, в связи с чем ресинтез АТФ за счёт креатинфосфата может идти всего несколько десятков секунд.

Поэтому поддержание процесса ресинтеза АТФ во время напряжённой мышечной работы происходит при участии ещё одного анаэробного механизма энергопродукции - гликолитического, при включении которого в ходе ряда анаэробных реакций происходит расщепление мышечного гликогена (или глюкозы) до молочной кислоты с образованием АТФ. Гликолитические реакции могут идти до тех пор, пока не истощатся запасы мышечного гликогена, либо повышение уровня кислотности внутри мышечных клеток в результате накопления молочной кислоты не приведёт к прекращению мышечной активности. Дальнейшее продолжение работы (при условии снижения её интенсивности) возможно лишь при участии аэробного окисления, при котором за счёт энергии, образующейся в ходе окислительных реакций, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Если мощность аэробного окисления достаточна для производства АТФ в таком количестве, которого хватает и на обеспечение сократительной функции мышечных клеток и на восполнение запасов креатинфосфата, то во время выполнения физической работы креатинфосфатная реакция может включаться многократно. Поскольку пути и возможности по ресинтезу АТФ при подтягивании в большой степени определяются длительностью паузы отдыха в висе в ИП, а значит и темпом выполнения упражнения, рассмотрим режимы энергообеспечения динамической работы мышц, выполняющих подъём/опускание туловища в зависимости от темпа выполнения подтягиваний.

4.Что понимают под утомлением. Какова роль гама-аминомасленой кислоты (ГАМК) в развитии утомления в ЦНС? Почему содержание ГАМК в головном мозге может увеличиваться при физических нагрузках?

В результате совершения любой работы наступает утомление - обратимое нарушение физиологических и биохимических реакций организма. Утомление как физиологическое явление полностью компенсируется во время отдыха. После компенсации утомления наступает фаза суперкомпенсации и в этой фазе суперкомпенсации организм способен уже выполнить больший объем работы в ту же единицу времени, нежели раньше. Суперкомпенсация - это ответная реакция организма на утомление. Поэтому повышение работоспособности невозможно без предшествующего нормального физиологического утомления. Естественно, что для полной компенсации и последующей суперкомпенсации необходим полноценный отдых организма.

Существование феномена суперкомпенсации позволяют планомерно повышать как физическую, так и умственную работоспособность. Для этого необходимы планомерные и достаточные (но ни в коем случае не чрезмерные!) нагрузки.

Переутомление в отличие от утомления - это такое сильное нарушение физиологических и биохимических процессов в организме, которое оказывается (именно для данного организма) чрезмерным и приводит к истощению резервов организма1. Суперкомпенсация в таком случае не наступает и ни о каком тренирующем эффекте не может даже быть и речи. Дай бог, если наступит просто компенсация, ведь переутомление иногда вызывает настолько сильное истощение резервов организма, что организм не может даже восстановиться самостоятельно. Невозможность самостоятельного восстановления из-за чрезмерного истощения резервов требует уже серьезного медицинского вмешательства и без такого вмешательства иногда даже продолжение спортивной карьеры становится невозможным .

Субъективно переутомление может выражаться в самых разных нарушениях самочувствия, которые носят стойкий характер. Чаще всего встречаются: чувство вялости и разбитости, общая апатия, головная боль, снижение аппетита, пониженный фон настроения. С точки зрения субъективных ощущений, чувство усталости нормально, а вот чувство разбитости - это уже качественно иное ощущение, которое позволяет заподозрить переутомление либо перетренированность. Говоря простыми словами: усталость - это хорошо, разбитость - это плохо. Усталость говорит о хорошо (по количеству и качеству) выполненной работе. Разбитость говорит о перенапряжении и истощении. Объективно переутомление выражается в ухудшении всех функций организма и это приводит к возникновению различных хронических заболеваний или обострению заболеваний уже имеющихся. Для переутомления и перетренированности очень характерен такой показатель, как легкая подверженность простудным заболеваниям, или, попросту говоря, ОРЗ. "Переутомленный" человек "не вылезает из простуд", хотя есть и другие объективные показатели.

Чтобы осознанно и целенаправленно воздействовать на свой организм с целью повышения работоспособности, каждый спортсмен должен знать основные принципы функционирования организма и основные принципы регуляции его работы на самых разных уровнях: начиная с субклеточного (молекулярного) и кончая уровнем центральной нервной системы.

Условно можно выделить 5 уровней регуляции обмена веществ и функций организма.

Таблица. Уровни регуляции обмена веществ и функций организма

ЦНС	нервный сигнал	информация смысловая	V уровень
Гипоталамус	либерины, станины	Информация чувственная и образная	IV уровень
Гипофиз	тропные гормоны	Информация чувственная и образная	III уровень
Эндокринные железы	рецептор гормона	гормоны периферических эндокринных желез	II уровень
ядро клетки	Информация ДНК и РНК	ц-АМФ и другие внутриклеточные посредники гормонального сигнала	I уровень

Биохимические реакции, протекающие в клетке.

Самый первый уровень биологической регуляции - клеточный. Клетка - это элементарная биологическая система. Рассмотрим ее в самых общих чертах.

Таблица

Комплекс Гольджи	Митохондрии
Ядро	Наружная мембрана

Каждая клетка состоит из ядра и цитоплазмы (тела клетки). Снаружи клетка покрыта оболочкой (наружной мембраной). Ядро клетки содержит спиралевидные молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). ДНК и РНК - это носители наследственности. Маленькие участки цепочки ДНК и РНК называются генами. Каждый ген отвечает за какую-либо одну биохимическую реакцию в организме.

Цитоплазма (тело клетки) содержит органы клетки (органеллы). К органеллам относятся митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи и некоторые другие образования.

Митохондрии - это органы клетки, снабжающие ее энергией. Их еще называют "электростанциями" клетки. Основная задача митохондрий - окислить поступающие в клетку пищевые вещества, а высвободившуюся таким образом энергию депонировать, чтобы потом можно было расходовать ее по мере необходимости. Окисление пищевых веществ в митохондриях может осуществляться как с помощью кислорода, так и без оного (бескислородное окисление). Энергия депонируется в виде различных фосфорных соединений и в первую очередь АТФ. В случае необходимости АТФ распадается с выходом энергии. Рибосомы - это небольшие сферические тельца, разбросанные по всей клетке. На них происходит синтез пептидных и белковых молекул из аминокислот.

Комплекс Гольджи - это особый комплекс, состоящий из пузырьков, трубочек и цистерн. В комплексе Гольджи концентрируются, уплотняются и обезвреживаются продукты внутриклеточного обмена. Собранные в пузырьки, эти продукты обмена в дальнейшем выделяются из клетки [14].

Наружная мембрана клетки выполняет защитные, структурные, рецепторные (воспринимающие) и некоторые другие функции. Свою мембрану имеет ядро. Митохондрии, рибосомы, комплекс Гольджи имеют мембранное строение. Сама по себе цитоплазма клетки - это не что иное, как плотный пакет из мембран. Упрощенно говоря, вся клетка имеет мембранное строение. Наружная мембрана клетки несет на себе рецепторы, воспринимающие внешние сигналы. Основное количество сигналов в клетке поступает от эндокринных желез (желез внутренней секреции). Передаются эти сигналы с помощью гормонов. Гормоны - это белковые, пептидные или стероидные образования, которые вырабатываются в эндокринных железах, поступают в кровоток и регулируют работу клеток. Гормональные сигналы воспринимаются рецепторами, расположенными на наружной мембране клетки. Как только молекула гормона приходит в соприкосновение с рецептором клеточной мембраны, вступает в действие особый механизм, который активирует фермент "аденилатциклазу", встроенный в наружную клеточную мембрану. Аденилатциклаза, расположенная в клеточной мембране, запускает внутри клетки синтез циклического аденозинионафосфата - ц-АМФ. Ц-АМФ - это внутриклеточный (передатчик) гормонального сигнала. Ц-АМФ запускает цепь биохимических реакций внутри клетки, изменяя всю ее жизнедеятельность. Отсюда возникает тот или иной биологический эффект.

Один из самых "сильных" анаболических гормонов в организме - инсулин лишь частично воспринимается рецепторным аппаратом наружной клеточной мембраны. Посредством ц-АМФ осуществляют свое действие соматотропный гормон и гонадотропин. Не все гормоны, воспринимаемые рецепторами наружной клеточной мембраны, воздействуют на биохимию клетки посредством ц-АМФ. Для некоторых гормонов посредником является циклический гуанидинионофосфат - ц-ГМФ, для которых циклический уридинионофосфат - ц-ЦМФ и т.д. Существуют внутриклеточные посредники полипептидной структуры, а для некоторых гормонов внутриклеточным посредником являются ионы кальция - Са++. Под действием гормона в этом случае увеличивается проницаемость наружной клеточной мембраны для ионов Са++, который входит внутрь клетки и запускает нужные биохимические реакции.

Не все гормоны воспринимаются рецепторами наружной клеточной мембраны. Некоторые гормоны проходят через наружную клеточную мембрану транзитом и воздействуют на рецепторы оболочки клеточного ядра. В этом случае изменяется работа генетического аппарата клетки. Стимулируется или тормозится активность определенных генов. Поскольку каждый ген отвечает за какую-либо биохимическую реакцию внутри клетки, изменение генетической активности изменяет и химизм самой клетки.

Передача информации от ДНК непосредственно в саму клетку осуществляется с помощью информационной РНК - и-РНК, и-РНК поступает на рибосомы, там синтезируются нужные белковые молекулы.

Анаболические стероиды и мужские половые гормоны воспринимаются непосредственно рецепторами ядра клетки, поэтому-то они и воздействуют в первую очередь на генетический аппарат.

Второй уровень биологической регуляции - уровень периферических желез внутренней секреции.

Железы внутренней секреции вырабатывают и выделяют в кровь гормоны - биологически активные вещества, способные в очень малых количествах регулировать обмен веществ в организме, изменяя его структуру и функции.

Щитовидная железа находится на шее впереди трахеи под щитовидным хрящом, поэтому она так и называется. Синтезирует гормоны тироксин, трийодтиронны и тиреокальцитонин [2].

Тироксин и трийодтиронин необходимы для нормального роста и развития организма. В нормальных, физиологических концентрациях они усиливают работу всех остальных эндокринных желез. Тиреоидные гормоны стимулируют синтез белка в организме, но одновременно с этим стимулируют и его распад. Поэтому в малых дозах они обладают анаболическим действием, т.к. рот этом синтез преобладает над распадом, а в больших, наоборот, оказывают выраженный анаболический эффект, т.к. скорость распада тканей уже начинает преобладать над скоростью их синтеза, причем в наибольшей степени под действием тиреоидных гормонов распадается жировая ткань. Это свойство гормонов щитовидной железы используется иногда в спортивной практике для избавления от излишней подкожно-жировой клетчатки. Специфические эффекты тироксина и трийодтиронина во многом обусловлены их способностью стимулировать транспорт аминокислот, глюкозы и жирных кислот через клеточные мембраны. Под действием тиреоидных гормонов усиливаются образования гена в организме, повышается общий энергетический потенциал организма и продуктивность мышления. Тиреоидные гормоны повышают скорость мышления и быстроту реакции. Одно время они были очень популярным средством стимуляции среди боксеров, до тех пор, пока их не внесли в список допинговых препаратов.

Тиреокальцетонин - другой гормон щитовидной железы. Он уменьшает уровень в крови кальция, причем это снижение уровня кальция достигается за счет большего поступления его в ткани и в первую очередь в суставы и связки. Тиреокальцетонин используется в спортивной практике для укрепления суставно-связочного аппарата, особенно после травм или оперативных вмешательств. Тироксин и трийодтиронин проникают внутрь клетки и взаимодействуют непосредственно с рецепторами клеточного ядра, вызывая присущие им физиологические эффекты. Тиреокальцетонин, напротив, внутрь клетки не проникает. Он взаимодействует с рецепторами клеточной мембраны и его действие на клетку опосредуется ц-АМФ.

Паращитовидные железы прилежат к задней поверхности щитовидной железы. Паращитовидные железы вырабатывают паратгормон. Под его влиянием ионы Са++ выходят из костей в кровь и поддерживают тем самым нормальную концентрацию в крови Са++. Ионы Са++ необходимы для осуществления процессов мышечного сокращения и еще в большей степени для полноценного мышечного расслабления. Без достаточного количества крови ионов СА++ невозможна нормальная активность симпатического отдела вегетативной нервной системы.

Действие паратгормона на клетки организма также опосредуется ц-АМФ.

Тимус, или височковая железа, расположен за грудиной спереди от трахеи выше сердца. Височковая железа - это центральный орган клеточного (противоракового) иммунитета. Она вырабатывает Т-лимфоциты, которые борются с чужеродными клетками, попавшими в организм. Т-лимфоциты уничтожают также раковые клетки, постоянно образующиеся в организме.(Считается, что в нормальном здоровом организме на каждые 10000 нормальных клеток образуется как минимум 1 раковая, которая в норме сразу же уничтожается Т-лимфоцитами.

Масса тимуса с возрастом постоянно уменьшается и тканевый (противораковый) иммунитет неизбежно ослабевает. Интересно то, что половые гормоны и анаболические стероиды значительно уменьшают массу тимуса. Поэтому нельзя исключить, что бесконтрольное применение стероидов в спорте повышает частоту заболеваемости раком среди спортсменов. Существуют, впрочем, средства и для увеличения массы тимуса [18].

Надпочечники - это 2 железы массой чуть более 1 г каждая, которые находятся над почками. Каждый надпочечник состоит из наружного, коркового вещества, и внутреннего, мозгового.

В коре надпочечников синтезируются глюкокортикоидные гормоны, минералокортикоидные, а также, как ни странно, андрогены1. Минералокортикоиды называются так потому, что они задерживают в организме многие минеральные соли (например, ионы №а+) и воду, поддерживая тем самым водное равновесие в организме. За счет увеличения содержания воды в тканях, минералокортикоиды поддерживают артериальное давление.

В спортивной практике минералокортикоиды находят применение как антикатаболическое средство. При длительном введении в организм они тормозят процессы распада белка и могут таким образом привести к роту мышечной массы, хотя собственно анаболическим действием они и не обладают.

Глюкокортикоидные гормоны задерживают в организме ионы К++ и оказывают сильное противовоспалительное действие. Глюкокортикоиды являются стрессовыми гормонами. При стрессе они выбрасываются в кровь в огромном количестве и повышают устойчивость клеток ко все без исключения неблагоприятным факторам. Это вызвано тем, что глюкокортикоиды способны "ремонтировать" поврежденные клеточные мембраны. Еще одной характерной особенностью глюкокортикоидов является их сильное катаболическое действие. Они вызывают распад белковых и жировых молекул с образованием большого количества глюкозы. За это их и назвали глюкокортикоидами. При больших физических нагрузках и сильных стрессах глюкокортикоиды вызывают распад мышечной и жировой тканей. Аминокислоты и жирные кислоты под действием глюкокортикоидов в печени превращаются в глюкозу, которая идет на энергетические нужды.

Андрогены надпочечников участвуют в формировании половых органов и развитии вторичных половых признаков. Обладают анаболическим действием.

В мозговом веществе надпочечников синтезируются адреналин и норадреналин, которые относятся к катехоламинам. Адреналин обладает противовоспалительными и противоаллергическими свойствами, увеличивает частоту сердечных сокращений, ускоряет пульс и повышает давление, расслабляет гладкую мускулатуру внутренних органов. При этом повышается уровень сахара в крови, увеличивается мышечная сила и особенно выносливость. Подобно глюкокортикоидам, адреналин является стрессовым гормоном. Он быстро изменяет весь обмен веществ применительно к условиям повышенной опасности. Все сосуды внутренних органов расширяются, а сосуды кожи и мышц, наоборот, сужаются. Тем самым уменьшается опасность возможной кровопотери. Норадреналин повышает артериальное давление и вызывает реакцию агрессии.

В стрессовых ситуациях активизируется сначала мозговой надпочечник, а потом и корковый. Все стрессовые гормоны выбрасываются в кровь и повышают жизнеспособность организма.

Глюко- и минералокортикоиды проникают непосредственно в клетку, воздействуя на рецепторы клеточного ядра. Эффекты катехоламинов - адреналина и норадреналина опосредствуются ц-АМФ.