Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Введение в биохимию
Предмет и методы исследования биохимии

Биологическая химия — это наука, которая раскры­вает химические основы жизнедеятельности организ­ма. Предметом изучения являются: качественный и ко­личественный химический состав живых организмов; превращение веществ, входящих в состав организма и поступивших в него извне в процессе клеточного метаболизма; взаимо­связь процессов превращения химических веществ с функциями организ­ма в норме и при различных состояниях (спортивной деятельности, пато­логии, влиянии радиации и других факторов внешней среды).

Рис. 1 Организация организма как единой целостной системы: а — организм; б — мышцы; в — мышечная ткань; г — мышечное волокно; д — миофибрилла; е — органелла (митохондрия); ж — субмолекулярный комплекс (митохондриальная мембрана); з — макромолекула белка цитохрома

Для всех живых организмов многие закономерности химического сос­тава, строения и превращения веществ являются общими. Тем не менее у растений, животных и человека наблюдаются различия в химических про­цессах, обеспечивающих их жизнедеятельность. Так, растения синтезиру­ют сложные органические вещества из простых неорганических веществ, таких как вода, углекислый газ, минеральные вещества, и аккумулируют солнечную энергию в процессе фотосинтеза. Животные и человек нужда­ются в поступлении сложных органических соединений — углеводов, жи­ров, белков, которые необходимы для построения и энергообеспечения организма. Поэтому в зависимости от объекта исследования выделяют следующие разделы биохимии: биохимия животных и человека, биохимия растений, биохимия микроорганизмов и вирусов.

Биохимия решает многие теоретические и практические вопросы в об­ласти медицины, молекулярной биологии, генетики, экологии, сельского хозяйства, современной биотехнологии, которая обеспечивает получение новых веществ, в том числе и тех, которые используются для лечения и профилактики заболеваний либо как восстанавливающие средства, а так­же в практике профессионального спорта.

Изучение биохимии необходимо прежде всего для понимания физио­логических процессов, так как в основе функций организма лежат хими­ческие изменения в органах и тканях. Кроме того, эти знания необходимы для понимания вопросов спортивной медицины, поскольку объясняют ме­ханизмы патологических состояний и действия восстанавливающих и ле­карственных средств, определяют методы биохимической диагностики тренированности спортсмена и других его состояний.

Одной из важнейших задач современной биохимии является изучение особенностей биохимических процессов и механизмов их регуляции, обеспечивающих адаптацию организма к воздействию различных условий среды. Познание этих механизмов необходимо для предотвращения раз­вития патологических состояний организма и возможности своевременной коррекции обмена веществ.

При физических нагрузках изменяются обмен веществ и энергии, а также механизмы их регуляции, что составляет основу метаболической адаптации организма к воздействующим нагрузкам (тренировкам). Изу­чение приспособительных изменений обмена веществ позволяет познать особенности адаптации организма к физическим нагрузкам, выбрать эф­фективные средства, методы восстановления и повышения физической работоспособности.

Закономерности обмена веществ в процессе спортивной деятельнос­ти изучаются биохимией спорта, которая является разделом функциональ­ной биохимии. Основные вопросы изучения:

✵ механизмы энергообеспечения при мышечной деятельности;

✵ биосинтез белка при различных физических нагрузках;

✵ молекулярные основы адаптации организма к физическим нагруз­кам;

✵ регуляторные механизмы обмена веществ;

✵ метаболические основы утомления и восстановления после физи­ческих нагрузок;

✵ выявление биохимических критериев оценки эффективности трени­ровочного процесса, состояния перетренированности или перенапряжения систем организма;

✵ биохимические основы рационального питания спортсменов и ис­пользования специальных (эргогенных) средств для ускорения восстанов­ления и повышения работоспособности спортсменов;

✵ применение методов биохимической диагностики в практике спорта.

Знание этих вопросов позволит не только повысить эффективность подготовки квалифицированных спортсменов, но и сохранить их здоровье, работоспособность на многие годы.

Методы исследования. Используемые в биохимии методы исследова­ния условно можно разделить на точные лабораторные и экспресс-методы.

Лабораторные методы включают многие физические и химические ме­тоды исследования, требующие наличия сложных приборов, таких как электрофотоколориметр, спектрофотометр, флюориметр, газовый и спектральный анализаторы, ультрацентрифуги и др., а также лаборатор­ных условий для проведения эксперимента. К основным лабораторным методам относятся:

✵ качественный и количественный анализ состава тканей крови, мочи, слюны, выдыхаемого воздуха и других объектов исследования с помощью различных методологических подходов;

✵ электрофорез, позволяющий разделить вещества с помощью элек­трического тока в специальных аппаратах для электрофореза, один из ко­торых представлен на рис. 2;

Рис. 2 Аппарат для гель- электрофореза: 1 — буфер; 2 — анод; 3 — катод; 4 — образец

Рис. 3 Схема разделения белков методом ионной хроматографии: 1 — хроматографическая колонка; 2 — образец; 3 — буферный раствор

✵ хроматография, позволяющая с помощью сорбентов разделить бел­ки с разной молекулярной массой и подвижностью: образцы наносятся на специальные сорбенты в хроматографических колонках, а затем элюиру­ются (смываются) буфером; элюаты собирают в пробирки и исследуют на наличие отдельных белков, что схематически показано на рис. 3;

✵ рентгеноструктурный и спектральный анализы, позволяющие опре­делить изменение структуры молекулы веществ при различных воздей­ствиях, например под влиянием анаболиков;

✵ ауторадиография (метод меченых атомов), позволяющая определить особенности обмена веществ в организме введением радиоактивных изотопов углерода (¹⁴С), фосфора (³²Р), серы (³⁵S), кальция (⁴⁵Са), йода (¹³J) и др.;

✵ иммунологический метод, позволяющий определить очень незначи­тельные изменения количества вещества, например при скрытой фазе утомления (перетренированности, воздействии физических нагрузок), а также при возникновении заболеваний, вызванных возбудителями инфек­ционных болезней или аллергентами;

✵ цитобиофизический метод, позволяющий определить энергети­ческое состояние человека и его биологический возраст по биоэлектри­ческим свойствам ядер клеток эпителия.

Экспресс-методы позволяют быстро проводить биохимические исследова­ния крови, мочи и других биологических жидкостей с помощью специальных химических наборов — тестов без использования сложной аппаратуры. Эти ме­тоды широко применяются в спортивной практике, медицине, а также в быту.