Izom energetika Szentesi Péter
A harántcsíkolt izom struktúrája a kontraktilis fehérjék Izom LC-2 LC1/3 LMM = light meromiosin Izom fasciculus LMM S-2 S-1 HMM rod Miozin molekula S-1 HMM = heavy meromiosin LMM HMM S-2 S-1 Izomrost H Band Z Disc A csík I csík M Z-Szarkomér-Z Miofibrillum 42.9 nm H H Miofilamentumok 14.3 nm Vastag (Miozin) filamentum Z Z I C Troponin T F Aktin Vékony filamentum Tropomiozin
A harántcsíkolt izom struktúrája a vékony és a vastag filamentum felépítése Aktin Troponin Tropomiozin Z- vonal Vastag filamentum Miozin Vékony filamentum Kereszthíd TN-I TN-C TN-T Aktin Tropomiozin
Az akto-miozin ciklus I. a Ca 2+ szerepe Ca 2+ jelenlétében (felső ábra) Tm éstni elmozdul actin-miozin kölcsönhatás HMM Tm A Tm P TnT Tm A TnC TnI Tm HMM TnI TnT Troponin TnC Ca 2+ kötés TnI inhibició TnT Tm kötés TnC TnC TnI Tm -Ca 2+ +Ca 2+ TnT Tm Tm A TnI A Tm TnC P TnT Ca 2+ hiányában (alsó ábra) Tm és TnI gátló pozícióban A aktin Tm tropomiozin M miozin Tn troponin HMM heavy mero myosin
Az akto-miozin ciklus II. a csúszófilamentum modell ATP P i ADP relaxáció kontrakció AM AM-ATP AM-ADP-Pi AM-ADP AM M-ATP M-ADP-Pi ATP a kontrakcióhoz és a relaxációhoz egyaránt szükséges A aktin M miozin
Energia források a vázizomban I. Kapilláris Izom sejt Glikogén 1 Közvetlen foszforiláció Glükóz ADP Kreatin foszfát 2 Anaerob glykolízis ATP Kreatin L-laktát Piruvát ADP CO 2 3 Oxidatív foszforiláctió O 2 Zsírsav Mitokondrium útvonal sebesség mennyiség ATP/glükóz 1. direkt foszforiláció igen gyors igen limitált - 2. glikolízis gyors limitált 2-3 3. oxidatív foszforiláció lassú nem limitált 36
Energia források a vázizomban II. Direkt foszforiláció: ATP -> ADP + P i Glikolízis: a glikogén (vércukorból képződő poliszacharid) biológiai oxidáció»» CO 2 + víz + energia»» kreatininfoszfát képződik kreatininfoszfát lebomlásából származó energia»» beépül az ADP-be és átalakul ATP-vé elégtelen oxidáció»» tejsav (izomláz) Oxidatív foszforiláció A légzési lánc működése során protonokat pumpál ki a mitokondrium. A kialakuló proton gradiens működteti a protontranszporttal kapcsolt ATP szintázt.
Az izom-energetika komponensei ATP/CrP (µmol/g wet weight) 12 6 0 V O2 CrP ATP 1000 500 100 Relatíiv O 2 extrakció V 02 (%) 0 60 120 180 Idő (s) direkt foszforiláció 8-10 másodperc glikolízis 1-2 perc oxidatív foszforiláció amíg a tápanyag tart CrP: kreatinfoszfát
Az izom-energetika komponensei 15 Maximális leállási idő (perc) 10 5 vérkeringéssel 0 vérkeringés nélkül 15 20 35 50 75 Erő (a maximális izometrikus erő %) direkt foszforiláció 8-10 másodperc glikolízis 1-2 perc oxidatív foszforiláció amíg a tápanyag tart
Az izom-energetika komponensei 10 [Laktát] (mmol/l) 8 6 4 2 0 aerob / anaerob átmenet anaerob küszöb aerob küszöb Mitokondrium 50 100 150 200 Pulzuszám (min -1 ) direkt foszforiláció 8-10 másodperc glikolízis 1-2 perc oxidatív foszforiláció amíg a tápanyag tart
Az izom glikogén tartalma a táplálék összetételének szerepe 2 óra munkavégzés Izom glykogén tartalma (gram/kg-izom) 24 20 16 12 8 4 0 Táplálék nélkül 0 10 20 30 40 50 Visszaépülés órákban magas szénhidrát étrend zsír vagy fehérje étrend 5 nap jelentős izommunka hatására az izom glikogéntartalma teljesen kimerülhet szénhidrát-mentes diéta mellett a glikogéntartalom visszaépülése igen lassú
Izomtípusok Szemmozgató izom Gastrocnemius Soleus Kontraktilis erő A depolarizáció hossza 0 40 80 120 160 200 Idő (ms) kontrakció sebessége alapján gyors lassú energiaforrás alapján oxidatív glikolitikus
Izomtípusok Jellemzők Gyors glikolitikus Gyors oxidatív Lassú oxidatív II. A II. B I. Miozin ATP-áz aktivitása nagy nagy alacsony SR Ca 2+ -pumpa aktivitása nagy nagy alacsony Oxidatív kapacitás - mitokondrium - kapilláris sűrűség - mioglobin tartalom kicsi fehér izom nagy vörös izom nagy vörös izom rostátmérő nagy kicsi közepes glikolítikus kapacitás nagy nagy mérsékelt mechanikai válasz gyors gyors lassú
Az izom teljesítménye V 0 = maximális sebesség Sebesség (m*sec -1 ) V 0 1 2 Teljesítmény (n*m*sec -1 ) 3 Erő (N) F 0 F 0 = maximális erő az izom teljesítménye (P = F * v) függ a terheléstől harang alakú görbe optimális terhelés [~F 0 / 3] hatásfok ~ 20%
Munkavégzés alatt bekövetkező változások követelmény: megnövekedett anyagcsere kreatinfoszfát raktár ATP (konstans) izommunka (20%) hőtermelés (80%) anaerob katabolizmus aerob katabolizmus glükóz, glikogén, FFA (szabad zsírsav) válasz: megnövekedett O 2 fogyasztás (VO 2 ) légzési frekvencia respirációs térfogat alveoláris O 2 diffúzió perctérfogat AV O 2 differencia
A kardiovaszkuláris rendszer alkalmazkodása lokális válaszok: a működő izom vérellátása vazodilatáció a szimpatikus kolinerg idegek aktivitásfokozódása miatt (nyugalomban csak a hajszálerek 30% nyitott) vazodilatáció a fokozott metabolizmus miatt (hipoxia, hiperkapnia, acidózis, metabolitok) megnövekedett AV O 2 differencia (O 2 extrakció) generalizált válaszok szívfrekvencia pulzustérfogat perifériás ellenállás perctérfogat p a keringő vérmennyiség redistribúciója kisvérköri átáramlás reguláció: hiperkapnia, hipoxia, acidózis reflexek
A keringésben bekövetkező változások központi idegrendszer vagus szimpatikus idegek izomműködés arteriola konstrikció vese VÁ splan. VÁ bőr VÁ nyugalomban lévő izom VÁ artériás nyomás vazodilatátor metabolitok szívfrekvencia pulzustérfogat vénás telődés működő izom VÁ izompumpa respiratórikus pumpa perctérfogat VÁ = vérátáramlás
Munkavégzést kísérő változások kardiovaszkuláris paraméterek 165 Pulzustérfogat 170 150 Pulzustérfogat (ml) 150 135 120 Szívfrekvencia 130 110 90 70 Szívfrekvencia (min -1 ) 105 50 5 10 15 20 25 30 Perc térfogat (liter) a perctérfogat növekedése szívfrekvencia pulzustérfogat (kezdetben ez fokozódik jobban)
Munkavégzést kísérő változások kardiovaszkuláris paraméterek P A (mmhg) 120 100 10% maximális erő 30% maximális erő 50% maximális erő nyomás M V (1m -1 m -2 ) 6,0 5,0 4,0 perctérfogat 3,0 130 szívfrekvencia Hr(min -1 ) 110 90 70 Ny = nyugalom A = aktív munkavégzés R = relaxáció Ny A R Ny A R Ny A R -5 0 5 10 15-5 0 5 10 15 1 Idő (perc) Idő (perc) Idő (perc)
Munkavégzést kísérő változások kardiovaszkuláris paraméterek Kamratérfogat (ml) 120 100 80 60 40 20 0 Ny 1 2 max Vég diasztolés térfogat Pulzustérfogat Vég systolés térfogat 200 150 100 50 Radiális artéria systole Aorta systole átlag (mindkettő) Diastole (mindkettő) R 25 50 75 100 VO 2 max (%) vég diasztolés térfogat vég systolés térfogat diasztolés nyomás systolés nyomás artériás középnyomás
Munkavégzést kísérő változások a vér megoszlása a szervek között l/min 20 fokozódó munkavégzés során izom VÁ 15 bőr szív, agy, stb. splanchnikus területek VÁ agy és szív VÁ = bőr perctérfogat 10 zsigerek 5 izom 0 1 2 3 Oxigén felhasználás l/min
Munkavégzést kísérő változások az izompumpa 200 + 40 Ritmikus munkavégzés 200 mm Hg 120 mm Hg 200 mm Hg Vér átáramlás (100 ml/min) 20 lábi átáramlás izom kontrakció Passzív álló állapot P = 80 mmhg 0 10 16 18 Idő (perc) a működő izom vérellátása szakaszos összehúzódáskor az átáramlás akadályozott a csökkent átáramlást a metabolitok felszaporodása kíséri vazodilatáció alakul ki elernyedés után fokozódik a vérátáramlás
Munkavégzést kísérő változások hőszabályozás Erős álló munkavégzés hideg meleg fokozott hőtermelés fokozott hőleadás iránti igény vazodilatáció a bőrerekben áramlásfokozódás perspiratio sensibilis (verejtékezés) Perctérfoga t (L*min -1 ) Pulzustérfogat (ml) 18 14 110 Centrális nyomás (mm Hg) 70 5 0 200 Szívfrekvencia (min -1 ) 180 Helyi vérátáramlás 3 (L*min - 2 1 Zsigeri és vese keringés 0 2 4 6 8 10 12 1 ) Elvárt bőr keringés Bőr keringés idő (perc)
Munkavégzést kísérő változások a légzési rendszer alkalmazkodása 120 Teljes légzési térfogat (l/min) 110 100 80 60 40 20 közepes munkavégzés erős munkavégzés 0 1.0 2.0 3.0 4.0 O 2 fogyasztás (l/min) megnövekedett légzési frekvencia (15/min 40-50/min) megnövekedett respirációs volumen (0,5 l 3 l) megnövekedett légzési perctérfogat (7-8 l/min 150 l/min) reguláció: hiperkapnia, hipoxia által aktivált reflexek
Munkavégzést kísérő változások a légzési rendszer alkalmazkodása szív index (l/min/m 2 ) 15 10 5 0 perctérfogat (liters/min) 35 25 15 5 perctérfogat és szív index Oxigén fogyasztás 0 400 800 1200 1600 Teljesítmény (kilogram*meters/min) 4 3 2 1 Oxigén fogyasztás (l/min) Maximális oxigén fogyasztás (L*min -1 ) 6 5 4 3 2 1 Atléták állóképessége Nem mozgó (30) Edzett (53) Normálisan aktív (45) 85 80 70 60 Maximális oxigén felvétel (ml*min -1 *kg -1 ) 30 100 200 300 400 Teljesítmény (watt) a teljesítmény és az oxigénfelvétel között egyenes arányosság van a maximális oxigénfelvételt az edzettség mértéke szabja meg
Munkavégzést kísérő változások az oxigénadósság ml/min 1250 O 2 adósság állandósult állapot O 2 felvétel V O2 1000 750 500 Nyugalmi szint O 2 adósság visszafizetése 250 nyugalom munkavégzés visszatérés nyugalomba 0 2 4 6 8 10 12 idő (min) A munkavégzést követő fokozott O 2 fogyasztás az O 2 raktárak feltöltésére (mioglobin) a foszfokreatin készlet feltöltésére a tejsav eliminálására fordítódik
Munkavégzést kísérő változások az oxigénadósság 100 80 állandósult állapot 50 pulzus könnyű munka (75 W) 60 szívfrekvencia (min -1 ) 140 120 100 80 60 emelkedés fáradásban nyugalom munka nyugalom 600 pulzus 0 20 40 60 80 100 120 Idő (min) erős munka (150 W) az oxigénadósság kialakulását és törlesztését a szívfrekvencia parallel változásai is kísérik
Munkavégzést kísérő változások a tréning és a fizikai teljesítőképesség Teljesítmény edzés Erős edzés nincs edzés enyhe edzés idő A fizikai aktivitás napi változása (cirkadián ritmus) Átlagtól való eltérés 25 0-25 -50 6 9 12 15 18 21 24 3 6 Idő (nap)