SZCZEGÓŁOWY PROGRAM NAUCZANIA BIOCHEMII NA KIERUNKU TiR (spec. DiS) W AWFiS GDAŃSK Kolokwium 1 Punkt 1 Aminokwasy, wzór ogólny i charakterystyczne grupy. Białka pokarmowe jako źródło aminokwasów. Wiązanie peptydowe i jego hydroliza. Hydroliza białek w przewodzie pokarmowym człowieka. Enzymy przewodu pokarmowego uczestniczące w hydrolizie białek. Aminokwasy endo i egzogenne. Redukcyjna aminacja kwasu α-ketoglutarowego. Kwas glutaminowy jako prekursor syntezy aminokwasów endogennych. Reakcje katalizowane przez AlaT i AspaT. Aminokwasy rozgałęzione jako przykład aminokwasów egzogennych. Transaminacje z udziałem amiokwasów rozgałęzionych. Oksydacyjna dezaminacja glutaminianu i przemiana azotu aminowego w mocznik. Bilans azotowy. Charakterystyka białek pełnowartościowych odżywczo. Różnice w budowie poszczególnych białek. Punkt 2 Pojęcia: enzym, substrat, produkt. Nazewnictwo i podział enzymów. Zależność szybkości reakcji enzymatycznej od ilości enzymu i stężenia substratu. Zależność szybkości reakcji enzymatycznej od ph środowiska. Witaminy kopmpleksu B jako składnik koenzymów NAD, FAD, TPP, PAL, CoASH. Dehydrogenazy i ich współdziałanie z koenzymami. Pojęcie przemian metabolicznych jako szeregu reakcji katalizowanych przez różne enzymy. Enzymy kluczowe - regulacyjne i ich znaczenie. Punkt 4 a) Układ białek mięśnia szkieletowego w skurczu i rozkurczu. ATP jako bezpośrednie źródło energii do pracy mięśnia. Hydroliza ATP i regulacja tego procesu przez zmiany stężeń wapnia. Resynteza ATP jako warunek kontynuacji pracy mięśnia. Fosfokreatyna jako rezerwa wiązań wysokoenergetycznych. Synteza kreatyny i jej przemiana w kreatyninę. Przemiana kreatyny w fosfokreatynę. Dyscypliny sportowe wykorzystujące ATP i fosfokreatynę jako główne źródło energii. Zmiany w poziomie ATP i fosfokreatyny w mięśniach w zależności od rodzaju i intensywności wysiłku. Różnice w powysiłkowych poziomach ATP i fosfokreatyny w mięśniach ludzi odpowiednio zaadoptowanych i nie zaadoptowanych do wysiłku. b) Pojęcie związków wysokoenergetycznych. Podział związków wysokoenergetycznych w zależności od ich budowy. ATP jako uniwersalny donator wiązania wysokoenergetycznego. Pochodna kwasu glicerynowego, kwas 1,3 difosfoglicerynowy, jako związek wysokoenergetyczny i jego rola biologiczna. Pochodna kwasu enolopirogronowego, kwas fosfoenolopirogronowy, jako związek wysokoenergetyczny. Rola biologiczna tego kwasu. Punkt 5 a) Podstawowa przemiana materii i warunki jej pomiaru. Wzrost przemiany energii w wyniku pracy fizycznej Koszt energetyczny pracy. Współczynnik RQ jako wskaźnik utleniania różnych substratów w ustroju. Wartość kaloryczna litra tlenu w zależności od wartości RQ. b) Mechanizmy resyntezy ATP pozwalające na kontynuowanie pracy. System 1- resynteza ATP z fosfokreatyny, system 2- resynteza ATP przy udziale miokinazy, system 3 resyntezy - przy udziale glikolizy, system 4 resyntezy - system mitochondrialny czyli tlenowy. Podział wysiłków na tlenowe i beztlenowe w zależności od zaangażowania poszczególnych systemów resyntezy ATP w wysiłek. Zaangażowanie poszczególnych systemów resyntezy ATP w zależności od intensywności wykonywanej pracy. Wyrażanie intensywności pracy jako % zaangażowania pułapu tlenowego ( % VO2 max ). Pojęcie pułapu tlenowego i metody jego wyznaczania. Podział wysiłku fizycznego na cztery intensywności: intensywność I - do 30% VO2 max, intensywność II - od 30 do 60 % VO2 max, intensywność III - od 60 do 90% VO2 max, intensywność IV - przy zapotrzebowaniu na tlen przekraczającym 90% VO2 max. Dalszy podział tej intensywności na IVA i IVB. Udział poszczególnych systemów resyntezy ATP w 1
wysiłkach o powyższych intensywnościach. Przyczyny przerwania pracy w wysiłkach o powyższych intensywnościach. Włókna mięśniowe ST i FT. Różnice w przemianach metabolicznych dostarczających energii do resyntezy ATP w mięśniach ludzi wykonujących ten sam wysiłek a różniących się wartościa VO2 max oraz % włókien ST i FT. Kolokwium 2 Punkt 3 Tłuszcze właściwe i ich budowa. Kwasy tłuszczowe: stearynowy, palmitynowy, mirystynowy i ich formy aktywne acylocoa. Magazynowanie tłuszczów. Uruchamianie tłuszczów w czasie wysiłku. Nieaktywna forma lipazy i jej przekształcenie w formę aktywną. Rola camp w tym procesie. Lipoliza w komórce tłuszczowej i wyrzucenie wolnych kwasów tłuszczowych /FFA/ i glicerolu do krwi. Cholesterol, lipidy i lipoproteiny krwi, oraz ich diagnostyczne znaczenie w chorobach wywołanych miażdzycą. Prewencyjne i lecznicze działanie wysiłku fizycznego. Punkt 6 Adaptacja mięśnia do wysiłku wytrzymałościowego. Zawartość mitochondrów w mięśniach intensywnie pracujących i mięśniach sporadycznie używanych. Dane z biopsji mięśniowych człowieka. Korelacja zmian w wartościach VO2 max ze wzrostem ilości mitochondriów i enzymów oddechowych. Oddychanie tkankowe. Mitochondria i ich budowa. Łańcuch oddechowy i jego lokalizacja. Synteza H2O na łańcuchu oddechowym i towarzysząca temu resynteza ATP z ADP i fosforanu. Oksydacyjna fosforylacja. Tworzenie H2O przy współudziale kompleksów I+III+IV, lub III+IV, lub II+III+IV. Oksydaza cytochromowa jako enzym odpowiedzialny za zużycie tlenu w trakcie wysiłku. Punkt 7 a) Procentowy udział utleniania kwasów tłuszczowych jako pośredniego żródła energii w warunkach spoczynku, oraz przy pracy o różnych intensywnościach. Wychwytywanie FFA z krwi przez mięsień. Aktywacja kwasów tłuszczowych w cytoplazmie komórki mięśniowej. Dwa żródła kwasów tłuszczowych mięśnia : lipoliza tłuszczów w komórce tłuszczowej, oraz lipoliza tłuszczów wewnątrzmięśniowych. Wejście acylocoa do mitochondrionu - rola karnityny. Wewnątrzmitochondrialna przemiana cząsteczek acylocoa do acetylocoa zwana β-oksydacją. β-oksydacja jako proces dostarczający pary wodorów na łańcuch oddechowy. β-oksydacja jako proces dostarczający acetylocoa do cyklu Krebsa. Dehydrogenazy β-oksydacji i ich koenzymy. Różnice w aktywności enzymów β-oksydacji w mięśniu nietrenowanym i zaadoptowanym do wysiłku wytrzymałościowego. b) Bilanse energetyczne β-oksydacji. Synteza ATP i zużycie tlenu przez łańcuch oddechowy w trakcie przebiegu tego procesu. Punkt 8 Cykl Krebsa czyli spalanie cząsteczek acetylocoa do CO2 i H2 O. Cykl Krebsa jako żródło wodorów dostarczanych na łańcuch oddechowy. Transport tlenu do mitochondrionu. Produkcja CO2 w trakcie wysiłku. Reakcje cyklu Krebsa uwalniające CO2. Transport CO2 do płuc. Zmiany w aktywności enzymów cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego w wyniku treningu wytrzymałościowego. Konsekwencje metaboliczne tego zjawiska. Punkt 9 Bilanse cyklu Krebsa. Obliczanie ilości powstającego ATP, produkowanego CO2 i zużywanego przez łańcuch oddechowy tlenu. Łączne bilanse cyklu Krebsa i β-oksydacji. Kolokwium 3 Punkt 10 Pokarmowe źródła glukozy. Budowa skrobi, sacharozy, laktozy i maltozy. Budowa glikogenu. Hydroliza wielocuków i dwucukrów w przewodzie pokarmowym człowieka. Rola insuliny w transporcie glukozy do komórek mięśniowych. Punkt 11 Reakcje syntezy glikogenu z glukozy w mięśniach i wątrobie. Regulacja przebiegu tego ciągu metabolicznego na poziomie syntetazy glikogenu. Czynna i nieaktywna forma tego enzymu. Aktywacja syntetazy przez odłączanie fosforanu. Wpływ zgromadzonego w komórce 2
mięśniowej glikogenu na ten proces. Wywoływanie zjawiska superkompensacji w poziomie glikogenu postępowaniem treningowym połączonym z dietą (uderzenie glikogenowe). Punkt 12 Glikogenoliza wątrobowa i poszczególne etapy tego procesu. Fosforoliza glikogenu. Aktywna i nieaktywna forma fosforylazy glikogenu. Mechanizmy zabezpieczające przejście formy nieaktywnej tego enzymu w formę aktywną. Udział cyklicznego AMP i kinazy białkowej w aktywacji fosforylazy glikogenu. Rola adrenaliny w tym procesie. Wpływ adrenaliny na poziom cukru we krwi. Wątroba jako magazyn glukoz wyrzucanych do krwioobiegu w trakcie wysiłku. Punkt 13 a) Metabolizm cukrów w mięśniu w warunkach spoczynku, oraz w trakcie pracy o intensywnościach I i II. Pojęcie "tlenowej przemiany cukrów" i jej etapy. Przemiana glikogenu mięśniowego lub glukozy krwi do kwasu pirogronowego w cytoplazmie komórki mięśniowej. Fosforylacje substratowe towarzyszące tej przemianie. Tworzenie się NADH i możliwość jego utlenienia poprzez przeniesienie wodorów do mitochondrionu. Układ przenoszące. Przemiana pirogronianu w acetylocoa-reakcja oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu. Utlenianie acetylocoa w cyklu Krebsa. Enzym i koenzymy. Rola TPP. b) Bilans energetyczny utlenienia cząsteczki glukozy do CO2 i H2O. Reakcje uwalniające CO2 w trakcie tej przemiany. Reakcje katalizowane przez dehydrogenazy w trakcie tej przemiany. Udział łańcucha oddechowego jako akceptora wodorów w poszczególnych etapach tej przemiany. Punkt 14 Reakcja redukcji NAD w trakcie przemiany cukrów w kwas pirogronowy w cytoplazmie komórki mięśniowej. Konieczność reoksydacji tego koenzymu i rola układu przenoszącego wodory do mitochondrionu. Układ przenoszący jabłczanowo-asparaginianowy, Peter Schantz -zmiany w aktywności enzymów. Bilanse energetyczne całkowitego utleniania glukozy. Punkt 15 Metabolizm cukrów w mięśniu w trakcie wysiłku o intensywności III. Pojęcia: AT i OBLA. Wartości ph komórki mięśniowej i krwi w warunkach spoczynku, oraz po pracy w intensywności III. Wartości BE krwi przed i po pracy w tej intensywności. Korelacja poziomów BE z ilością kwasu mlekowego we krwi. Skład BE - bufory krwi. Rola NaHCO3 jako rezerwy alkalicznej. Obrona ustroju przed zakwaszeniem. Rola wątroby w trakcie wysiłku o intensywności III. Glikogenoliza i glukoneogeneza. Substraty zużywane przez wątrobę w procesie glukoneogenezy. Punkt 16 Metabolizm glikogenu mięśniowego i glukozy krwi w trakcie wysiłku o intensywności III. Przyczyna przerwania wysiłku. Możliwość wytwarzania alaniny zamiast mleczanu. Cykle: glukozowo-mleczanowy i glukozowo-alaninowy. Glukoneogeneza wątrobowa. Metabolizm mleczanu w warunkach wypoczynku po pracy. Możliwość utlenienia mleczanu do CO2 i H2O przez serce i mięśnie w trakcie pracy i po pracy. Punkt 17 Charakterystyczne cechy metabolizmu cukrów w trakcie pracy o intensywności IVA. Wartości ph komórki mięśniowej po pracy w tej intensywności. Zwiększanie zdolności do wytwarzania i tolerowania mleczanu w wyniku treningu sprinterskiego. Różnice w poziomie enzymów glikolitycznych we włóknach mięśniowych ST i FT. Regulaja szybkości przebiegu glikolizy na poziomie fosforylazy glikogenu i fosfofruktokinazy. Fosfofruktokinaza jako enzym allosteryczny. Wyjaśnienie zjawiska szybszego uruchamiania glikolizy przez sprintera. Wartości ph i BE krwi po wysiłku w tej intensywności. Zakwaszenie komórki mięśniowej jako czynik ograniczający zdolność do kontynuowania pracy w tym wysiłku Udział pośrednich źródeł energii w wysiłku o intensywości IVB. Wartości ph i BE krwi po wysiłku w tej intensywności. Dyscypliny sportowe w których głównym źródlem energii są fosfageny. Przyczyna przerwania wysiłku w intensywności IVB. Cykl purynowy i reakcja Mozołowskiego uwalniania NH3 z AMP. Możliwość monitorowania intensywności uwalniania NH3 w wysiłku. 3
Kolokwium 4 Punkt 19 Białka. Okresy półtrwania podstawowych białek ustrojowych. Aminokwasy jako substraty translacji. Zależność struktury I-rzędowej białka od kolejności rybonukleotydów w mrna. Rola trna w procesie translacji. Powstawanie mrna - transkrypcja. Enzym, substraty, produkty procesu transkrypcji. Rola DNA w procesie transkrypcji. Pojęcie ekspresji genu. Punkt 20 Regulacja ekspresji genu. Regulacja procesu powstawania mrna. Represja i indukcja. Specyficzna i niespecyficzna indukcja biosyntezy białka. Przykłady zależności ilość danego białka od komórkowego poziomu mrna dla danego białka. Enzymy indukowane treningiem wytrzymałościowym. Korelacja pomiędzy wzrostem VO2 max a pojawieniem się zwiększonych ilości mitochondriów w mięśniu. Enzymy indukowane treningiem sprinterskim. Testosteron jako hormon indukujący biosyntezę białek mięśnia. Podobieństwo i addytywność efektów treningu siłowego i działania testosteronu. Sterydy anaboliczne i kwestia ich szkodliwego dla ustroju działania ubocznego. Hypertrofia mięśnia sercowego jako przykład niespecyficznej indukcji biosyntezy białka. Punkt 18 a) Dwuelektronowe i jednoelektronowe reakcje redukcji tlenu do wody. Konsekwencje metaboliczne reakcji jednoelektronowych: tworzenie wolnych rodników. Wzrost produkcji wolnych rodników w trakcie pracy i ich akumulacja. Zjawiska patologiczne wywoływane nadprodukcją wolnych rodników. Systemy komórkowe generujące wolne rodniki i wzrost ich aktywności w warunkach niedotlenienia a szczególnie przy przechodzeniu z warunków beztlenowych do tlenowych. Systemy komórkowe czynne przy usuwaniu wolnych rodników, enzymy i zmiatacze. SOD, katalaza, peroksydaza GSH. Glutation, witamina E i witamina C. b) Uszkodzenia mięśniowe a stres oksydacyjny. Wpływ aktywności fizycznej o różnej intesywności wysiłku na uszkodzony mięsień szkieletowy a zmiany w poziomie generacji wolnych rodników przez ten mięsień. Zmiany w poziomie markerów wolnorodnikowego uszkodzenia makrocząsteczek i w aktywnościach enzymów obrony antyoksydacyjnej w tym mięśniu. Punkt 21 a) Indukcja i represja biosyntezy białek ezymatycznych mięśnia pod wpływem chronicznego drażnienia mięśnia bodźcami elektrycznymi o określonej częstotliwości. Czasowa zależność pomiędzy efektem na transkrypcję a pojawieniem się zmian w ilości poszczególnych białek. Charakterystyka włókien mięśniowych sprinterów i długodystansowców. Wpływ roztrenowania na profil włókien mięśniowych sportowców. b) Regulacja ekspresji genów przez hormony. Wyjaśnienie wpływu insuliny na poziom cukru we krwi. Ciała ketonowe i ich powstawanie w cukrzycy i wysiłku. Punkt 22 Wpływ starzenia się na wydolność wysiłkową organizmu. Zmiany wartości VO2 max wraz z wiekiem. Wpływ aktywności fizycznej na zmiany VO2 max wywołane starzeniem. Koncepcja udziału wolnych rodników w zjawisku starzenia. Zmiany aktywności enzymów antyoksydacyjnych wraz z wiekiem w mięśniach trenowanych i nietrenowanych. Punkt 23 Charakterystyka zmian metabolicznych zachodzących w ustroju dorosłego człowieka w wyniku treningu. Zmiany zachodzące w mięśniu w wyniku roztrenowania. Zmiany aktywności enzymów w mięśniach kończyn unieruchomionych opatrunkiem gipsowym. Charakterystyka zdolności wysiłkowych dziecka. Zmiany aktywności niektórych enzymów mięśniowych wraz z wiekiem. Różnice w poziomie powysiłkowym mleczanów mięśnia szkieletowego człowieka dorosłego i dziecka. Obserwacje Jędrzeja Śniadeckiego o zapobiegającym krzywicy działaniu słońca i ich współczesne interpretacje. 4
Piśmiennictwo: W trakcie realizacji przedmiotu w części dotyczącej biochemii ogólnej, polecać będziemy korzystanie z następujących podręczników: 1. Jerzy Popinigis, Biochemia Wysiłku Fizycznego Tom I i II, 1991. 2. Albert Lehninger, Biochemia Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne,1979. 3. Peter Murray, Daryl Granner, Peter Mayes, Victor Rodwell, Biochemia Harpera PZWL 2004. 4. Lubert Stryer Biochemia, PWN 2007. 5. Stefan Angielski; Jerzy Rogulski, Biochemia Kliniczna PZWL 1991. 6. J.G. Salway Biochemia w zarysie Górnicki WM 2009. 7. Grzegorz Bartosz, Druga Twarz Tlenu PWN, 1995 lub 2006. W tematyce wysiłku fizycznego polecamy : 1. Sport Wyczynowy 2. Medicina Sportiva 3. Stefan Bączyk Podstawy biochemii sportu PWN 1986. 5