УМКД БИОХИМИЯ Факультет физической культуры и спорта Направление

УМКД БИОХИМИЯ Факультет физической культуры и спорта Направление - 032100 «Физическая культура» 1. ЛЕКЦИИ 2. ПРЕЗЕНТАЦИИ 3. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЯ (БАНК ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной • Биохимия. Учебник для институтов физической культуры. /Под ред. В. В. Меньшикова, Н. И. Волкова. - М. : Физкультура и спорт, 1986. • Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. /Под ред. Северина Е. С. , Николаева. - М. : ГЭОТАР-МЕД, 2001. • Проскурина И. К. Биохимия : учебное пособие для вузов по спец. 033100 "Физ. культура". Допущено Министерством образования РФ/И. К. Проскурина. - 2003 • Волков Н. И. Биохимия мышечной деятельности. - М. : Олимпийский спорт, 2001. • Михайлов С. С. Спортивная биохимия. – М. : Советский спорт, 2006. • Николаев А. Я. Биологическая химия. - М. : Высшая школа, 1989. Дополнительный • Альбертс Б. , Брей Д. , Льюис Дж. , Рафф М. , Робертс К. , Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки. В 3 -х т. 2 -е изд. - М. : Мир, 1994 • Арансон М. В. Питание для спортсменов. - М. : Фи. С. – 2001. • Березов Т. Т. , Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. - М. : Медицина, 1998. • Марри Р. , Греннер Д. , Мейес П. , Родуэлл В. Биохимия человека, тт. 1 -2. - М. : Мир, 1993. • Мусил Я. , Новакова О. , Кунц К. Современная биохимия в схемах. - М. : Мир, 1984. • Пустовалова Л. М. Практикум по биохимии. - Ростов-на-Дону: Феникс, 1999. • Страйер Л. Биохимия, тт. 1 -3. М. : Мир, 1985. • Филлипович Ю. Б. Основы биохимии. - М. : Агар, 1999. • Интернет.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования Сибирский федеральный университет Кафедра биохимии и физиологии человека и животных Красноярск 2007

Содержание: ЧАСТЬ 1. СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 1. Строение, свойства, биологическая роль углеводов и липидов 2. Строение, свойства, биологическая роль белков 3. Строение, свойства, биологическая роль нуклеотидов 4. Витамины, ферменты 5. Гормоны, биологическая роль, классификация, механизм действия СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 3

Содержание: ЧАСТЬ 2. ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 6. Переваривание углеводов в пищеварительном тракте. Гликолиз. Окислительное декарбоксилирование пирувата 7. Аэробный метаболизм углеводов 8. Липидный обмен 9. Белковый обмен 10. Интеграция клеточного обмена ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 33

Содержание ЧАСТЬ 3. СПОРТИВНАЯ БИОХИМИЯ Тема 11. Биохимия мышечного сокращения. Тема 12. Энергетическое обеспечение мышечной деятельности. Тема 13. Биохимические изменения в организме при работе различного характера. Биохимические изменения при утомлении. Тема 14. Биохимические превращения в период восстановления после мышечной работы. Тема 15. Закономерности биохимической адаптации под влиянием систематической тренировки. Тема 16. Биохимический контроль при занятиях физической культурой и спортом. Тема 17. Биохимические основы силы, быстроты и выносливости. Тема 18. Биохимическое обоснование методики занятий физической культурой и спортом с лицами разного возраста. Биохимические основы рационального питания при занятиях физической культурой. Библиографический список. СПОРТИВНАЯ БИОХИМИЯ 3

Биохимия – наука о молекулярных основах жизни Биохимия изучает стуктуру и функции веществ живого организма, а также особенности их превращений в различных органах и тканях

ЧАСТЬ 1. СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ - Строение, свойства, биологическая роль углеводов, липидов , белков. - Строение, свойства, биологическая роль нуклеотидов, витаминов и ферментов - Гормоны, биологическая роль, классификация, механизм действия

Углеводы Строение, свойства, биологическая роль

Биологические функции углеводов § Энергетическая функция (главный вид клеточного топлива) § Структурная функция (обязательный компонент большинства внутриклеточных структур) § Защитная функция (участие углеводных компонентов иммуноглобулинов в поддержании иммунитета) § Регуляторная § Специфические функции

Строение клеточной мембраны

Антигены эритроцитарной мембраны АВО Резус 14

Моносахариды

Моносахариды (триозы)

Моносахариды (эритрозы) Эритроза (структурная и циклическая формы)

Моносахариды (пентозы)

Моносахариды (гексозы) альдегидоспирт кетоноспирт альдегидоспирт

Фосфорные эфиры глюкозы

Олигосахариды Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза Глюкоза + Галактоза = Лактоза Глюкоза + Фруктоза = Сахароза

Олигосахариды Образование 1, 4 -гликозидной связи между моносахаридами

дисахарид САХАРОЗА

дисахарид ЛАКТОЗА

дисахарид МАЛЬТОЗА

ПОЛИСАХАРИДЫ: - Гомополисахариды - Гетерополисахариды Цепи полисахаридов Строение, свойства, биологическая роль гомо- и гетерополисахаридов 27

Структура гомополисахаридов

Ветвление полисахаридов Строение, свойства, биологическая роль гомо- и гетерополисахаридов 30

Гомополисахариды Крахмал Строение, свойства, биологическая роль гомо- и гетерополисахаридов 31

Гомополисахариды 32

Гомополисахариды Клетчатка(целлюлоза) Целлюлоза (клетчатка) – наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. В молекуле целлюлозы β-глюкопиранозные мономерные единицы линейно соединены между собой β-(1–>4) -связями: При частичном гидролизе целлюлозы образуется дисахарид целлобиоза, а при полном гидролизе – D-глюкоза.

Гомополисахариды Образование водородных связей в молекуле целлюлозы 34

Гомополисахариды Значение целлюлозы

Гомополисахариды Гликоген

Гомополисахариды Гликоген ВКЛЮЧЕНИЯ ГЛИКОГЕНА В КЛЕТКАХ ПЕЧЕНИ В цитоплазме мышечной клетки присутствует гликоген (в виде гранул). Интересно, что мышечного гликогена в организме может быть даже больше, чем гликогена в печени в силу того, что мышц в организме много. Однако, мышечный гликоген может быть использован только локально, в данной мышечной клетке. А гликоген печени используется всем организмом, в том числе и мышцами.

Гомополисахариды ВКЛЮЧЕНИЯ ГЛИКОГЕНА В КЛЕТКАХ ПЕЧЕНИ Окраска кармином с докраской ядер гематоксилином 1 - включения гликогена (красное окрашивание)

Гомополисахариды Хитин (C 8 H 13 NO 5)n (фр. chitine, от др. -греч. χιτών: хитон — одежда, кожа, оболочка) — природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов. Хитин, гомополимер из Nацетилглюкозамина, вязанного с в положении β(1→ 4), — основной компонент наружного скелета насекомых и панцыря ракообразных. Кроме того, хитин входит в состав клеточных стенок мицелия грибов. 40

ПОЛИСАХАРИДЫ: - Гомополисахариды - Гетерополисахариды Цепи полисахаридов Строение, свойства, биологическая роль гомо- и гетерополисахаридов 41

Гетерополисахариды: гиалуроновая кислота Структура природной Гиалуроновой кислоты. ГК – биополимер, состоящий из повторяющихся дисахаридов, включающих в себя Nацетилглюкозамин и глюкуроновую кислоту. Молекулярный вес нативной ГК обычно составляет несколько миллионов. Каждый дисахаридный мономер гиалуроновой кислоты содержит три возможных участка для модификации: гидроксильную, карбоксильную группы и ацетамидогруппу.

Дерма (собственно кожа) — это средний слой кожи, который играет роль каркаса, обеспечивающий механические свойства кожи: упругость, прочность и растяжимость. Состав дермы: коллагеновые и эластиновые волокна, они формируют настоящую прочную решетку, на которой покоится эпидерма. водный гель. Воду в гель превращают вещества из семейства гликозаминогликанов, самым ярким представителем которого является гиалуроновая кислота. Жидкий протез или имплант сустава для восстановления суставного хряща. Внутрисуставное введение препаратов гиалуроновой кислоты для лечения артроза, достоинства и недостатки нового способа терапии суставов

Гиалуроновая кислота – тот редкий тип веществ, молекулы которого одинаковы для всех живых организмов: и для человека, и для микробов. В организме она выполняет множество функций, например, поддержание нормальной увлажненности эпидермиса и глубоких слоев кожи. Это своеобразный биологический «цемент» , скрепляющий волокна коллагена и его предшественника эластина в коже. В косметике гиалуроновая кислота и ее натриевая соль (гиалуронат натрия) используются в качестве интенсивных поверхностных и глубоких увлажнителей. Чистая гиалуроновая кислота помогает бороться с признаками старения кожи. Наша кожа на 70% состоит из воды, что составляет около 15% всей воды, содержащейся в организме! Количество воды в организме зависит от возраста и наследственной предрасположенности человека. Именно гиалуроновая кислота, как никакое другое вещество, ответственна за сохранение влаги в коже.

Гетерополисахариды: гиалуроновая кислота Строение, свойства, биологическая роль гомо- и гетерополисахаридов 45

Гетерополисахариды: гепарин Гепарин представляет собой сульфатированный гликозаминогликан, обычно используемый в качестве антикоагулянта при проведении диализа или операций, связанных с сердечно-сосудистой деятельностью. В клинической практике гепарин известен, как прямой антикоагулянт, то есть, как вещество, препятствующее свёртыванию крови. Применяется для профилактики и терапии тромбоэмболических заболеваний, при операциях на сердце и кровеносных сосудах, для поддержания жидкого состояния крови в аппаратах искусственного кровообращения и гемодиализа, а также для предотвращения свертывания крови при лабораторных исследованиях. Синтезируется в тучных клетках, скопления которых находятся в органах животных, особенно в печени, лёгких, стенках сосудов.

Мастоциты Тучные клетки (мастоциты, лаброциты) — высокоспециализированные иммунные клетки соединительной ткани позвоночных животных, аналоги базофилов крови. Участвуют в адаптивном иммунитете. Тучные клетки рассеяны по соединительной ткани организма, особенно под кожей, вокруг лимфатических узлов и кровеносных сосудов; содержатся в селезенке и костном мозге. Тучные клетки играют важную роль в воспалительных реакциях, в частности, аллергических реакциях. Так же как и у базофилов поверхность тучных клеток имеет рецепторы для иммуноглобулинов Ig. E. Тучные клетки содержат большое количество цитоплазматических гранул, окрашиваемых катионными красителями. Гранулы включают протеогликаны (гепарин), гистамин, интерлейкины и нейтральные протеазы. При активации (например, при аллергической реакции) тучные клетки высвобождают содержимое гранул в окружающую ткань (дегрануляция).

Гетерополисахариды: хондроэтинсульфаты Хондроитинсульфаты — полимерные сульфатированные гликозаминогликаны. Являются специфическими компонентами хряща. Вырабатываются хрящевой тканью суставов, входят в состав синовиальной жидкости. Необходимым строительным компонентом хондроитинсульфата является глюкозамин, при недостатке глюкозамина в составе синовиальной жидкости образуется недостаток хондроитинсульфата, что ухудшает качество синовиальной жидкости и может вызвать хруст в суставах[1]. В медицине хондроитина сульфат применяется в качестве лекарственного средства группы нестероидных противовоспалительных препаратов. 48

Химия белков

1 5 6 4 2 3

В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостно-мозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном (Singer, Nicolson). Согласно этой модели мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (3), а мембранообразующие липиды - гликолипидами (4). на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).

Строение клеточной мембраны

Транспортная функция белков крови Защитная функция белков организма

Хранение и передача наследственной информации Нуклеосомы

Хранение и передача наследственной информации Компактизация хромосом

Химический состав белка: С – 50 -55% О 2 – 21 -23% N – 15 -17% Н 2 – 6 -7% S – 0, 3 – 2, 5%

(органическая кислота)

Общая формула аминокислот Или в диссоциированном виде:

Аминокислоты Ациклические: Циклические (ароматические) 1. Нейтральные (моноаминомонокарбоновые) - Неполярные (гидрофобные) Полярные (гидрофильные) 2. Заряженные - Положительно заряженные (диаминомонокарбоновые) - Отрицательно заряженные (моноаминодикарбоновые)

Циклические или Ароматические R-группы

Ациклические 1. Нейтральные (моноаминомонокарбоновые) - Неполярные (гидрофобные)

Ациклические 1. Нейтральные (моноаминомонокарбоновые) - Полярные (гидрофильные) Полярные, незаряженные R-группы

Ациклические 2. Заряженные - Отрицательно заряженные (моноаминодикарбоновые)

Ациклические 2. Заряженные - Положительно заряженные (диаминомонокарбоновые)

Первичная структура белка Пептидные связи

Связи, стабилизирующие белковую молекулу

Последовательность аминокислот для каждого белка уникальна и закреплена генетически Первичная структура характеризует последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, связанных ковалентыми связями трипептид: глицилаланиллизин

Вторичная структура белка α-спираль β-складчатая структура

Пример бета-листа, сложенного из 4 антипараллельных нитей. Показана кристаллическая структура фермента каталаза (по файлу PDB 1 GWE на разрешении 0. 88Å). a) Вид сверху. Видны водородные связи (линии из точек) между группами NH и CO в аминокислотах. Стрелки показывают направление цепочки. Контурами показана плотность электронов у атомов (кроме водорода). Красные шары — кислород, синие — азот; водород не показан; у боковых цепей показан зеленым только первый атом углерода. b) Вид сбоку на центральные 2 нити. Видно правостороннее закручивание и складчатость слоя, когда боковые цепи последовательно соединенных аминокислот попеременно обращены на разные стороны листа

Связи, стабилизирующие белковую молекулу Электроположительные водородные атомы, соединенные с кислородом или азотом в группах – ОН или – NH, стремятся обобществить электроны с находящимся по соседству с электроотрицательным атомом кислорода, например, с кислородом группы = СО Локализованное электростатическое притяжение – ОН. . . ОС Водородная связь

Характерные мотивы укладки белковой цепи в α, β, α/β, и α+β белках

Третичная структура белка Доменное строение глобулярных белков (по А. А. Болдыреву) 45

Связи, стабилизирующие белковую молекулу 40

Связи, стабилизирующие белковую молекулу 39

Типы нековалентных связей, стабилизирующих третичную структуру белка. а - электростатическое взаимодействие; б - водородная связь; в - гидрофобные взаимодействия неполярных групп; г - диполь-дипольные взаимодействия; д - дисульфидная (ковалентная) связь.

Четвертичная структура белка Гемоглобин состоит из четырех субъединиц (двух α-цепей и двух β-цепей верхний рисунок), одна субъединица (средний рисунок), простетическая группа гемоглобина (нижний рисунок)

Для справки Диализ — освобождение коллоидных растворов и субстанций высокомолекулярных веществ от растворённых в них низкомолекулярных соединений при помощи полупроницаемой мембраны. При диализе молекулы растворенного низкомолекулярного вещества проходят через мембрану, а неспособные диализировать (проходить через мембрану) коллоидные частицы остаются за ней. Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия (полупроницаемого материала), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель (например в воду). Постепенно концентрация диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становится одинаковой. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Диализ применяют в промышленности для очистки различных веществ, например в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ. В медицине диализ – основа работы «искусственной почки»

Нейтральная цвиттерионная форма аминокислоты –NH 2, основная группа, –СООН, кислотная группа, обладает сильным диссоциирует с высвобождением +–ионам сродством к Н Н+–ионов

Биполярный ион аминокислоты (цвиттер-ион) На диссоциацию аминокислот оказывает влияние p. H среды. В кислой среде проявляются основные свойства и несут «+» заряд. В щелочной среде проявляются кислотные свойства и несут «-» заряд.

Сложные белки: нуклеопротеины Хранение и передача наследственной информации Нуклеосомы

Сложные белки: хромопротеины

Сложные белки: липопротеины 47

Сложные белки: гликопротеины Гликопротеины (Иммуноглобулин М) 48

Строение, свойства, биологическая роль белков Сложные белки Схематическое изображение структур протеогликанов: 1 - протеогликан хряща, 2 - протеогепарин; 3 - протеодерматансульфат с олигосахаридами муцинового типа, 4 -протеохондроитинсульфат или протеодерматансульфат небольшой молекулярной массы, 5 - протеокератансульфат роговицы; 6 - протеогепарансульфат клеточной поверхности Протеогликаны СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 49

Строение, свойства, биологическая роль белков Сложные белки (металлопротеины) Цитохром с Ферритин СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 50

Строение, свойства, биологическая роль белков Сложные белки (нуклеопротеины) Модель вируса мозаичной болезни табака, а - спираль РНК; б - субъединицы белка СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 51

ЛИПИДЫ

ЖИРЫ Протоплазматический жир - является структурным компонентом протоплазмы клеток -Входит в состав всех органов и тканей --составляет 25% от всех липидов организма -Остаётся на одном уровне в течении всей жизни организма Резервный жир -откладывается в жировой ткани -Запасается в организме 7 -8 кг -Зависит от пола, возраста, режима питания и др.

Биологическая роль липидов § Структурная функция или строительная § Регуляторная § Транспортная § Энергетическая функция § Запасная § Специфические функции

Строение клеточной мембраны

Сложные белки: липопротеины 47

Липиды Омыляемые – Неомыляемые - в своём составе содержат остатки жирных кислот; при гидролизе образуют мыла - в своём составе не содержат остатки жирных кислот; при гидролизе не образуют мыла Простые Сложные - в своём составе содержат только липидный компонент - в своём составе кроме липидного компонента содержат какой-либо нелипидный компонент

Омыляемые липиды Процесс гидролиза сложных эфиров в щелочной среде до сих пор называют «омылением» . Например, омыление эфира, образованного глицерином, пальмитиновой и стеариновой кислотами: Натриевые соли высших карбоновых кислот — основные компоненты твердого мыла, калиевые соли — жидкого мыла.

Омыляемые липиды В живых организмах происходит ферментативный гидролиз жиров. В кишечнике под влиянием фермента липазы жиры пищи гидратизуются на глицерин и органические кислоты, которые всасываются стенками кишечника, и в организме синтезируются новые жиры, свойственные данному организму. Они по лимфатической системе поступают в кровь, а затем в жировую ткань. Отсюда жиры поступают в другие органы и ткани организма, где в процессе обмена веществ в клетках опять гидролиэу-ются и затем постепенно окисляются до оксида углерода и воды с выделеиием энергии, необходимой для жизнедеятельности.

Простые липиды: триацилглицеролы

(органическая кислота)

Жирные кислоты СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ 25

Высшие жирные кислоты 110 Строение, свойства, биологическая роль простых липидов Строение, свойства, биологическая роль простых липидов

Строение клеточной мембраны

Высшие жирные кислоты Насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты 112 Строение, свойства, биологическая роль простых липидов Строение, свойства, биологическая роль простых липидов

Триацилглицеролы 113 Строение, свойства, биологическая роль простых липидов Строение, свойства, биологическая роль простых липидов

Нейтральные липиды 26

Простые липиды: Воска O || СН 3(СН 2)n – С – О – СН 2 (СН 2)m СН 3 кислота спирт 29

Стерины – неомыляемые липиды Циклопентапергидрофенантрен 31

Стерины – неомыляемые липиды Зоостерины – в тканях животных Фитотерины – в тканях растений Микостерины – в грибах

Стерины – неомыляемые липиды Холестерин 32

Сложные липиды: Фосфолипиды Общее строение фосфолипидов Заместители R 1 и R² — остатки жирных кислот, X – азотсодержащее основание, зависит от типа фосфолипида (например холин, этаноламин, серин и др. )

Сложные липиды: Фосфолипиды

Сложные липиды: Гликолипиды Строение гликолипида (галактозилцерамида) (в основе спирт сфингозин)

Сложные липиды: Гликолипиды В настоящее время наибольшим признанием пользуется жидкостномозаичная модель мембраны, предложенная в 1972 году Сингером и Николсоном (Singer, Nicolson). Согласно этой модели мембрана состоит из бислоя липидов, в котором плавают (или закреплены) белковые молекулы, образуя в нём своеобразную мозаику. Мембранные белки могут пронизывать бислой насквозь (интегральный белок - 1), примыкать к бислою (периферический белок - 2) или погружаться в него. Многие белки мембраны являются гликопротеинами (4), а мембранообразующие липиды - гликолипидами (3). на схеме также показаны: холестерол (5); углевод (6); элементы цитоскелета (7).

Сложные липиды: Липопротеины Структура липопротеина

Сложные липиды: Липопротеины Структура липопротеинов

Нормальное содержание различных липидов в крови человека Определение уровня (концентрации) липидов крови является важным моментом в определении риска развития атеросклероза и других сердечно-сосудистых заболеваний. В таблице представлены нормальные концентрации различных липидов крови: Фракция липидов крови Хиломикроны (натощак) Триглицериды Общий холестерин ЛНП ЛВП у мужчин ЛВП у женщин Концентрация ммоль/л мг/дл Практически отсутствуют < 2, 3 < 5, 2 < 200 < 3, 4 > 0, 9 > 1, 0 < 130 > 35 > 40 Запомните: нарушение липидного обмена может играть важнейшую роль в развитии атеросклероза. К атерогенным факторам относятся: • Повышение общего уровня холестерина крови; • Повышение уровня липопротеинов низкой плотности (ЛНП); • Снижение уровня липопротеинов высокой плотности (ЛВП); • Курение, диабет, ожирение, избыточное потребление в пищу жиров и углеводов.

Клетки бурой жировой ткани (фото Steve Gschmeissner Гипоталамический пептидный гормон орексин способствует перекачке жира из запасающей белой жировой ткани в бурую, которая этот жир сжигает.

Белый жир