Izom energetika

Szentesi Péter

A harántcsíkolt izom struktúrájaa kontraktilis fehérjék

Izom fasciculus

Izomrost

Izom

H Band

Z Disc

Acsík

Icsík

Z-Szarkomér-Z

HH

Z Z

Miofilamentumok

F

Vékony filamentum

Vastag (Miozin) filamentum

Miofibrillum

M

LC-2

LC1/3

LMM S-2 S-1HMM

rod

Miozin molekula S-1

S-1HMMS-2

LMM

42.9 nm

14.3 nm

AktinTropomiozin

TroponinI CCT

LMM = light meromiosin

HMM = heavy meromiosin

A harántcsíkolt izom struktúrájaa vékony és a vastag filamentum felépítése

AktinTroponin

Tropomiozin

Vastag filamentum

Vékony filamentum

Miozin

Kereszthíd

Z-vonal

Aktin Tropomiozin

TN-ITN-C

TN-T

Az akto-miozin ciklus I.a Ca2+ szerepe

Ca2+ jelenlétében (felső ábra)

• Tm ésTnI „elmozdul” →actin-miozin kölcsönhatás

Ca2+ hiányában (alsó ábra)• Tm és TnI „gátló” pozícióban

Troponin• TnC – Ca2+ kötés• TnI – inhibició• TnT – Tm kötés

Tm – tropomiozinTn – troponin

A – aktinM – miozinHMM – heavy mero myosin

A

A

HMMTm

Tm

TnT

P

TnITnC

HMM

TnI

TmTm

TnC

TnT

-Ca2+ +Ca2+

A

A

Tm Tm

TnI

TnC

TnC

TnI

Tm Tm

P TnT

TnT

Az akto-miozin ciklus II.a csúszófilamentum modell

ATP a kontrakcióhoz és a relaxációhoz egyaránt szükséges A – aktin

M – miozin

AM-ADP-PiAM-ATP AM-ADP

M-ATP

AM AM

M-ADP-Pi

ATP ADPPi

kontrakciórelaxáció

Energia források a vázizomban I.

36nem limitáltlassú3. oxidatív foszforiláció

2-3limitáltgyors2. glikolízis

-igen limitáltigen gyors1. direkt foszforiláció

ATP/glükózmennyiségsebességútvonal

KapillárisIzom sejt Glikogén

Glükóz

1 közvetlenfoszforiláció

Kreatin foszfát

ADP

ATP

Kreatin

ADP

2 Anaerobglykolízis

L-laktát Piruvát

3 Oxidatív foszforiláctió

O2

CO2

Zsírsav

Mitokondrium

• Direkt foszforiláció: ATP -> ADP + Pi• Glikolízis: a glikogén (vércukorból képződő

poliszacharid)– biológiai oxidáció »» CO2 + víz + energia »»

creatininfoszfát képződik– creatininfoszfát lebomlásából szárazó 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.

Energia források a vázizomban II.

Az izom-energetika komponensei

• direkt foszforiláció 8-10 másodperc• glikolízis 1-2 perc• oxidatív foszforiláció amíg a tápanyag tart

12

6

0

AT

P/C

rP(µ

mol

/gw

etw

eigh

t)

CrP

ATP

1000

500

100 Rel

atíiv

O2

extr

akci

óV

02(%

)

0 60 120 180

Idő (s)

CrP: kreatin foszfát

Az izom-energetika komponensei

• direkt foszforiláció 8-10 másodperc• glikolízis 1-2 perc• oxidatív foszforiláció amíg a tápanyag tart

15

10

5

0

Max

imál

isle

állá

si idő

(per

c)

vérkeringéssel

vérkeringés nélkül

15 20 35 50 75

Erő (a maximális izometrikus erő %)

Az izom-energetika komponensei

• direkt foszforiláció 8-10 másodperc• glikolízis 1-2 perc• oxidatív foszforiláció amíg a tápanyag tart

anaerob küszöb

aerob / anaerob átmenet

aerob küszöb

50 100 150 200

Pulzuszám (min-1)

10

8

6

4

2

0[L

aktá

t](m

mol

/l)Mitokondrium

Az izom glikogén tartalmaa táplálék összetételének szerepe

• jelentős izommunka hatására az izom glikogéntartalma teljesen kimerülhet

• szénhidrát-mentes diéta mellett a glikogéntartalom visszaépülése igen lassú

2 óramunkavégzés

magas szénhidrát étrend

zsír vagy fehérje étrendTáplálék

nélkül

5 napVisszaépülés órákban

0 10 20 30 40 50Izom

glyk

ogén

tart

alm

a(g

ram

/kg-

izom

)

0

4

8

12

16

20

24

Izomtípusok

• kontrakció sebessége alapján– gyors– lassú

• energiaforrás alapján– oxidatív– glikolitikus

Kon

trak

tilis

erő

Ade

pola

rizác

ió h

ossz

a

Szem-mozgató

izomGastrocnemius

Soleus

0 40 80 120 160 200

Idő (ms)

Izomtípusok

lassúgyorsgyors mechanikai válasz

mérsékeltnagynagyglikolítikus kapacitás

közepeskicsinagyrostátmérő

nagy„vörös izom”

nagy„vörös izom”

kicsi„fehér izom”

Oxidatív kapacitás- mitokondrium- kapilláris sűrűség- mioglobin tartalom

alacsonynagynagySR Ca2+-pumpaaktivitása

alacsonynagynagyMiozin ATP-ázaktivitása

Lassú oxidatívI.

Gyors oxidatívII. B

Gyors glikolitikusII. A

Jellemzők

Az izom teljesítménye

az izom teljesítménye (P = F * v) függ a terheléstől– harang alakú görbe → optimális terhelés [~F0 / 3]– hatásfok ~ 20%

Erő (N)F0

3

1

2V0

Teljesítmény (n*m*sec-1)

Seb

essé

g (m

*sec

-1)

F0= maximális erő

V0= maximális sebesség

glükóz, glikogén, FFA (szabad zsírsav)

Munkavégzés alatt bekövetkező változások

követelmény: megnövekedett anyagcsere

kreatinfoszfát raktár ATP(konstans)

izommunka (20%)hőtermelés (80%)

válasz: megnövekedett O2 fogyasztás (VO2)

anaerob katabolizmusaerob katabolizmus

• 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 ↑– pulzustérfogat ↑– perifériás ellenállás ↓– keringő vérmennyiség redistribúciója– kisvérköri átáramlás ↑– reguláció: hiperkapnia, hipoxia, acidózis… → reflexek

perctérfogat ↑ pa ↑

A keringésben bekövetkező változásokközponti idegrendszer

működő izom VÁ ↑• „izompumpa”• „respiratórikus pumpa”

vagus ↓ szimpatikus idegek ↑

izomműködés ↑

vazodilatátormetabolitok ↑

artériásnyomás ↑

szív-frekvencia ↑

pulzus-térfogat ↑

perctérfogat ↑

vénástelődés ↑

arteriolakonstrikció ↑

• vese VÁ ↓• splan. VÁ ↓• bőr VÁ ↓↑• nyugalomban

lévő izom VÁ ↓

VÁ = vérátáramlás

Munkavégzést kísérő változásokkardiovaszkuláris paraméterek

• a perctérfogat növekedése– szívfrekvencia ↑– pulzustérfogat ↑ (kezdetben ez fokozódik jobban)

Pulzustérfogat

Szívfrekvencia

5 10 15 20 25 30

Perc térfogat (liter)

Pul

zust

érfo

gat (

ml)

105

120

135

150

165

50

70

90

110

130

150

170

Szí

vfre

kven

cia

(min

-1)

Munkavégzést kísérő változásokkardiovaszkuláris paraméterek

10% maximális erő 30% maximális erő 50% maximális erő

perctérfogat

szívfrekvencia

PA(m

mH

g)M

V(1

m-1

m-2

)H

r(m

in-1

)

Idő (perc) Idő (perc) Idő (perc)

120

100

6,0

5,0

4,0

3,0

130

110

90

70

-5 0 5 10 15 -5 0 5 10 15 1

Ny A R Ny A R Ny A R

nyomás

Ny = nyugalom

A = aktív munkavégzés

R = relaxáció

Munkavégzést kísérő változásokkardiovaszkuláris paraméterek

• vég diasztolés térfogat ↑• vég systolés térfogat ↓

• diasztolés nyomás ↓• systolés nyomás ↑• artériás középnyomás ↑

0

20

40

60

80

100

120

Kam

raté

rfog

at (

ml)

Vég diasztolés térfogat

Pulzus-térfogat

Vég systolés térfogat

Ny 1 2 max

50

100

150

200

Radiális artéria systole

Aorta systoleátlag (mind-kettő)Diastole (mind-kettő)

R 25 50 75 100

VO2 max(%)

Munkavégzést kísérő változásoka vér megoszlása a szervek között

• fokozódó munkavégzés során– izom VÁ ↑– splanchnikus területek VÁ ↓– agy és szív VÁ =

– bőr ↑ ↓

bőr

szív, agy, stb.

zsigerek

izom

l/min

20

15

10

5

0

perc

térf

ogat

1 2 3

Oxigén felhasználás l/min

Munkavégzést kísérő változásokaz „izompumpa”

• a működő izom vérellátása szakaszos– összehúzódáskor az átáramlás akadályozott– a csökkent átáramlást a metabolitok felszaporodása kíséri →– vazodilatáció alakul ki– elernyedés után fokozódik a vérátáramlás

izom kontrakció Passzív álló állapot

200+

200 mm Hg200 mm Hg

120 mm Hg

∆P = 80 mmHg

Vér

átá

ram

lás

(100

ml/m

in)

0

20

40

10 16 18

Idő (perc)

Ritmikus munkavégzés

lábi átáramlás

Munkavégzést kísérő változásokhőszabályozás

• fokozott hőtermelés →fokozott hőleadás iránti igény– vazodilatáció a

bőrerekben →áramlásfokozódás

– perspiratio sensibilis(verejtékezés)

Erős álló munkavégzés

hideg meleg

14

18

Per

ctér

foga

t (L*

min

-1)

70

110

Pul

zus-

térf

ogat

(m

l)

0

5

Cen

trál

is

nyom

ás

(mm

Hg)

180

200

Szí

vfre

k-ve

ncia

(m

in-1

)1

2

3H

elyi

vé

rátá

-ra

mlá

s (L

*min

-

1 )0 2 4 6 8 10 12

idő (perc)

Zsigeri és vese keringés

Bőr keringés

Elvárt bőr keringés

Munkavégzést kísérő változásoka légzési rendszer alkalmazkodása

• 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

közepes munkavégzés

erős munkavégzés

0 1.0 2.0 3.0 4.0

O2 fogyasztás (l/min)

20

40

60

80

100

110

120

Tel

jes

légz

ési t

érfo

gat (

l/min

)

Munkavégzést kísérő változásoka légzési rendszer alkalmazkodása

• a teljesítmény és az oxigénfelvétel között egyenes arányosság van• a maximális oxigénfelvételt az edzettség mértéke szabja meg

0 400 800 1200 1600Teljesítmény (kilogram*meters/min)

1

2

3

4

Oxi

gén

fogy

aszt

ás (

l/min

)

0

5

10

15

szív

inde

x (l/

min

/m2 )

perc

térf

ogat

(lit

ers/

min

)

55

15

25

35

perctérfogat és szív index

Oxigén fogyasztás

1

2

3

4

5

6

Maximális oxigén fogyasztás (L*min-1)

Atléták állóképessége

Maximális oxigén felvétel (ml*min-1

*kg-1)30

60

70

80

85

Nem mozgó (30)

Normálisan aktív (45)

Edzett (53)

100 200 300 400

Teljesítmény (watt)

Munkavégzést kísérő változásokaz „oxigénadósság”

• A munkavégzést követő fokozott O2 fogyasztás– az O2 raktárak feltöltésére (mioglobin)– a foszfokreatin készlet feltöltésére– a tejsav eliminálására fordítódik

2 4 6 8 10 12

idő (min)

nyugalom munkavégzés visszatérés nyugalomba

Nyugalmi szint

O2 adósság visszafizetése

állandósult állapotO2 adósság

0

250

500

750

1000

1250

ml/minO

2fe

lvét

el V

O2

Munkavégzést kísérő változásokaz „oxigénadósság”

• az oxigénadósság kialakulását és törlesztését a szívfrekvencia parallel változásai is kísérik

könnyű munka (75 W)

erős munka (150 W)

600 pulzus

emelkedés fáradásban

50 pulzus

állandósult állapot

0 20 40 60 80 100 120

Idő (min)

nyugalom munka nyugalom60

80

100

120

140

60

80

100

szív

frek

venc

ia (

min

-1)

Munkavégzést kísérő változásoka tréning és a fizikai teljesítőképesség

Tel

jesí

tmén

y

edzés

Erős edzés

nincs edzés enyhe edzés

idő

6 9 12 15 18 21 24 3 6

Idő (nap)

-50

-25

0

25

Átla

gtól

val

ó el

téré

s

A fizikai aktivitás napi változása (cirkadián ritmus)