БИОХИМИЯ ЧЕЛОВЕКА - Л. В. Капилевич - 2016
ЧАСТЬ 1. СПОРТИВНАЯ БИОХИМИЯ
БИОХИМИЯ КРОВИ
Кровь - это ткань, которая отражает все биохимические особенности организма в норме и при патологии. Анализ крови может помочь тренеру скорректировать тренировочный процесс, добиваясь работы с нагрузками, адекватными функциональному состоянию спортсмена.
Общая характеристика крови
Кровь является циркулирующей по кровеносным сосудам соединительной тканью, состоящей из двух основных компонентов, - плазмы и форменных элементов. Кровь в организме человека составляет в среднем около 5 л. Различают кровь, циркулирующую в сосудах, и кровь, депонированную в печени, селезенке, коже.
Относительная плотность крови - 1,050-1,060; зависит в основном от количества эритроцитов. Относительная плотность плазмы крови - 1,025-1,034; определяется концентрацией белков.
Вязкость крови - 5 усл. ед., плазмы - 1,7-2,2 усл. ед., если вязкость воды принять за 1. Обусловлена наличием в крови эритроцитов и в меньшей степени белков плазмы.
Осмотическое давление крови в среднем составляет 7,6 атм. Оно обусловлено растворенными в ней осмотически активными веществами, главным образом неорганическими электролитами, в значительно меньшей степени - белками. Около 60 % осмотического давления создается солями натрия (NaСl). Осмотическое давление определяет распределение воды между тканями и клетками. Функции клеток организма могут осуществляться лишь при относительной стабильности осмотического давления.
Онкотическое давление крови - часть осмотического давления, создаваемого белками плазмы. Оно равно 0,03-0,04 атм, или 25-30 мм рт. ст. Онкотическое давление в основном обусловлено альбуминами. Вследствие малых размеров и высокой гидрофильности они обладают выраженной способностью притягивать к себе воду, за счет чего она удерживается в сосудистом русле. При снижении онкотического давления крови происходит выход воды из сосудов в интерстициальное пространство, что приводит к отеку тканей.
Кислотно-основное состояние крови. Активная реакция крови обусловлена соотношением водородных и гидроксильных ионов. Для определения активной реакции крови используют водородный показатель pH - концентрацию водородных ионов, которая выражается отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов водорода. В норме pH - 7,36 (реакция слабоосновная); артериальной крови - 7,4; венозной - 7,35. При различных физиологических состояниях pH крови может изменяться от 7,3 до 7,5. Активная реакция крови является жесткой константой, обеспечивающей ферментативную деятельность. Крайние пределы pH крови, совместимые с жизнью, равны 7,0-7,8. Сдвиг реакции в кислую сторону называется ацидозом, который обусловливается увеличением в крови водородных ионов. Сдвиг реакции крови в щелочную сторону называется алкалозом. Это связано с увеличением концентрации гидроксильных ионов ОН и уменьшением концентрации водородных ионов.
В организме человека всегда имеются условия для сдвига активной реакции крови в сторону ацидоза или алкалоза, которые могут привести к изменению pH крови. В клетках тканей постоянно образуются кислые продукты. Накоплению кислых соединений способствует потребление белковой нищи. Напротив, при усиленном потреблении растительной пищи в кровь поступают основания. Поддержание постоянства pH крови является важной физиологической задачей и обеспечивается буферными системами крови. К буферным системам крови относятся гемоглобиновая, карбонатная, фосфатная и белковая.
Буферные системы нейтрализуют значительную часть поступающих в кровь кислот и щелочей, тем самым препятствуя сдвигу активной реакции крови. В организме в процессе метаболизма в большей степени образуются кислые продукты. Для этого запасы щелочных веществ в крови во много раз превышают запасы кислых, это щелочной резерв крови.
Плазма составляет 55-60 % объема крови, форменные элементы - 40-45 %. Отношение объема форменных элементов ко всему объему крови называется гематокритным числом, или гематокритным показателем, и составляет в норме 0,40-0,45.
Биологические функции крови
1. Дыхательная функция (перенос кислорода из легких во все органы и углекислоты из органов в легкие).
2. Трофическая функция (доставка органам питательных веществ).
3. Защитная функция (обеспечение гуморального и клеточного иммунитета, свертывание крови при травмах).
4. Выделительная функция (удаление и транспортировка в почки продуктов обмена веществ).
5. Гомеостатическая функция (поддержание постоянства внутренней среды организма, в том числе иммунного гомеостаза).
6. Транспортная функция, обусловленная тем, что кровь содержит большое количество воды, которая обладает свойством текучести.
Химический состав плазмы крови
Плазма крови представляет собой жидкое (точнее, коллоидное) межклеточное вещество. Она содержит 90 % воды, около 6,6-8,5 % белков и другие органические и минеральные соединения - промежуточные или конечные продукты обмена веществ, переносимые из одних органов в другие.
Белки плазмы крови делятся на две фракции: альбумины и глобулины. Соотношение между альбуминами и глобулинами носит название альбумин-глобулиновый коэффициент, который равен 1,5-2.
Альбумины - низкомолекулярные белки с молекулярной массой около 70 тыс. Да. Они выполняют две основные функции: транспортную, перенося с током крови различные нерастворимые в воде вещества, и задерживают воду в кровяном русле.
Глобулины - высокомолекулярные белки с молекулярной массой около 300 тыс. Да. У них те же функции, что у альбуминов, кроме того, они ускоряют химические реакции, принимают участие в свертывании крови и участвуют в обеспечении иммунитета (защитная функция).
Большая часть белков плазмы синтезируется в печени. Прочие органические вещества (кроме белков) обычно делятся на две группы: азотистые и безазотистые.
Азотистые соединения - это промежуточные и конечные продукты обмена белков и нуклеиновых кислот. Из промежуточных продуктов белкового обмена в плазме крови имеются низкомолекулярные пептиды, аминокислоты, креатин. Конечные продукты метаболизма белков - это, прежде всего, мочевина, конечный продукт распада гема - билирубин - и конечный продукт распада креатинфосфата - креатинин. Из промежуточных продуктов обмена нуклеиновых кислот в плазме крови можно обнаружить нуклеотиды, нуклеозиды, азотистые основания. Конечным продуктом распада нуклеиновых кислот является мочевая кислота.
Кроме того, в крови содержатся небелковые азотистые соединения - показатель «небелковый азот».
К безазотистым веществам плазмы крови относятся углеводы и липиды, а также промежуточные продукты их метаболизма. Главным углеводом плазмы является глюкоза, а также фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза и др. Промежуточные продукты углеводного обмена в плазме представлены пировиноградной и молочной кислотами.
Липиды представлены в плазме крови жиром, жирными кислотами, фосфолипидами и холестерином. Вследствие нерастворимости в воде все липиды связаны с белками плазмы и называются липопротеидами. Из промежуточных продуктов жирового обмена в плазме всегда имеются кетоновые тела.
Минеральные вещества находятся в плазме крови в виде катионов (Na+, К+, Са2+, Мg2+ и др.) и анионов (Сl-, НСO3-, Н2РO4-, НРO42-, SO42-, J- и др.). Больше всего в плазме содержится натрия, калия, хлоридов, бикарбонатов. Отклонения в минеральном составе плазмы крови могут наблюдаться при различных заболеваниях и при значительных потерях воды за счет потоотделения при выполнении физической работы.
Характеристика клеток крови
Эритроциты (красные клетки крови)
Эритроциты у человека и млекопитающих представляют собой безъядерные клетки, утратившие в процессе фило- и онтогенеза ядро и большинство органелл. Эритроциты являются высокодифференцированными постклеточными структурами, неспособными к делению.
Формирование эритроцитов (эритропоэз) происходит в красном костном мозге. Продолжительность их жизни - 3-4 месяца, разрушение (гемолиз) происходит в печени и селезенке. Прежде чем выйти в кровь, эритроциты последовательно проходят несколько стадий пролиферации и дифференцировки в составе эритрона - красного ростка кроветворения.
Обычно эритроциты имеют форму двояковогнутого диска и содержат в основном белок гемоглобин, который осуществляет связывание с газом.
Основная функция эритроцитов - дыхательная - транспортировка кислорода и углекислоты. Кроме того, эритроциты участвуют в транспорте аминокислот, антител, токсинов и ряда лекарственных веществ, адсорбируя их на поверхности плазмолеммы.
Нормальное количество эритроцитов: у мужчин - (4,0-5,5) • 1012/л, у женщин - (3,7-4,7) • 1012/л.
Количество эритроцитов варьируется в зависимости от возраста и состояния здоровья. Повышение числа эритроцитов чаще всего связано с кислородным голоданием тканей или легочными заболеваниями, врожденными пороками сердца; может возникать при курении, нарушении эритропоэза из-за опухоли или кисты. Понижение количества эритроцитов является непосредственным указанием на анемию (малокровие). В запущенных случаях при ряде анемий отмечается неоднородность эритроцитов по величине и форме, в частности при железодефицитной анемии у беременных.
Иногда в гем включается атом трехвалентного железа вместо двухвалентного, и образуется метгемоглобин, который так прочно связывает кислород, что не способен отдавать его тканям, в результате чего возникает кислородное голодание. Образование метгемоглобина в эритроцитах может быть наследственным или приобретенным в результате воздействия на эритроциты сильных окислителей, таких как нитраты, некоторые лекарственные препараты - сульфаниламиды, местные анестетики (лидокаин).
Лейкоциты (белые клетки крови)
Источником лейкоцитов является красный костный мозг.
Лейкоциты различаются по структуре и назначению. Эти клетки имеют ядро. Среди них различают гранулоциты (нейтрофильные, эозинофильные, базофильные), а также лимфоциты и моноциты. Гранулоциты содержат гранулы, которые окрашиваются специальными красителями и видны под микроскопом. Г ранулы нейтрофилов - серые, эозинофилов - оранжевые, базофилов - фиолетовые.
Основное назначение нейтрофилов - защита организма от инфекций. Они фагоцитируют бактерии, то есть «заглатывают» и «переваривают» их. Кроме тою, нейтрофилы могут вырабатывать особые антимикробные вещества.
Эозинофилы удаляют избытки гистамина, который появляется при аллергических заболеваниях. При заражении гельминтами эозинофилы проникают в просвет кишечника, разрушаются там, в результате высвобождаются вещества, токсичные для гельминтов.
Базофилы вместе с другими лейкоцитами активно участвуют в воспалительном процессе, выделяя гепарин, гистамин, серотонин. Два последних вещества оказывают влияние на сосудистую проницаемость и тонус гладкой мускулатуры, резко изменяющийся в очаге воспаления. Гепарин связывает белки, вышедшие из клеток в межуточное вещество, и ослабляет их неблагоприятное влияние на цитоплазматические мембраны.
Лимфоциты являются центральным звеном иммунной системы организма. Они осуществляют формирование специфического иммунитета, синтез защитных антител, лизис чужеродных клеток, реакцию отторжения трансплантата, обеспечивают иммунную память. Дифференцировку лимфоциты проходят в тканях. Лимфоциты, созревание которых происходит в вилочковой железе, называются Т-лимфоцитами (тимусзависимые). Различают несколько форм Т-лимфоцитов. Т-киллеры (убийцы) осуществляют реакции клеточного иммунитета, лизируя чужеродные клетки, возбудителей инфекционных заболеваний, опухолевые клетки, клетки- мутанты. Т-хелперы (помощники), взаимодействуя с В-лимфоцитами, превращают их в плазматические клетки, т. е. помогают течению гуморального иммунитета. Т-супрессоры (угнетатели) блокируют чрезмерные реакции В-лимфоцитов. Имеются также Т-хелперы и Т-супрессоры, регулирующие клеточный иммунитет. Т-клетки памяти хранят информацию о ранее действующих антигенах. В-лимфоциты (бурсозависимые) проходят дифференцировку у человека в лимфоидной ткани кишечника, ткани небных и глоточных миндалин. В-лимфоциты осуществляют реакции гуморального иммунитета. Большинство В-лимфоцитов являются антитело- продуцентами. В-лимфоциты в ответ на действие антигенов в результате сложных взаимодействий с Т-лимфоцитами и моноцитами превращаются в плазматические клетки. Плазматические клетки вырабатывают антитела, которые распознают и специфически связывают соответствующие антигены. Различают 5 основных классов антител, или иммуноглобулинов: JgА, JgG, jgM, JgD, JgЕ. Среди В-лимфоцитов также выделяют клетки-киллеры, хелперы, супрессоры и клетки иммунологической памяти. О-лимфоциты (нулевые) не проходят дифференцировку и являются как бы резервом Т- и В-лимфоцитов.
Моноциты - недостаточно зрелые клетки. Свои основные функции они начинают выполнять, когда превращаются в макрофаги - большие подвижные клетки, которые находятся практически во всех органах и тканях. Макрофаги - своеобразные санитары. Они «поедают» бактерии, погибшие клетки, причем могут «заглатывать» частицы, почти равные им по размерам. Макрофаги, как уже указывалось, помогают лимфоцитам в осуществлении иммунных реакций.
У здорового человека число лейкоцитов в крови непостоянно. После тяжелой физической работы, приема горячей ванны, у женщин в период беременности, в процессе родов и перед началом менструации оно увеличивается. Это же происходит после приема пищи. Поэтому, чтобы результаты анализа были объективными, его нужно сдавать утром натощак, не завтракать, можно выпить только стакан воды.
В норме содержание лейкоцитов в 1 л крови взрослого человека составляет (4,0-9,0) • 109/л.
Увеличение числа лейкоцитов называют лейкоцитозом, уменьшение - лейкопенией. Наиболее часто лейкоцитоз возникает у больных с инфекциями (пневмония, скарлатина), гнойными заболеваниями (аппендицит, перитонит, флегмона), сильными ожогами. Лейкоцитоз развивается в течение 1-2 ч после начала интенсивного кровотечения. Приступ подагры также может сопровождаться лейкоцитозом. При некоторых лейкозах число лейкоцитов возрастает в несколько десятков раз.
Хотя проникновение микробов в организм человека обычно стимулирует иммунную систему, в результате чего число лейкоцитов в крови увеличивается, при некоторых инфекциях отмечается противоположная картина. Если защитные силы организма истощены и иммунная система не способна бороться, число лейкоцитов снижается. Так, например, лейкопения при сепсисе свидетельствует о тяжелом состоянии больного и неблагоприятном прогнозе. Некоторые инфекции (брюшной тиф, корь, краснуха, ветряная оспа, малярия, бруцеллез, грипп, вирусный гепатит) подавляют иммунную систему, поэтому они могут сопровождаться лейкопенией. Снижение числа лейкоцитов возможно также при системной красной волчанке, некоторых лейкозах и метастазах опухолей костей.
Тромбоциты (кровяные пластинки)
Тоже образуются из клеток красного костного мозга. Представляют собой плоские клетки неправильной округлой формы диаметром 2-5 мкм. Тромбоциты человека не имеют ядер, это фрагменты клеток, которые меньше половины эритроцита. Количество тромбоцитов в крови человека составляет (180-320) • 109/л. Имеют место суточные колебания: днем тромбоцитов больше, чем ночью. Увеличение содержания тромбоцитов в периферической крови называется тромбоцитозом, уменьшение - тромбоцитопенией.
Главной функцией тромбоцитов является участие в гемостазе. Тромбоциты помогают «ремонтировать» кровеносные сосуды, прикрепляясь к поврежденным стенкам, а также участвуют в свертывании крови, которое предотвращает кровотечение и выход крови из кровеносного сосуда.
Способность тромбоцитов прилипать к чужеродной поверхности (адгезия), а также склеиваться между собой (агрегация) происходит под влиянием разнообразных причин. Тромбоциты продуцируют и выделяют ряд биологически активных веществ: серотонин (вещество, вызывающее сужение кровеносных сосудов, уменьшение кровотока), адреналин, норадреналин, а также вещества, получившие название пластинчатых факторов свертывания крови.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие структуры относятся к форменным элементам крови?
2. Что называется сывороткой крови?
3. Перечислите функции крови в организме человека.
4. Перечислите основные составные компоненты плазмы крови.
5. Какие функции выполняют глобулины плазмы крови?
6. Какова продолжительность жизни эритроцитов?
7. В каком органе образуются белые клетки крови?
8. Какова причина возникновения ацидоза крови у спортсменов при мышечной работе?
9. Назовите оптимальное значение pH крови в покое у здорового человека.