Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu w Gdańsku Katedra Promocji Zdrowia Zakład Biomedycznych Podstaw Zdrowia Fizjologia człowieka Osoby prowadzące przedmiot: Prof. nadzw. dr hab. Zbigniew Jastrzębski zb.jastrzebski@op.pl
Temat wykładu 4 Uwarunkowania metaboliczne i bioenergetyczne funkcjonowania organizmu.
Metabolizm Zmiany metaboliczne podczas długotrwałych wysiłków fizycznych ogólnie charakteryzują się: udziałem przemiany tłuszczów w pokrywaniu kosztu energetycznego pracy mięśniowej, przy zmniejszaniu wartości R, większym udziałem glukozy wytwarzanej na drodze glukoneogenezy w puli metabolizowanych węglowodanów, zmniejszeniem się zasobów glikogenu w wątrobie i w mięśniach wzrostem wytwarzania w wątrobie i zuŝywania w mięśniach ketokwasów. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do FIZJOLOGII klinicznej. PZWL Warszawa, str.273
Kontrola procesów fizjologicznych i biochemicznych jest prawą waŝna. Organizm nie moŝe pozwolić sobie na brak kontroli nad procesami wewnętrznymi. Na przykład wewnętrzna temperatura ciała podczas wysiłku fizycznego nie moŝe się wahać w szerokim zakresie i wrastać powyŝej punktu, w którym tkanki mogłyby zostać uszkodzone lub zniszczone. Organizm zapobiega takim sytuacjom, utrzymując HOMEOSTAZĘ. K. Birch i wsp. [2008] Krótkie wykłady FIZJOLOGIA SPORTU. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa, str.110
Stałośćśrodowiska wewnętrznego HOMEOSTAZA W pojęciu homeostazy mieści się wiele zjawisk: utrzymanie stałej temperatury ciała (izotermia), utrzymanie prawidłowych objętości przestrzeni wodnych ustroju, utrzymanie prawidłowych ciśnień fizycznych oraz stęŝeń chemicznych i elektrochemicznych. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.388-389
Termoregulacja W organizmach stałocieplnych, których przedstawicielem jest człowiek, temperatura wewnętrzna jest jednym z najbardziej istotnych i najbardziej regulowanych parametrów. Polega to na dostosowywaniu ilości ciepła wytwarzanego ustroju, w procesach metabolicznych, i ciepła wymienianego między organizmem a otoczeniem do potrzeb bilansu cieplnego w zmiennych warunkach środowiska termicznego, w których moŝe znaleźć się człowiek. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.419
Termoregulacja c.d. W zróŝnicowanych warunkach termicznych środowiska lub podczas zwiększonej aktywności ruchowej temperatura poszczególnych narządów i tkanek podlega niejednakowym zmianom. Wahania temperatury mózgu są najmniejsze, natomiast temperatura pracujących mięśni moŝe ulec znacznemu podwyŝszeniu. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.419
Wymiana ciepła między organizmem a otoczeniem Cały proces dzieli się na cztery podstawowe sposoby: 1. konwekcji czyli przenoszenia ciepła na skutek ruchu cieczy lub gazu ze środowiska cieplejszego od zimniejszego, 2. przewodzenia, które zaleŝy od róŝnicy temperatury pomiędzy powierzchniami pozostającymi w bezpośrednim kontakcie, 3. promieniowania emitowanego nie tylko przez słońce i urządzenia grzewcze, ale równieŝ przez powierzchnię ciała, 4. parowania potu, które odgrywa główną rolę w eliminacji ciepła zarówno przy obciąŝeniu ciepłem gazowym (ekspozycja do gorąca), jak i endogennym (np. wysiłek fizyczny). J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.420
Rycina Rycina 1. Usuwanie ciepła ze skóry. Ciepło jest dostarczane za powierzchnię skóry przez krew tętniczą drogą konwekcji oraz przewodzenie Materiały poprzez informacyjne dla tkankę studentów podskórną. AWFiS kierunku Turystyka [Górski, i Rekreacja 2010]
Efektory termoregulacji NajwaŜniejszymi efektorami termoregulacji są u człowieka: układ krąŝenia, odpowiedzialny m.in. za wielkość skórnego przepływu krwi, gruczoły potowe, a ponadto mięśnie szkieletowe, tkanka tłuszczowa, wątroba i niektóre hormony determinujące wytwarzanie ciepła. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.422-424
Reakcje termoregulacyjne na gorąco Usuwanie nadmiaru ciepła z organizmu w wysokiej temperaturze otoczenia zachodzi na skutek rozszerzenia naczyń krwionośnych skóry i zwiększenia skórnego przepływu krwi, co przyspiesza przenoszenie ciepła z wnętrza ciała na jego powierzchnie. Prawie jednocześnie pobudzana jest czynność gruczołów potowych przez impulsy docierające do nich cholinergicznymi włóknami współczulnymi. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.424
Reakcje termoregulacyjne na gorąco c.d Parowanie potu z powierzchni skóry powoduje utratę znacznych ilości ciepła. Wyparowanie 1L potu usuwa powiem z organizmu 580 kcal ciepła. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe wraz z potem oprócz wody tracone są elektrolity, takie jak sód (Na), chlor (Cl) i potas (K). J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.424
Reakcje termoregulacyjne na zimno Niska temperatura otoczenia przyczynia się do skurczu naczyń krwionośnych skóry i zmniejszenia objętości przepływającej przez nie krew, co jest faktem aktywacji współczulnego układu nerwowego i działania uwalnianej noradrenaliny na błonę mięśniową skórnych naczyń krwionośnych. W wyniku tych zmian zmniejsza się róŝnica temperatury pomiędzy powierzchnią skóry a zimnym otoczeniem, co prowadzi do ograniczenia utraty ciepła z organizmu. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.424
Regulacja hormonalna Hormon jest to substancja chemiczna wytwarzana i wydzielana przez wyspecjalizowane komórki i gruczoły, wywierająca wpływ na komórki docelowe, posiadające receptory swoiste dla danego hormonu. Hormony są chemicznymi przekaźnikami ustroju. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.296
Hormony działają na: komórki, przez które zostały wydzielone działania autokrynne, sąsiednie komórki działania parakrynne, komórki odległe, hormony przenoszone są przez układ krwionośny działanie endokrynne. J. Górski [2010] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str.296
Mechanizmy kontrolujące mobilizację substratów energetycznych. Tylko nieliczne tkanki dysponują zapasami substratów energetycznych, umoŝliwiającymi im pokrywanie całkowitego zapotrzebowania energetycznego przez utlenianie substancji zgromadzonych wewnątrz ich komórek. Większość tkanek zarówno w warunkach podstawowego, jak i zwiększonego wydatku energetycznego wykorzystuję glukozę i WKT, ketokwasy lub aminokwasy wychwytywane z krwi. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do fizjologii klinicznej. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, str. 82
GLIKOLIZA Energia uwalniana w toku glikolizy w procesach utleniania wykorzystywana jest do syntezy wysokoenergetycznych fosforanów: 1,3-dwufosfoglicerynianu fosfoenylopirogronianu. Hydrolizie tych związków towarzyszy duŝa zmiana (zmniejszenie) energii swobodnej, większa niŝ w hydrolizie swobodnej. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do FIZJOLOGII klinicznej. PZWL Warszawa, str.39
FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA Mechanizm fosforylacji ADP podczas transportu elektronów przez łańcuch znany jest jako fosforylacja oksydacyjna. Aby proces ten mógł przebiegać, niezbędna jest nienaruszona wewnętrzna błona mitochondrialna. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do FIZJOLOGII klinicznej. PZWL Warszawa, str.39
W myśl hipotezy chemiosmotycznej energia uwalniana podczas reakcji utleniania pierwotnie jest wykorzystywana do transportu jonów wodorowych przez błonę wewnętrzną mitochondriów na zewnątrz, w wyniku czego powstaje gradient osmotyczny w poprzek tej błony. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do FIZJOLOGII klinicznej. PZWL Warszawa, str.39
Energia chemiczna Jest przekształcana w potencjalną energię osmotyczną. Ta energia jest następnie zamieniana z powrotem na energię chemiczną wiązań wysokoenergetycznych ATP. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do FIZJOLOGII klinicznej. PZWL Warszawa, str.39
Reakcje tlenowe CYKL KREBSA BETA OKSYDACJA
CYKL KREBSA reakcja tlenowa W obecności tlenu kwas pirogronowy przechodzi z cytoplazmy do mitochondrium, gdzie ulega tzw. dekarboksylacji oksydacyznej. W jej wyniku tworzony jest acetylo-coa. Reakcje te katalizuje kompleks enzymatyczny o nazwie dehydrogeneza pirogronianowa. Acetylo-CoA wchodzi następnie w cykl reakcji, zwany cyklem kwasu cytrynowego, cyklu Krebsa bądź teŝ cyklem kwasów trikarboksylowych. J. Górski [2008] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL Warszawa, str. 437-348
Zarówno Cykl Krebsa, jak teŝ proces glikolizy sprzęŝone są z łańcuchem enzymów oddechowych. Czynności tego łańcucha prowadzi do wytworzenia ATP w procesie nazwanym fosforylacją oksydacyjną. W kaŝdym obrocie cyklu Krebsa generowanych jest 12 cząsteczek ATP. Łącznie na drodze glikolizy tlenowej z jednego mola glukozy powstaje 38 moli ATP. J. Górski [2008] Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Wydawnictwo Lekarskie PZWL Warszawa, str. 348
Rycina 2. Schemat cyklu kwasu cytrynowego. Cykl ten zachodzi jedynie w mitochondriach. [Górski, 2010]
BETA OKSYDACJA Proces β-oksydacji zachodzi w matrixie mitochondrium u eukariotów i w cytozolu u prokariotów. Kwasy tłuszczowe muszą najpierw w reakcji z udziałem ATP zostać zamienione w aktywny metabolit, aby mogły reagować z enzymami odpowiedzialnymi za ich dalszy metabolizm. W całym szlaku degradacji kwasów tłuszczowych jest to jedyny etap, który wymaga energii zawartej w ATP. S. Kozłowski, K. Nazar [1984] Wprowadzenie do FIZJOLOGII klinicznej. PZWL Warszawa, str.39
Bibliografia Krótkie wykłady FIZJOLOGIA SPORTU. K. Birch, D. MacLaren, K. George, 2008 Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. J. Górski, 2010 Wprowadzenie do fizjologii klinicznej. S. Kozłowski, K. Nazar, 1984