Izom energetika Szentesi Péter
A harántcsíkolt izom struktúrája a kontraktilis fehérjék LC-2 LC1/3
Izom LMM
S-2 S-1 HMM
HMM = heavy meromiosin
rod
Izom fasciculus
S-1
Miozin molekula HMM S-2 LMM
Izomrost H Band
Z A Disc csík
I csík
Miofibrillum M
42.9 nm
Z-Szarkomér-Z
H H Miofilamentumok 14.3 nm
Z
Vastag (Miozin) filamentum
Z
I
C C
Troponin T
F
Aktin
Tropomiozin
Vékony filamentum
LMM = light meromiosin
S-1
A harántcsíkolt izom struktúrája a vékony és a vastag filamentum felépítése Aktin
Zvonal
Troponin Tropomiozin
Vastag filamentum
Miozin
Kereszthíd Vékony filamentum TN-I
Aktin
TN-C TN-T
Tropomiozin
Az akto-miozin ciklus I. a Ca2+ szerepe P
TnC
TnT
Ca2+ jelenlétében (felső ábra) • Tm ésTnI „elmozdul” → actin-miozin kölcsönhatás
TnI
Tm
Tm
HMM
A HMM Tm
A Tm TnT
TnI TnC -Ca2+
Troponin • TnC – Ca2+ kötés • TnI – inhibició • TnT – Tm kötés
+Ca2+
TnT Tm
Tm
TnC
A TnI
TnI TnC
Tm
Tm
A
P TnT
Ca2+ 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
Pi
relaxáció
AM
ADP
kontrakció
AM-ATP
AM-ADP-Pi
M-ATP
M-ADP-Pi
ATP a kontrakcióhoz és a relaxációhoz egyaránt szükséges
AM-ADP
AM
A – aktin M – miozin
Energia források a vázizomban I. Kapilláris Izom sejt
Glikogén
1 Közvetlen foszforiláció Kreatin foszfát
Glükóz ADP 2 Anaerob glykolízis
ATP Kreatin
L-laktát
Piruvát ADP
3 Oxidatív foszforiláctió CO2 O2 Zsírsav Mitokondrium
útvonal
sebesség
mennyiség
ATP/glükóz
igen gyors
igen limitált
-
2. glikolízis
gyors
limitált
2-3
3. oxidatív foszforiláció
lassú
nem limitált
36
1. direkt foszforiláció
Energia források a vázizomban II. • Direkt foszforiláció: ATP -> ADP + Pi • Glikolízis: a glikogén (vércukorból képződő poliszacharid) – biológiai oxidáció »» CO2 + 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.
VO2
12
1000
CrP
6
500
ATP 100
0 0
60
120
Relatíiv O2 extrakció V02 (%)
ATP/CrP (µmol/g wet weight)
Az izom-energetika komponensei
180
Idő (s)
CrP: kreatinfoszfát
• direkt foszforiláció • glikolízis • oxidatív foszforiláció
8-10 másodperc 1-2 perc amíg a tápanyag tart
Az izom-energetika komponensei Maximális leállási idő (perc)
15
10
vérkeringéssel
5
vérkeringés nélkül 0 15 20
35
50
75
Erő (a maximális izometrikus erő %)
• direkt foszforiláció • glikolízis • oxidatív foszforiláció
8-10 másodperc 1-2 perc amíg a tápanyag tart
Az izom-energetika komponensei
[Laktát] (mmol/l)
10 8
anaerob küszöb
6 4
aerob / anaerob átmenet
2
aerob küszöb 0
Mitokondrium
• direkt foszforiláció • glikolízis • oxidatív foszforiláció
50
100
Pulzuszám
150
(min-1)
8-10 másodperc 1-2 perc amíg a tápanyag tart
200
Az izom glikogén tartalma a táplálék összetételének szerepe Izom glykogén tartalma (gram/kg-izom)
2 óra munkavégzés 24 20
magas szénhidrát étrend
16 12
zsír vagy fehérje étrend
8
Táplálék nélkül
4 0
0
10
20
30
40
Visszaépülés órákban
50
5 nap
• jelentős izommunka hatására az izom glikogéntartalma teljesen kimerülhet • szénhidrát-mentes diéta mellett a glikogéntartalom visszaépülése igen lassú
Izomtípusok Szemmozgató izom
Gastrocnemius
Kontraktilis erő A depolarizáció hossza
Soleus
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 Ca2+-pumpa aktivitása
nagy
nagy
alacsony
kicsi „fehér izom”
nagy „vörös izom”
nagy „vörös izom”
rostátmérő
nagy
kicsi
közepes
glikolítikus kapacitás
nagy
nagy
mérsékelt
mechanikai válasz
gyors
gyors
lassú
Oxidatív kapacitás - mitokondrium - kapilláris sűrűség - mioglobin tartalom
Az izom teljesítménye Sebesség (m*sec-1)
V0= maximális sebesség V0
2
Teljesítmény (n*m*sec-1)
1 3 F0
Erő (N)
F0= maximális erő
az izom teljesítménye (P = F * v) függ a terheléstől – harang alakú görbe → optimális terhelés [~F0 / 3] – hatásfok ~ 20%
Munkavégzés alatt bekövetkező változások követelmény: megnövekedett anyagcsere kreatinfoszfát raktár
anaerob katabolizmus aerob katabolizmus
ATP (konstans)
izommunka (20%) hőtermelés (80%)
glükóz, glikogén, FFA (szabad zsírsav)
válasz: megnövekedett O2 fogyasztás (VO2) • • •
légzési frekvencia ↑ respirációs térfogat ↑ alveoláris O2 diffúzió ↑
• •
perctérfogat ↑ AV O2 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 O2 differencia (O2 extrakció)
• generalizált válaszok – – – – – –
szívfrekvencia ↑ perctérfogat ↑ pa ↑ pulzustérfogat ↑ perifériás ellenállás ↓ keringő vérmennyiség redistribúciója kisvérköri átáramlás ↑ reguláció: hiperkapnia, hipoxia, acidózis… → reflexek
A keringésben bekövetkező változások központi idegrendszer
vagus ↓
izomműködés ↑
szimpatikus idegek ↑ artériás arteriola nyomás ↑ konstrikció ↑ • vese VÁ ↓ • splan. VÁ ↓ • bőr VÁ ↓↑ • nyugalomban lévő izom VÁ ↓
szívfrekvencia ↑
pulzustérfogat ↑
perctérfogat ↑
vénás telődés ↑
vazodilatátor metabolitok ↑
működő izom VÁ ↑ • „izompumpa” • „respiratórikus pumpa” VÁ = vérátáramlás
Munkavégzést kísérő változások kardiovaszkuláris paraméterek 170
Pulzustérfogat
165
150
130 110
135
Szívfrekvencia
90
120 70 105
Szívfrekvencia (min-1)
Pulzustérfogat (ml)
150
50 5
10
15
20
25
30
Perc térfogat (liter)
• a perctérfogat növekedése – szívfrekvencia ↑ – pulzustérfogat ↑ (kezdetben ez fokozódik jobban)
Munkavégzést kísérő változások
MV(1m-1 m-2)
PA(mmHg)
kardiovaszkuláris paraméterek 10% maximális erő 120
50% maximális erő
30% maximális erő
nyomás
100 6,0
perctérfogat
5,0 4,0 3,0
Hr(min-1)
130
szívfrekvencia Ny = nyugalom
110
A = aktív munkavégzés
90
R = relaxáció
70 Ny
-5
A
0
R
5
Idő (perc)
10
Ny
15 -5
R
A
0
5
Idő (perc)
10
Ny
15
A
R
1
Idő (perc)
Munkavégzést kísérő változások kardiovaszkuláris paraméterek Vég diasztolés térfogat
Kamratérfogat (ml)
120 100
Radiális artéria systole
200
80
Pulzustérfogat
60
150 100
40
50
Vég systolés térfogat
20 0 Ny
1
2
max
• vég diasztolés térfogat ↑ • vég systolés térfogat ↓
R
25
50
75
VO2 max(%)
• diasztolés nyomás ↓ • systolés nyomás ↑ • artériás középnyomás ↑
100
Aorta systole átlag (mindkettő) Diastole (mindkettő)
Munkavégzést kísérő változások a vér megoszlása a szervek között l/min 20
bőr
• fokozódó munkavégzés során
15
szív, agy, stb.
– splanchnikus területek VÁ ↓ – agy és szív VÁ = – bőr ↑ ↓
perctérfogat
– izom VÁ ↑ 10
zsigerek
5
izom
0
1
2
3
Oxigén felhasználás l/min
Munkavégzést kísérő változások az „izompumpa” 200+
Ritmikus munkavégzés
120 mm Hg 200 mm Hg
200 mm Hg
izom kontrakció
•
Vér átáramlás (100 ml/min)
40
20
Passzív álló állapot ∆P = 80 mmHg
lábi átáramlás 0
10
16
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
18
Munkavégzést kísérő változások hőszabályozás Erős álló munkavégzés
18 14
Pulzustérfogat (ml)
110 70
Szívfrek- Centrális nyomás vencia -1 (mm Hg) (min )
– vazodilatáció a bőrerekben → áramlásfokozódás – perspiratio sensibilis (verejtékezés)
meleg
5 0
200 180 Elvárt bőr keringés
3
Helyi vérátáramlás (L*min1)
• fokozott hőtermelés → fokozott hőleadás iránti igény
Perctérfoga t (L*min-1)
hideg
2
Bőr keringés
1
Zsigeri és vese keringés
0
2
4
6
8
idő (perc)
10
12
Munkavégzést kísérő változások a légzési rendszer alkalmazkodása Teljes légzési térfogat (l/min)
120
110 100 80 60 40 20
közepes munkavégzés 0
1.0
2.0
erős munkavégzés 3.0
4.0
O2 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 85
Atléták állóképessége
6
80
35
70
10
5
0
4
25
perctérfogat és szív index
15 Oxigén fogyasztás
3 2 1
55 0
Oxigén fogyasztás (l/min)
szív index (l/min/m2)
15
perctérfogat (liters/min)
5 Edzett (53)
Maximális 4 oxigén fogyasztás 3 (L*min-1)
Normálisan aktív (45) Nem mozgó (30)
2 1
400 800 1200 1600 Teljesítmény (kilogram*meters/min) 100
200
300
400
Teljesítmény (watt)
• a teljesítmény és az oxigénfelvétel között egyenes arányosság van • a maximális oxigénfelvételt az edzettség mértéke szabja meg
60 Maximális oxigén felvétel (ml*min-1 *kg-1) 30
Munkavégzést kísérő változások az „oxigénadósság” ml/min O2 adósság
O2 felvétel VO2
1250
állandósult állapot
1000 O2 adósság visszafizetése
750 500
Nyugalmi szint
250
nyugalom 0
2
munkavégzés 4
6
visszatérés nyugalomba 8
10
12
idő (min)
• A munkavégzést követő fokozott O2 fogyasztás – az O2 raktárak feltöltésére (mioglobin) – a foszfokreatin készlet feltöltésére – a tejsav eliminálására fordítódik
Munkavégzést kísérő változások az „oxigénadósság” állandósult állapot
100
könnyű munka (75 W) 50 pulzus
80
szívfrekvencia (min-1)
60
emelkedés fáradásban
erős munka (150 W)
140 120
600 pulzus
100 80 60 nyugalom 0
20
munka 40
nyugalom 60
80
100
120
Idő (min)
• az oxigénadósság kialakulását és törlesztését a szívfrekvencia parallel változásai is kísérik
Munkavégzést kísérő változások
Teljesítmény
a tréning és a fizikai teljesítőképesség
Erős edzés
edzés
enyhe edzés
nincs edzés
idő
Átlagtól való eltérés
A fizikai aktivitás napi változása (cirkadián ritmus) 25 0 -25 -50 6
9
12
15
18
Idő (nap)
21
24
3
6
