Введение в физиологию с основами биохимии

Лекция 1. Введение в физиологию с основами биохимии Биохи́мия (биологи́ческая, или физиологи́ческая хи́мия) — наука о химическом составе живых клеток и организмов и о химических процессах, лежащих в основе их жизнедеятельности. Бывает частная, общая, функциональная (в том числе и спортивная). Спортивная биохимия (биохимия спорта) изучает: строение и состав мышц, биоэнергетику мышечной деятельности, механизмы утомления, закономерности адаптации к мышечной работе, основы спортивной работоспособности, влияние фармакологических препаратов на спортивную работоспособность и т.д. Тренер и преподаватель должен знать: устройство человека на разных уровнях, особенности обмена веществ во время работы и отдыха, признаки перетренированности и их причины, закономерности биохимических процессов при мышечной работе. Физиология представляет собой комплекс естественнонаучных дисциплин, изучающих как жизнедеятельность организма в целом, так и отдельных систем, и процессов органов, клеток, клеточных структур. Методы физиологии: наблюдение (как правило, длительное), эксперимент (острый и хронический), электрофизиологические – регистрируют электрические процессы (ЭЭГ, ЭКГ и другие), радиотелеметрия (передача полученных записей на большие расстояния), тепловидение (определение холодных и горячих участков тела), КТ. История физиологии начинается за 15 веков до н.э. в древнем Египте с изготовления мумий. В Древнем Китае по пульсу различали множество болезней. В Древней Индии изучали воздействие на организм йоги и упражнений, а в Древней Греции функции мозга и сердца. Экспериментальная физиология возникла в 17в, когда Гарвей открыл круги кровообращения. Тогда же Декарт ввел понятие «рефлекс». В 1862 году И.М.Сеченов открыл торможение в центральной нервной системе. Его учения продолжил Н.Е.Введенский, а затем А.А.Ухтомский. И. П. Павлов впервые создал учение об условных рефлексах и разработал новую главу физиологии - физиологию высшей нервной деятельности. В программу обучения в физкультурных вузах физиология включалась с первых дней их организации. На созданных П. Ф. Лесгафтом в 1896 г. Высших курсах физического образования сразу же был открыт кабинет физиологии, первым руководителем которого являлся академик И. Р. Тарханов. Физиологическая система – это постоянная совокупность различных органов, объединенных какой-либо общей функции. Зависит от обмена веществ, энергии, информации. Функциональная система – временная совокупность органов, которые принадлежат разным структурам, но обеспечивают выполнение особых форм физиологической деятельности и определенных функций. Обладает саморегуляцией, динамичностью, обратной связью. Гомеостаз (представляет собой жидкую среду) – совокупность биологических реакций, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма. Кроссворд: 1. Павлов 2. Гомеостаз 3. Сеченов 4. Биохимия 5. Электрокардиография 6. Физиология 7. Наблюдение 8. Сеченов 9. Метаболизм 10. Фермент Лекция 2. Общая характеристика химического состава организма Содержание воды в организме взрослого человека около 60-65% от массы тела, у детей эта цифра еще выше, а в стареющем организме до 50%. Потеря 20-25% воды уже не совместима с жизнью. Распределение воды неравномерно. Жидкости организма содержат 80-90% воды, во внутренних органах и мышцах 70-80%, в костях 20-40%, в эмали зуба – около1 %. Большая часть воды (2/3) находится внутри клеток -внутриклеточная. 1/З входит в состав спинномозговой жидкости, плазмы крови, лимфы - внеклеточная. Физико-химические свойства: высокая полярность, низкая вязкость, высокая текучесть, хороший растворитель. Биологическая роль воды: • Универсальный растворитель • Транспортная функция • Терморегуляторная функция • Способствует стабильности высокомолекулярных соединений • Участник обмена веществ • Конечный продукт ряда химических реакций Суточная потребность воды 40 мл на 1 кг массы. Основные источники: питьевая вода (до литра в сутки), жидкая и твердая пища (до 650-700 мл в сутки), эндогенная вода (до 450 мл в сутки). Выведение воды осуществляется почками (1500 мл), кишечником (200 мл), легкими (400 мл), кожей, потовыми железами (700мл). В сутки до 2,8 л. Во время тренировки потери воды увеличиваются. Обмен воды находится под контролем нервно-гормональной регуляции. Поступление в организм экзогенной воды контролируется чувством жажды. Возникает жажда при уменьшении содержания воды в организме даже на несколько процентов. При дефиците воды происходит сгущение крови, и в ней повышается осмотическое давление. Вызывает задержку воды гормон вазопрессин (гипоталамус-задняя доля гипофиза-кровь). Удержанию воды также способствует альдостерон (повышает скорость обратного всасывания в кровь ионов натрия). Выделение воды контролируется тироксином. Нарушения водного баланса: отёки, приём пищи с большим содержанием соли, обезвоживание, в том числе при ряде заболеваний (диабет), большая потеря воды у спортсменов при интенсивных тренировках. Для предупреждения обезвоживания нужно соблюдать питьевой режим (500 мл воды за час до тренировки и часто по 50 мл во время тренировок и соревнований). 4% от массы тела (3 кг) – содержание минеральных веществ в организме). Макроэлементы: кальций, фосфор, калий, хлор, натрий, магний. Микроэлементы: железо, фтор, йод, медь, кобальт, бром и другие. В крови, мышцах, внутренних органах минеральных веществ - около 1 %. В костях примерно 50% от их общей массы. В эмали зуба - до 98%. Кальций, магний, фосфор – в зубах и костях, калий внутри клеток, железо – в печени, йод в щитовидной железе, цинк в поджелудочной. Формы существования: нерастворимые соли, в составе органических веществ, в ионизированной форме. Практически все минеральные элементы поступают с пищей в необходимых для организма количествах. Исключение составляет лишь хлористый натрий. Выведение минеральных веществу осуществляется почками, кишечником и кожей. Натрий (в миокарде), калий и хлор (соляная кислота желудочного сока) участвуют в формировании нервного импульса, активаторы ряда ферментов. Кальций, магний фосфор формируют костную ткань, активаторы некоторых ферментов. Кальций участник свертывания крови, процессов сокращения и расслабления мышц. Железо входит в состав гемоглобина и обеспечивает перенос кислорода, аэробные процессы. Вопросы суждения: 1. Каким образом распределяется вода в организме? 2. В следствие чего наступает обезвоживание организма? 3. Чем объяснить, что вода является универсальным растворителем? 4. Почему вода способствует стабильности высокомолекулярных соединений? 5. Когда увеличиваются потери воды с выдыхаемым воздухом? 6. Каким образом контролируется поступление в организм экзогенной воды? 7. В каком случае происходит задержка воды в организме? 8. Чем объяснить, что фосфорная кислота играет важную роль в энергетическом обмене? 9. В каком случае может нарушиться процесс транспортировки кислорода гемоглобином? 10. Почему железо необходимо для обеспечение аэробных процессов? 11. Каким образом транспортируется железо кровью? 12. Почему практически все минеральные вещества поступают в необходимых количествах с пищей, за исключением хлористого натрия? 13. Благодаря чему тироксин поддерживает равновесие между поступлением и выделением воды? 14. Каким образом минеральные вещества выводятся из организма? 15. Почему могут возникать отёки? Лекция 3. Органические вещества клетки: белки и нуклеиновые кислоты. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ или МЕТАБОЛИЗМ (анаболизм, катаболизм) – это совокупность химических процессов, которые протекают в живых организмах, и обеспечивают их рост, жизнедеятельность, воспроизведение, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Гомеостаз – динамическое постоянство внутренней среды организма, в которой живут все его клетки, — это кровь, лимфа, межтканевая жидкость. Постоянные показатели гомеостаза: сохраняемая температура, рН, осмотическое давление, концентрация гемоглобина. Белки́ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярные органические вещества, состоящие аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. Используется 20 аминокислот. Образование пептидной связи происходит в рибосоме. Уровни организации белков: первичная структура (цепочка АК), вторичная (спираль), третичная, четвертичная (клубок белков). Функции белков: структурная, каталитическая, сократительная, транспортная, регуляторная, защитная, энергетическая. Белки бывают простые (гидролизуются только на АК) и сложные, глобулярные (основные, кислые, нейтральные), фибриллярные. Свойства белков: амфотерность (проявляют, как кислотные, так и основные свойства), растворимость (водорастворимые, нерастворимые), гидролиз, горение, пенообразование, денатурация (распад). Денатурация бывает полная и частичная, обратимая и необратимая. Причины денатурации: механическая, изменение температуры, радиация, ультразвук, воздействие кислот, щелочей, металлов, растворителей. Аммиак образуется при распаде аминокислот. Одним из путей связывания и обезвреживания аммиака в организме, в частности в мозге, сетчатке, почках, печени и мышцах, является биосинтез глутамина (и, возможно, аспарагина). Основным механизмом обезвреживания аммиака в организме является биосинтез мочевины. Азотистый баланс — соответствие между количеством азота, поглощённого органом и выделенного из него. При длительном отсутствии в организме достаточного количества азота человек худеет, слабеет, уменьшается в массе, то есть нарушается азотистый баланс. В сутки с пищей поступает около 100 г белков, в расчете 1,5-2 гр. на 1 кг. веса организма. Переваривание белков осуществляют протеолитические ферменты желудочного панкреатического и кишечного соков. Расщепление пищевых белков начинается в полости желудка под действием желудочного сока. Желудочный сок содержит фермент пепсин. Синтез белков в организме ускоряется соматотропным гормоном и гормоном тестостероном. Синтез белков очень энергоемкий процесс, требующий огромного количества АТФ. Многие антибиотики подавляют трансляцию. Нуклеиновые кислоты (РНК, ДНК) – нерегулярные полимеры. Каждый нуклеотид, из которого состоит ДНК, состоит из остатков сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Азотистых оснований четыре разновидности: аденин, гуанин, цитозин, и тимин. Нуклеотиды соединены в длинные цепи с помощью фосфорно-диэфирных связей. Переваривание происходит в тонком кишечнике. Тестовые вопросы: 1. Гомеостаз – это: • Постоянство внутренней среды+ • Динамичность внутренней среды • Расщепление белков • Процесс свертывания крови 2. К постоянным показателям гомеостаза относится: • Давление • рН+ • Объём • Рост 3. Выберете несуществующую структуру белка: • Первичная • Третичная • Четвертичная • Начальная + 4. По классификации белки не бывают: • Простые • Глобулярные • Фибриллярные • Элементарные + 5. Аммиак образуется при окислении биогенных: • Жиров • Оснований • Аминов + • Кислот 6. Азотистый баланс - это соответствие между количеством азота: • Поглощенным и выделенным + • Поглощенным и потраченным на нужды организма • Образованным и потраченным на нужды организма • Образованным и выделенным 7. В сутки с пищей поступает белков: • 50 г • 80 г • 30 г • 100 г+ 8. Выберите несуществующее азотистое основание: • Аденин • Сегмоин + • Урацил • Гуанин 9. Синтез белков в организме ускоряется гормоном: • Т4 • ЛГ • СТГ + • АКТГ 10. Переваривание нуклеиновых кислот происходит в: • Толстом кишечнике • Во рту • Печени • Тонком кишечнике + Лекция 7. Биохимические активные вещества: ферменты ФЕРМЕ́НТЫ - энзимы, специфические белки, увеличивающие скорость протекания химических реакций в клетках всех живых организмов. В 1833 году впервые из прорастающих зерен ячменя было выделено активное вещество, осуществляющее превращение крахмала в сахар и получившее название диастазы (ныне этот фермент называется амилазой). Все ферменты - это белки с молекулярной массой от 15 000 до нескольких миллионов Да. Ферменты бывают сложные и простые. Фермент состоит из тела, каталитического центра, субстратного центра, активного и аллостерического центра. Механизм работы: активация фермента-узнавание своего субстрата-образование неактивного фермента-образование активного комплекса-образование продуктов реакции. Свойства ферментов: ускоряют определенные реакции, действуют на определенные вещества, при кипячении разрушаются. Вещества, вызывающие ингибирование ферментов (торможение ферментативной реакции), называют ингибиторами. Ингибирование бывает обратимое, необратимое, неконкурентное, конкурентное. Активаторы (гормоны, ионы металлов, лекарственные препараты) - вещества, избирательно повышающие скорость определенных ферментативных реакций. Скорости ферментативных реакций соответствуют потребностям организма. Скорость зависит от: концентрации фермента, концентрации субстрата, температуры, рН, присутствия активаторов/ингибиторов. Основные механизмы регуляции скорости ферментативных реакций: изменение скорости синтеза ферментов, модификация ферментов, изменение конформации ферментов. Ферменты участвуют в осуществлении процессов обмена веществ, выстраивают организм, переваривание пищи. Определенный ферментный потенциал человек наследует при рождении, остальные в течение жизни мы получаем из пищи (овощи). Значение ферментов: расщепление пищи, выделяют из лёгких СО2, поддерживают иммунную систему, повышают выносливость, уничтожают жиры, предупреждают хроническое течение болезни, сохраняют молодость и энергию, препятствуют гормональному дисбалансу. Болезни (энзимопатии): галактоземия. фенилкетонурия, Протеолитический фермент папайи используют в пивоварении, пепсин при производстве готовых каш и как лекарственный препарат, трипсин – в продуктах детского питания, реннин – в сыроварении, каталаза – в резиновой промышленности и т.д. Тестовые вопросы: 1. Все ферменты это: • Жиры • Углеводы • Белки + • Кислоты 2. Амилазу впервые открыли в: • 1915 г • 1789 г • 1833 г+ • 2001 г 3. В активации фермента играет роль: • ДНК • Витамин+ • Липид • Щелочь 4. Механизм работы ферментов начинается с: • Активации фермента+ • Узнавания субстрата • Образования продукта реакции • Образования неактивного комплекса 5. При кипячении ферменты: • Активируются + • Разрушаются • Превращаются • Не изменяются 6. Ингибирование это: • Ускорение ферментативной реакции • Поддержание ферментной реакции • Торможение ферментной реакции + • Процесс образования АТФ 7. Активаторами являются все, кроме: • Лекарственные препараты • Ионы металлов • Гормоны • Ацетилхолин эстераза + 8. Скорость ферментативной реакции не завист от: • Концентрации фермента • Возраста человека+ • Температуры • рН 9. К энзимопатиям относятся: • Галактоземия+ • Фенилкетонурия+ • Синдром Дауна • Аппендицит 10. Реннин используют в: • Производстве резины • Сыроварении+ • Пивоварении • Производстве детского питания Лекция 8. Биологически активные вещества. Гормоны. Гормоны - органические вещества разнообразного строения. Вырабатываются в специализированных органах - железах внутренней секреции. В клетках органов, в которых реализуется действие гормонов (органы-мишени), имеются особые белки, называемые рецепторами гормонов. Эти белки обладают способностью специфически связываться только с определенными гормонами. Гормоны ускоряют или замедляют синтез ферментов, в результате чего в органах-мишенях повышается или снижается концентрация ферментов. В одном случае гормоны являются активаторами, а в другом случае ингибиторами. Гормоны влияют на проницаемость клеточных мембран по отношению к определенным химическим соединениям. По химическому строению гормоны бывают: белковой природы, производные аминокислоты – тирозина, стероидного строения. Все железы внутренней секреции работают согласовано, поэтому введение в организм гормонов сказывается не только на конкретной железе, но и на всю нервно-гуморальную систему. Приём спортсменами допингов крайне опасен для всего организма. Анаболические стероиды - искусственно синтезированные соединения, близкие по строению к мужским половым гормонам, ускоряют синтез мышечных белков. Длительный приём вызывает нарушение половых функций, заболевание почек, печени, образование опухолей, изменяет психику. Анаболитические стероиды отнесены к допингам. Тестовые вопросы: 1. Гормоны это: • Неорганические вещества • Органические вещества + • Ионы металлов • Кристаллы 2. Гормоны вырабатываются: • В железах внутренней секреции + • Кожей • В железах внешней секреции • Селезенке 3. Гормоны синтезируются в концентрациях: • Больших • Огромных • Средних • Ничтожно малых + 4. Органы мишени имеют особые: • Белки + • Липиды • Углеводы • Кислоты 5. Особые белки органов-мишеней обладают способностью связываться: • С любыми гормонами • С определенными гормонами + • Не имеют возможности связываться с гормонами • С углеводами 6. Влияют ли гормоны на проницаемость клеточных мембран: • Да + • Нет • Не всегда • Редко 7. Каких гормонов по химическому строению не существует: • Белковой природы • Производные аминокислоты тирозина • Стероидного строения • Производные нуклеиновой кислоты аденина + 8. Все железы внутренней секреции работают: • Обособленно • Согласованно + • Поочередно • Не работают 9. МОК анаболитические стероиды отнесены к: • Разрешенным добавкам • Обязательным добавкам • Запрещенным допингам + • Не отнесены ни к одной из групп 10. Рецепторы гормонов, размещенные на поверхности мембраны, являются: • Белковой природы+ • Стероидные • Тиреоидные • Пептидной природы + Лекция 9. Функции эндокринных желез. Изменение эндокринных функций при различных состояниях. Эндокринная система и нервная система – это главные регулирующие системы организма. В систему желез внутренней секреции или эндокринных желез входят: гипофиз, эпифиз, тимус, щитовидная железа, надпочечники, а также железы смешанной секреции – поджелудочная и половые. Все указанные железы не имеют протоков и выделяют непосредственно в кровь биологически активные вещества – гормоны. В настоящее время хуже всего изучены эпифиз и тимус. По химической природе гормоны делятся на: производные аминов, пептиды и белки, стероиды, жирные кислоты. В регуляции секреции гормонов могут участвовать: присутствие специфического метаболита в крови (избыток глюкозы вызывает секрецию инсулина), присутствие в крови другого гормона, стимуляция со стороны ВНС. Особенностью действия гормонов является их высокая специфичность. В настоящее время известно, что гипоталамус и гипофиз очень тесно связаны между собой. Поэтому в последнее время в литературе принято говорить о единой гипофизарно-гипоталамической системе. Гипофиз человека состоит из двух долей. Передняя доля называется аденогипофиз, а задняя – нейрогипофиз. Основной гормон передней доли – СТГ или гормон роста. Недостаток этого гормона делает человека карликом лилипутом, а избыток – гигантом. В задней доле – нейрогипофизе – содержатся два гормона вазопрессин и окситоцин. Первый из них усиливает реадсорбцию воды в почках. Окситоцин оказывает разнообразное влияние на матку. Основное влияние гормоны щитовидной железы оказывают на регуляцию белкового обмена. Основными гормонами этой железы являются тироксин и трииодтироксин. Все гормоны щитовидной железы содержат йод. При недостаточной функциональной активности щитовидной железы у взрослых людей развивается болезнь – миксидема, а у детей – кретинизм. Повышенная активность щитовидной железы называется тиреотоксикоз или базедова болезнь. Паращитовидные железы – это четыре небольшие железы, расположенные рядом со щитовидной железой. Гормон паращитовидных желез – паратгормон – отвечает за обмен кальция в организме. При избыточной функции паращитовидных желез возникает остеопороз – разрушение костей при нагрузках. Надпочечники покрывают верхнюю часть почек. Это парные железы, состоящие из коркового и мозгового слоев. Корковый слой делится на три зоны: внутренней (выделяет половые гормоны), средней (выделяет глюкокортикоиды) и наружной (источник минералкортикоидов). В мозговом слое надпочечников вырабатываются такие гормоны, как адреналин и норадреналин. Поджелудочная железа и половые железы – железы смешанной секреции. Основными гормонами поджелудочной железы являются гормоны инсулин (поддерживает уровень глюкозы в крови) и глюкагон (увеличивает концентрацию глюкозы). Липокаин участвует в регуляции фосфолипидного обмена и предупреждает ожирение печени. Ваготонин повышает активность нейронов блуждающего нерва и т.д. Мужские половые гормоны образуются в семенниках, в клетках Лейдинга. Основным мужским гормоном является тестостерон. Женские половые гормоны - эстрогены. Адаптация к физическим нагрузкам проходит несколько фаз: фаза тревоги, фаза устойчивости (резистентности), фаза истощения. Тестовые вопросы: 1. Железы внутренней секреции: • Имеют протоки • Не имеют протоков + • Выделяют гормоны в кровь + • Выделяют гормоны во внешнюю среду 2. В настоящее время хуже всего изучены: • Паращитовидная железа и щитовидная железа • Надпочечники • Эпифиз и тимус + • Половые железы 3. Передняя доля гипофиза называется: • Нейрогипофиз • Аденогипофиз + • Склерогипофиз • Парагипофиз 4. Заддняя доля гипофиза называется: • Нейрогипофиз + • Аденогипофиз • Склерогипофиз • Парагипофиз 5. Основной гормон передней доли гипофиза: • ЛГ • Прогестерон • ТТГ • СТГ + 6. Карликами считаются люди ниже: • 130 см • 90 см • 150 см + • 180 см 7. В задней доле гипофиза содержится гормонов: • Один • Четыре • Шесть • Два + 8. При недостаточной функциональной активности щитовидной железы у взрослых людей развивается: • Миксидема + • Кретинизм • Остеопороз • Базедова болезнь 9. Внутренняя зона кокового слоя надпочечников выделяет: • Минералкортикоиды • Глюкокортикоиды • Половые гормоны + • Прогестерон 10. Основные гормоны поджелудочной железы: • ЛГ и ФСГ • Инсулин и глюкагон + • Прогестерон и эстрадиол • Т3 и Т4 11. Женские половые гормоны это: • Тестостерон • Эстроген + • ТТГ • СТГ