Wykład z 3. 02. 2007
Termoregulacja
- człowiek należy do istot stałocieplnych (homeotermicznych), które utrzymują stałą ciepłotę ciała w obrębie określonych granic, niezależnie
od temperatury otoczenia, na stałym poziomie;
- istoty zmiennocieplne (pojkilotermiczne) mają ciepłotę ciała zależną od temperatury otoczenia, tj. ryby, płazy, gady, itd.
- istoty heterotermiczne to ssaki zapadające w sen zimowy, które w okresie letnim są stałocieplne, a w zimowym zmiennocieplne;
- w organizmie ludzkim występuje równowaga między procesami wytwarzającymi energię cieplną a procesami w wyniku których energia
cieplna jest wydalana do środowiska zewnętrznego;
- u człowieka wyróżniamy warstwę wewnętrzną (rdzenna) z której krew transportuje ciepło do warstwy zewnętrznej (korowej), gdzie krew
ulega ochłodzeniu;
- temperatura wewnętrzna u człowieka wynosi od 36,4 do 37,4 °C, średnia temperatura skóry osobnika nie ubranego wynosi 28 °C;
- w różnych miejscach ciała temperatura waha się od 22 do 36,5 °C, co uzależnione jest od jej ukrwienia i lokalnych warunków oddawania
ciepła - w dole pachowym wynosi 36,5 - 37 °C;
- temperatura ulega dobowym wahaniom, tzn. rano jest najniższa, wzrasta w ciągu dnia i w godzinach popołudniowych osiąga najwyższą
wartość - wahania te wynoszą od 0,5 do 1 °C i wynikają ze zróżnicowanego nasilenia procesów metabolicznych;
- u noworodka dopiero po 14 dniach włącza się prawidłowa termoregulacja, do tego czasu zachowuje się on zmiennocieplnie;
- w warunkach spoczynkowych głównym źródłem ciepła są narządy wewnętrzne, tj. serce, wątroba, nerki, narządy trawienne, mózg;
- podczas wysiłku głównym źródłem ciepła są pracujące mięśnie szkieletowe - co najmniej ⅔energii ustrój traci w postaci energii cieplnej;
- podczas znacznych wysiłków fizycznych temperatura ciała może wzrosnąć nawet do 40 °C;
- w organizmie człowieka istnieją dwa mechanizmy termoregulacyjne:
Termoregulacja chemiczna:
~ obejmuje wszystkie mechanizmy związane ze zmianami w zakresie wytwarzania ciepła, czyli procesy biochemiczne polegające na
produkcji ciepła na drodze odpowiedniego zwiększania procesów utleniania, które pełnią funkcję ochronną ustroju przed wychłodzeniem;
~ pierwszą reakcją na zimno jest skurcz naczyń krwionośnych, tym samym zmniejsza się przepływ krwi przez skórę (pobudzenie układu
współczulnego - działanie noradrenaliny);
~ w wyniku zwężenia naczyń krwionośnych skóry zmniejsza się różnica temperatury pomiędzy powierzchnią skóry a otoczeniem - to
prowadzi do utraty ciepła z organizmu i uruchamia mechanizmy pozwalające na wytworzenie dodatkowego ciepła;
~ wyróżniamy dwa rodzaje termoregulacji chemicznej u człowieka:
termogeneza drżeniowa:
- występuje tylko u dorosłego człowieka,
- polega na odruchowym pobudzaniu mięśni szkieletowych - zwiększa się napięcie spoczynkowe mięśni a potem pojawia się ich drżenie,
- ilość wytworzonego ciepła przekracza o około 5x ilość ciepła podczas podstawowej przemiany materii;
- bezpośrednim źródłem energii dla drżenia mięśni jest rozpad ATP do ADP + Pi, gdy dochodzi do zwiększenia stężenia ADP następuje
przyspieszenie utleniania substratów energetycznych w mitochondriach, a temu towarzyszy wytwarzanie znacznej ilości ciepła;
- w pierwszej fazie drżenia jako substrat energetyczny wykorzystywany jest glikogen mięśniowy, a potem substraty pozamieśniowe,
tj. wolne kwasy tłuszczowe z tkanki tłuszczowej w procesie liolizy, glukoza z krwi z glikogenu wątrobowego, itd.
termogeneza bezdrżeniowa:
- przy obniżeniu temperatury organizmu zostaje pobudzony układ współczulny, w wyniku czego zwiększa się stężenie amin
katecholowych , głównie noradrenaliny, we krwi;
- zwiększa się także wydzielanie hormonów o działaniu ciepłotwórczym (hormony tarczycy, glukagon trzustkowy), które działają na
wątrobę, mięśnie szkieletowe, tkankę tłuszczową brunatną a tym samym powodują zwiększenie przemian metabolicznych w tych
tkankach i narządach;
- wzrost metabolizmu = wzrostowi wytwarzanego ciepła, co ma duże znaczenie we wczesnym okresie urodzeniowym;
- brunatna tkanka tłuszczowa występuje u niemowląt między łopatkami, pod mostkiem i wzdłuż kręgosłupa; posiada dużą
ilość mitochondriów i duże unerwienie współczulne; zawiera białko trmogeninę, które rozprzęga procesy utleniania i fosforylacji
zmniejszając tempo fosforylacji oksydacyjnej na rzecz wzrostu wytwarzania ciepła;
Termoregulacja fizyczna:
~ obejmuje wszystkie mechanizmy związane ze zmianami w zakresie oddawania ciepła na zewnątrz, jest uruchamiana przy wysokiej
temperaturze otoczenia i chroni ustrój przed przegrzaniem;
~ pierwszym etapem jest rozszerzenie powierzchownych naczyń krwionośnych skóry oraz zwiększenie przepływu krwi przez skórę;
~ utrata ciepła odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji, promieniowania i parowania;
~ przewodzenie ciepła polega na jego przemieszczaniu na inne ciało, które może być stałe, płynne i gazowe; wielkość przewodzenia zależy
od różnicy temperatur obu ciał oraz od współczynnika przewodzenia; najwięcej ciepła oddajemy w wodzie;
~ konwekcja polega na usuwaniu ogrzanych cząsteczek powietrza z powierzchni skóry i zastępowanie ich przez nowe, zimne cząsteczki,
np. podczas silnego wiatru, w pomieszczeniach klimatyzowanych;
~ w wyniku konwekcji i przewodzenia w warunkach spoczynkowych tracimy 10% ciepła;
~ promieniowanie polega na usuwaniu z powierzchni ciała ciepła i przekazywaniu go na inne powierzchnie bez kontaktu z nimi, w
warunkach spoczynkowych 67% ciepła; (organizm w zależności od temperatury otoczenia na tej drodze oddaje ciepło lub też je pobiera);
~ parowanie potu ma miejsce gdy wcześniej wymienione sposoby oddawania ciepła są zbyt mało wydajne; gdy temperatura wynosi
powyżej 34 °C to ciepło jest oddawane tylko i wyłącznie przez parowanie, ale warunkiem jest mała wilgotność powietrza (duża
wilgotność ogranicza parowanie i prowadzi do skraplania potu); w warunkach spoczynkowych na drodze parowania tracimy 23% ciepła
a 1 litr potu to utrata 580 kcal ciepła;
~ wielkość utraty ciepła zależy od różnicy temperatury otoczenia i temperatury skóry oraz od wilgotności skóry - wilgotna skóra
przewodzi ciepło znacznie szybciej niż sucha skóra powodując szybsze wychłodzenie ustroju;
~ w płucach i drogach oddechowych odbywa się oddawanie ciepła na drodze parowania wilgotnych powierzchni błon śluzowych,
w warunkach spoczynkowych człowiek wydala 300 ml pary wodnej z płuc na dobę, co powoduje utratę około 200 kcal;
Układ termoregulacyjny
1) Termodetektory i termoreceptory:
- termoreceptory obwodowe znajdują się w skórze i są wrażliwe na zmiany temperatury - receptory zimna i ciepła;
- termodetektory reagują na zmianę temperatury docierającej do nich krwi, znajdują się w podwzgórzu po obydwu stronach III komory
mózgu oraz w odcinku szyjnym rdzenia kręgowego;
2) Ośrodek termoregulacji w podwzgórzu:
~ w części przedniej podwzgórza znajduje się ośrodek termoregulacji fizycznej regulujący oddawanie ciepła z organizmu;
- zostaje on pobudzony przez podwyższenie temperatury krwi (pobudzenie termodetektorów) i przez impulsy z termoreceptorów
obwodowych wrażliwych na ciepło;
- pobudzenie ośrodka ochładzania ↑ powoduje rozszerzenie światła skórnych naczyń krwionośnych, zwiększenie przepływu skórnego i
przyspieszenie oddawania ciepła na drodze przewodzenia, konwekcji, promieniowania i parowania;
- przyspieszenie akcja serca, pogłębiają się oddechy - przez płuca przepływa więcej krwi a nadmiar ciepła jest usuwany z wydychanym
powietrzem;
- pobudzenie ośrodka hamującego drżenie mięśniowe;
~ w części tylnej podwzgórza znajduje się ośrodek termoregulacji chemicznej - ośrodek ogrzewania;
- zostaje pobudzony przez impulsy z termoreceptorów obwodowych wrażliwych na zimno i w wyniku obniżenia temperatury krwi;
- efektem pobudzenia tego ośrodka jest zwężenie naczyń krwionośnych skóry dzięki czemu zmniejsza się utrata ciepła przez skórę;
- następuje pobudzenie ośrodka hamującego drżenie mięśni w śródmózgowiu w wyniku czego zwiększa się toniczne napięcie mięśni i
pojawiają się dreszcze;
- następuje przyspieszenie metabolizmu mięśniowego i wzrasta produkcja ciepła;
- w wyniku aktywacji układu współczulnego zwiększa się wydzielanie noradrenaliny i innych hormonów ciepłotwórczych, w wyniku
tego wzrastają procesy spalania w mięśniach, wątrobie, tkance tłuszczowej a tym samym wzrasta produkcja ciepła.
3) Efektory termoregulacji:
- fizycznej: układ krążenia i gruczoły potowe;
- chemicznej : mięśnie szkieletowe, wątroba, brunatna tkanka tłuszczowa.
- hipertermia: wzrost temperatury ciała do około 40°C powoduje utratę przytomności, porażenie mięśniówki gładkiej naczyń ze stanami
zapaści i wstrząsu; temperatura wewnętrzna rzędu 43°C powoduje nieodwracalne uszkodzenie układu nerwowego i śmierć.
- hipotermia: obniżenie temperatury wewnętrznej powoduje u osoby nieuśpionej śmierć przy temperaturze pomiędzy 30-34°C; sztuczna
hipotermia, np. w narkozie pozwala na obniżenie temperatury wewnętrznej ustroju nawet do 22°C.
- adrenalina: powoduje wzrost temperatury ciała poprzez wzmożenie procesów metabolicznych oraz przez zwężenie naczyń krwionośnych
obwodowych, chroniąc tym samym organizm przed utratą ciepła.
- hormony tarczycy: powodują wzrost temperatury ciała na drodze wzrostu procesów metabolicznych.
- przysadka: hormony tropowe przysadki (somatotropowy, tyreotropowy + hormony kory nadnercza i trzustki) stymulują metabolizm.
Termoregulacja wysiłkowa:
- podczas wysiłków fizycznych zwiększa się ilość ciepła powstającego w organizmie dlatego, że 80% całej ilości energii uwalnianej podczas
pracy mięśniowej człowieka przekształca się w energię cieplną;
- przy podwyższeniu temperatury ciała związanej z wysiłkiem fizycznym zostają aktywowane mechanizmy prowadzące do zwiększonego
usuwania ciepła - termoregulacja fizyczna;
- gdy zwiększa się gradient temperatury między powierzchnią skóry a otoczeniem (podwyższenie temperatury skóry) wówczas następuje
usuwanie ciepła na drodze przewodzenia, promieniowania i konwekcji (tylko gdy temp otoczenia jest niższa od temp skóry);
- w środowisku o wyższej temperaturze, gdy dochodzi do podwyższenia temperatury wewnętrznej ciała, jedyną drogą usuwania ciepła jest
parowanie potu;
- przyczyną rozszerzenia naczyń krwionośnych skóry podczas wysiłku jest zmniejszenie napięcia włókien współczulnych oraz bradykinina -
czynnik powstający podczas aktywacji gruczołów potowych;
- temperatura wewnętrzna ciała podczas wysiłków fizycznych podwyższa się proporcjonalnie do wielkości wysiłku, tzn. podczas wysiłków
długotrwałych temp ciała stabilizuje ale jest to stan krótkotrwały i po kilkunastu minutach temperatura ponownie wzrasta;
- przy długotrwałych, ciężkich wysiłkach temperatura może wzrosnąć nawet do 40°C - hipertermia- która może prowadzić do upośledzenia
zdolności do wykonywania wysiłku, związane jest to z upośledzeniem układu krążenia - zmniejsza się ilość krwi w krążeniu centralnym;
- wzrost temperatury w mięśniach przyczynia się do zmian w ich metabolizmie, tj. wzrostu stężenia kw mlekowego, wzrostu odwodnienia a
tym samym utraty elektrolitów, których brak może prowadzić do bolesnych skurczy mięśniowych;
- w skrajnych przypadkach może dojść do omdlenia i udaru cieplnego- bezmoczu, suchości skóry i spadku ciśnienia tętniczego;
- podczas uprawiania sportów zimowych wzrasta ryzyko wyziębienia organizmu i odmrożeń - dochodzi do skurczu naczyń krwionośnych
skóry i tkanki podskórnej, zwiększa się toniczne napięcie mięśni - drżenie mięśniowe, wzrasta ciśnienia a częstość skurczów ♥ zmniejsza się;
*
- gdyby ciepło nie było rozpraszane do środowiska, to wzrost temp ciała przekraczałby 1% w ciągu kilku minut i kontynuowanie wysiłku przez
okres dłuższy niż kilkanaście minut byłoby niemożliwe; wzrost temp ciała przekraczający 3°C powoduje zaburzenie czynności OUN;
- wydzielanie potu zwiększa się wyraźnie podczas pierwszych 3-5 sekund wysiłku, głównie na tułowiu, i początkowo jest wywoływane na
drodze odruchowej, dopiero po 10 min rozpoczyna się termoregulacyjna aktywacja gruczołów związana ze wzrostem temp wewnętrznej ciała;
- reakcje termoregulacyjne podczas wysiłku zależą od stopnia nawodnienia organizmu - zwiększenie nawodnienia organizmu sprzyja
równomiernej dystrybucji ciepła, zwiększa i przyspiesza pocenie niwelując przegrzanie organizmu;
Ćwiczenia z 3.02.2007
Zmiany w składzie krwi podczas wysiłku fizycznego.
- zmiany objętości i składu krwi podczas wysiłków fizycznych zależą zarówno od ich intensywności, jak i czasu trwania;
- w ciągu pierwszych 5-15 minut trwania wysiłku zmniejsza się objętość osocza o 10-15% i potem nie ulega już większym zmianom;
- zmniejszenie objętości krwi jest tym większe, im większa jest intensywność wysiłku;
- przyczyną zmniejszenia objętości osocza jest wzrost ciśnienia hydrostatycznego i jego przewaga nad ciśnieniem onkotycznym (białek osocza)
- jest to siła z jaką białka koloidalne wiążą wodę; dochodzi do przesunięcia części wody z osocza do przestrzeni pozanaczyniowej a tym
samym dochodzi do zagęszczenia krwi - hemokoncentracji;
- podczas długotrwałych wysiłków fizycznych (trwających ponad 2h) może dojść do rozcieńczenia krwi - hemodylucji -
powstającej na skutek przejścia części płynu pozanaczyniowego do naczyń krwionośnych w wyniku obniżenia ciśnienia
hydrostatycznego krwi i większego dopływu białek do naczyń krwionośnych z układu chłonnego (↑ ciśnienia onkotycznego);
- zmiany w układzie erytrocytarnym:
~ podczas wysiłku fizycznego ogólna masa ogólna masa erytrocytów nie zmienia się , gdyż w naszym organizmie nie ma magazynów krwinek
czerwonych;
~ zwiększenie liczby erytrocytów w jednostce objętości krwi (poliglobulia) podczas wysiłków fizycznych jest wyłącznie wynikiem
zmniejszania się objętości osocza, jest to tzw. pozorny wzrost liczby krwinek czerwonych;
~ zmiany w liczbie erytrocytów są największe podczas krótkotrwałych wysiłków o dużej intensywności;
~ przy wysiłkach długotrwałych nie zaobserwujemy żadnych zmian lub może dojść do zmniejszenia ilości krwinek czerwonych, tzn. na skutek
zwiększenia ilości osocza lub nasilonej hemolizy wewnątrznaczyniowej (ucisk mm szkieletowych może mechanicznie uszkadzać erytrocyty,
może to być także ucisk na naczynia stóp), przyczyną może być także kwasica metaboliczna, hipoglikemia, wzrost temp, wpływ hormonów;
~ podczas wysiłków fizycznych prowadzących do ostrego niedotlenienia w miąższu nerek, w komórkach okołokłębkowych, zwiększa się
wytwarzanie erytropoetyny, która zapoczątkowuje syntezę globuliny i przyłączanie jej do hemu, jak również przyspiesza dojrzewanie
erytroblastów; efektem końcowym jest wzrost liczby erytrocytów, wzrasta stężenie Hb i liczby hematokrytowej, zwiększa się możliwość
transportu tlenu → ma to miejsce od 2 do 44 godzin od zadziałania hipoksji (w ciągu 12-24h pojawiają się młode krwinki czerwone,
najczęściej 3-4 dni od wzrostu stężenie EPO);
- zmiany w obrazie krwinek białych:
~ przy wysiłku następuje zwiększenie ilości krwinek białych i zmiany w ich obrazie - leukocytoza biogenna, przebiegająca w 3 fazach:
• faza limfocytarna: charakterystyczna dla wysiłków umiarkowanych, dochodzi do wzrostu liczby limfocytów nawet do 55% przy
równoczesnym spadku liczby granulocytów obojętnochłonnych, a ogólna ilość krwinek białych nie ulega zmianie;
• faza neutrofilna: charakterystyczna dla wysiłków średniociężkich i ciężkich, wzrasta liczba granulocytów obojętnochłonnych do 78% a
ilość limfocytów zmniejsza się poniżej wartości spoczynkowej, ogólna liczba leukocytów może wzrosnąc do 12tys/mm³ krwi;
• faza intoksykacyjna: występuje przy maksymalnym wysiłku:
◦ typ regeneracyjny: dalsze zwiększanie neutrofili do 90% i spadek liczby limfocytów do 5%, ogólna liczba leukocytów może wzrosnąć
20-40 tys/ mm³ krwi;
◦ typ degeneracyjny: dochodzi do leukopenii (spadek leukocytów) w wyniku wyczerpania organizmu, zwiększony przepływ krwi
wypłukuje leukocyty ze śledziony, wątroby, szpiku, węzłów chłonnych, a także krwinek przylegających do ścian naczyń;
- wpływ wysiłku fizycznego na skład osocza:
~ glukoza:
spoczynkowe stężenie glukozy powinno wynosić do 5,5mmol/l (110mg/dl)
podczas wysiłków krótkotrwałych o dużej intensywności stężenie glukozy we krwi znacznie wzrasta, a w czasie maksymalnego wysiłku
może ono wynieść nawet 10mmol/l - na skutek wzmożonego uwalniania glukozy z wątroby i jej małym wychwytywaniu przez mięśnie;
podczas wysiłku o małej lub umiarkowanej intensywności lub długotrwałych wysiłków stężenie glukozy przez kilkadziesiąt minut
utrzymuje się na stałym poziomie a następnie występuje tendencja spadkowa, której przyczyną jest większe wychwytywanie glukozy z
krwi przez pracujące mięśnie przy jej niedostatecznym uwalnianiu z wątroby do krwi;
~ lipidy (WKT):
występują w osoczu w formie kompleksów z albuminami, ich stężenie na czczo wynosi od 0,2-0,6mmol/l;
przez pierwsze 5-15 minut wysiłku następuje zmniejszenie ich stężenia następnie w miarę przedłużania wysiłku ich stężenie wzrasta
znacznie powyżej poziomu spoczynkowego, po godzinie może wzrosnąć nawet do 1mmol/l;
podczas wysiłków krótkotrwałych o dużej intensywności stężenie WKT rośnie ale nie występuje początkowe obniżenie ich stężenia;
przyczyną zmniejszenia stężenia na początku wysiłków jest ich większe wychwytywanie z krwi przez pracujące mięśnie (większy
przepływ krwi przez mięśnie), za którym to procesem nie nadąża lipoliza w tkance tłuszczowej;
gdy wysiłek trwa dłużej następuje wzrost stężenia WKT w wyniku większego ich uwalniania z tk tłuszczowej-nasilenie liolizy;
triacyloglicerole (trójglicerydy, TG) są magazynem kwasów tłuszczowych a ich norma wynosi od 0,55 do 2,0mmol/l (50-200 mg/dl);
u osób z niskim poziomem TG ich stężenie podczas wysiłku nie zmienia się lub nieznacznie wzrasta (przyczyną wzrostu jest wzmożona
synteza w wątrobie spowodowana dużym dopływem do niej WKT), natomiast u osób z dużym wyjściowym stężeniem TG
(hiperlipidemia) podczas wysiłku dochodzi do spadku ich stężenia dlatego, że stają się one źródłem WKT dla pracujących mięśni;
trening typowo tlenowy powoduje obniżenie stężenia TG.
~ kwas mlekowy (LH):
tempo dyfuzji kwasu mlekowego do krwi jest mniejsze od powstawania tego kwasu w komórkach mięśniowych dlatego też stężenie tego
kwasu zwiększa się po zakończeniu wysiłku fizycznego i swoją maksymalną wartość osiąga 3-5 minut po zakończeniu wysiłku;
podczas wysiłków krótkotrwałych (15 min) stężenie LH wzrasta wraz ze wzrostem intensywności ale nie jest to zależność proporcjonalna
gdyż stężenie LH zmienia się nieznacznie i w miarę proporcjonalnie do obciążenie aż pewnym momencie dochodzi do szybkiego
wzrostu stężenia LH - jest to tzw. próg przemian beztlenowych, próg mleczanowy;
przyczyną szybkiego wzrostu stężenia LH we krwi jest zwiększenie udziału glikolizy w metabolizmie parujących mięsni;
duże stężenie kwasu mlekowego jest przyczyną rozwoju kwasicy metabolicznej typu mleczajowego i przyczyną wzrostu stężenia jonów
H+ (czyli spadku pH), spadku ilości buforów i spadku ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi tętniczej;
norma LH w warunkach spoczynkowych do 1,5 mmol/l
przy maksymalnych wysiłkach stężenie LH może wzrosnąć do 10-13 a max 17mmol/l
pH krwi podczas wysiłku maksymalnie obniża się do około 7
Fizjologia
4