Wykład I

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Wykład I
Spis piśmiennictwa na stronie internetowej katedry: Katedra Fizjologii Zwierząt i
Ekotoksykologii – materiały dla studentów.
W miarę możliwości postaram się dostarczyć państwu pytania kontrolne, czy zagadnienia
kontrolne do tematów, jakie są poruszane w ramach poszczególnych wykładów.
Biologia podstawowa na poziomie szkoły średniej.
Biologia Villeego.
Biologia Czechowskiego i innych.
„Fizjologia człowieka w zarysie” Władysław Traczyk.
„Kieszonkowy atlas fizjologiczny” Silberman i Desmopulos.
„Bezpieczeństwo pracy i ekologia” – Koradecka.
„Granice przystosowania” Kozłowski.

I. Człowiek jako istota pracująca, czyli dlaczego człowiek pracuje? Jakie są podstawowe
własności tej pracy?
Wszystko to, co dzieje się w ramach procesu pracy, co dzieje się w fizjologii człowieka, co
dzieje się w funkcjonowaniu społeczeństwa, funkcjonowaniu człowieka jako jednostki opiera
się na materialnych podstawach.
Wszystko musimy, i mamy obowiązek, wyjaśniać w odwołaniu do materialnego podłoża
istnienia człowieka, istnienia biologii, istnienia świata. Nie rozmawiamy więc o żadnych
aspektach duchowych, zjawiskach nadprzyrodzonych, żadnej magii i różnych zjawiskach
paranormalnych – tak popularnych dzisiaj.

II. Uorganizowanie, czyli uporządkowanie, struktura, w sposób, w który z łatwością
rozpoznajemy w sobie po tym, że każdy z nas ma głowę, ręce i nogi, co więcej – ma je na
właściwym miejscu. Co więcej, my wszyscy ludzie jesteśmy zorganizowani i mamy bardzo
podobną budowę, ale tak rozumiana struktura jest zaledwie pozorem skali komplikacji
struktury biologicznej, bowiem prawdziwa istota naszej struktury leży na poziomie biochemii,
na poziomie chemii, i tutaj dopiero zaczyna się to, o czym naprawdę chce biologia rozmawiać
w ramach struktury.
Zatem jest to struktura cząstek chemicznych, które budują nasze ciało i zgodnie z
podstawowa zasadą biologii, z tej struktury – z budowy materii, wywodzimy wszystkie
właściwości funkcjonalne, a więc wszystkie zdolności do pracy, jakie prezentuje nasz
organizm.
Zarazem, jeżeli schodzimy tak nisko, to powinniśmy stworzyć hierarchię budowy naszego
ciała; ta hierarchia polega na tzw. hierarchii integronów.
Zaczynamy od poziomu molekularnego, przechodzimy na poziom ponadmolekularny, czyli
poziom struktur wewnątrzkomórkowych zwanych organellami.

Organellum to każda struktura występująca w cytoplazmie komórki, wyspecjalizowana do
pełnienia określonej funkcji.
W komórkach prokariotycznych jest stosunkowo niewiele typów organelli. Najważniejsze to
genofor (materiał genetyczny w postaci kolistej cząsteczki DNA) i rybosomy. Komórki
eukariotyczne mają znacznie bogatszy zestaw organelli. Z ważniejszych można wymienić:
    * rybosomy
    * wakuola
    * siateczka śródplazmatyczna, czyli retikulum endoplazmatyczne
    * lizosomy,
    * aparat Golgiego,
    * jądro komórkowe,

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

    * mitochondria,
    * plastydy, czyli chloroplasty, chromoplasty, itp.
    * proteosomy.
Niektóre organella komórek eukariotycznych - mitochondria oraz plastydy) pochodzą od
endosymbiotycznych bakterii.
Są one otoczone podwójną błoną, posiadają własny, niezależny od jądra komórkowego
materiał genetyczny w postaci kolistej cząsteczki DNA oraz własne, inne od
cytoplazmatycznych rybosomy.
Innym organellum otoczonym podwójną błoną jest jądro komórkowe, jednak nie ma wielu
danych sugerujących, że jest również pochodzenia endosymbiotycznego. Są też sugestie, że
wici komórek eukariotycznych są również efektem dawnej endosymbiozy, ale jak dotąd brak
na to dowodów.

Potem wchodzimy na poziom komórki, powyżej poziomu komórki mamy do czynienia

z układem tkanek, jeszcze wyżej z poziomem narządów, układów, organizmów.
Powyżej poziomu organizmu mamy poziom populacji, ekosystemów, biogeosfery; takie są
zatem poziomy życia i poziomy funkcjonowania człowieka.

Jeżeli mówimy o strukturze i uorganizowaniau, to z łatwością dostrzegamy, że w

uorganizowaniu tej struktury mamy do czynienia z indywidualnością. Jeżeli popatrzymy na
siebie, to każdy z nas różni się od innej osoby w sposób wystarczający by można się
rozpoznać.
Dotykamy tego zjawiska na poziomie molekularnym, bowiem to, co widzimy na zewnątrz – to
zróżnicowanie w układzie zewnętrznym (kolor oczu, włosów, wzrost), czyli to, co możemy
dostrzec jest w gruncie rzeczy marnym, odpryskiem zróżnicowania chemicznego wewnątrz
naszego ciała. Niekiedy to zróżnicowanie chemiczne pojawia się w sposób szczególnie
drastyczny – przy transfuzjach krwi, transplantacji narządów, kiedy nasz organizm
rozpoznaje inaczej zorganizowane narządy (np. krew innego człowieka) i sprzeciwia się ich
przyjęciu w drodze procesów immunologicznych.

Oczywiście istnieją granice podobieństwa i niepodobieństwa w obrębie gatunku; nasza

zewnętrzna i wewnętrzna organizacja jest zupełnie inna niż organizacja konia, nicienia czy
ziemniaka.
Ale we wszystkich tych przypadkach istnieją także znamienne podobieństwa w budowie,
funkcji i wielu innych zjawiskach.
Mamy kolejną własność organizmów żywych – metabolizm, na który składają się dwa dalsze
zjawiska będące w sumie całością układu, – czyli katabolizm i anabolizm.

Anabolizm to ta część metabolizmu, która związana jest ze wzrostem tkanek organizmu.
Często procesy metaboliczne dzieli się na anaboliczne (wzrostowe) i kataboliczne (związane
z rozkładem i zanikaniem materii organicznej).
Anabolizm to reakcje syntez związków bardziej złożonych z prostszych, wymagające
dostarczenia energii. Energia ta umożliwia podniesienie poziomu energetycznego związków
w czasie procesu chemicznego. Powstający w ten sposób produkt rekcji zawiera większą
ilość energii, niż substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań
chemicznych.
Procesy anaboliczne prowadzą do tworzenia i wzrostu organów i tkanek, są więc związane z
ogólnym wzrostem masy i rozmiarów ciała. Typowymi przykładami tego rodzaju procesów
jest wzrost siły i masy mięśni, rozrost szkieletu, rośnięcie włosów i paznokci. Z kolei procesy
kataboliczne powodują zmniejszanie się rozmiarów i masy tkanek i organów. W procesach

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

tych białko tworzące te tkanki jest rozkładane do aminokwasów, które mogą być
spożytkowane przez organizm do innych celów.
Zazwyczaj oba procesy pozostają z sobą w dynamicznej równowadze. W okresie wzrostu
młodych organizmów stałą przewagę mają procesy anaboliczne, natomiast w sytuacji
niedożywienia, ostrego stresu czy nadmiernego wysiłku fizycznego górę mogą okresowo
wziąć procesy kataboliczne.
Ze względu na to, że pojedyncze komórki tworzące tkanki nie mogą jednocześnie realizować
procesów anabolicznych i katabolicznych, w organizmach zwierząt i ludzi występują
specjalne hormony, które sterują tymi procesami, poprzez "przełączanie" komórek w tryb
anaboliczny lub kataboliczny, za pomocą interakcji ze specjalnymi receptorami rozsianymi na
powierzchni ich błon komórkowych. Endokrynologia, nauka zajmująca się hormonami
tradycyjnie dzieli hormony na anaboliczne i kataboliczne.

•

Do hormonów anabolicznych zaliczają się m.in.:

Hormon wzrostu

Insulina

Testosteron

Estrogeny

•

Do hormonów katabolicznych zaliczają się natomiast:

Kortyzol,

Glukagon,

Adrenalina

Cytokina.

Metabolizm, przemiana materii - całokształt przemian biochemicznych i towarzyszących im
przemian energii, zachodzących w komórkach żywych organizmów i stanowiących podłoże
wszelkich zjawisk biologicznych. Reakcje metaboliczne dzieli się na katabolizm (rozkład z
wydzieleniem energii) i anabolizm (synteza prowadząca do wzrostu masy tkanek).
Katabolizm, ogół reakcji chemicznych metabolizmu prowadzący do rozpadu złożonych
związków chemicznych na prostsze cząsteczki. Reakcja egzoenergetyczna, uwalniająca
energię, substraty muszą być o wyższym poziomie energii, a produkty o niższym, np. reakcja
rozkładu, oddychania.

Są one swoimi wzajemnymi przeciwieństwami. Rozpoznajemy je po tym, że

katabolizm prowadzi do uwalniania energii wskutek zmniejszenia uporządkowania substancji
chemicznych w naszym ciele.
Anabolizm wiąże energię w procesy porządkowania struktur chemicznych w naszym ciele.
Jednym z procesów jest energodajny, drugi energochłonny; jeden powoduje rozkład, drugi
powoduje syntezę.
Oczywiście katabolizm i anabolizm można zastąpić paralelnymi pojęciami: asymilacji i
dysymilacji.

Pojęcie metabolizmu związane jest z faktem, że przez nasz organizm ciągle przepływa

strumień materii i energii i jest to nierozłącznie związane z pojęciem metabolizmu.
Ale zarazem pojawia się następna ważka cecha organizmów żywych zwana pobudliwością.
Ta cecha będzie dla nas szczególnie interesująca podczas omawiania pracy, ponieważ
wszystko, co się dzieje w ramach pracy jest właśnie pobudliwością.

Pobudliwość możemy rozumieć jako zdolność do reagowania.

Pobudliwość objawia się zdolnością do aktywnej zmiany stanu organizmu, co w uproszczeniu
nazywa się reakcją w odpowiedzi na zmianę stanu środowiska (określamy to mianem
bodźca); i cechą charakterystyczną reakcji na bodziec jest to, że pozwala ona zachować tę

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

wysoko zorganizowaną strukturę organizmu, czyli jednostki biologicznej przez dłuższy czas,
czyli chroni organizm przed zniszczeniem przez środowisko.

Aktywność – wyraża się tym, że w ramach aktywności organizm reagując, wykorzystuje
energię uwolnioną w procesach katabolizmu na własną obronę.
Wynikiem pobudliwości jest dostosowanie do środowiska, a to dostosowanie do środowiska
powoduje utrzymanie stałości stanu, co nazywamy w biologii homeostazą.

Homeostaza (gr. homoíos - podobny, równy i stásis - trwanie) stan równowagi dynamicznej
środowiska, w którym zachodzą procesy biologiczne. Zasadniczo sprowadza się to do
równowagi płynów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych. Pojęcie homeostazy wprowadził
Walter Canon w 1929 roku na podstawie założeń Claude Bernarda (1857) nt. stabilności
środowiska wewnętrznego. Homeostaza jest podstawowym pojęciem w fizjologii. Pojęcie to
jest także stosowane w psychologii zdrowia dla określenia mechanizmu adaptacyjnego.

Homeostaza, to względna niezmienność stanu układu (niekoniecznie musi to być cały

organizm – może to być pojedyncza komórka, struktura wieloczłonowa, ale również może to
być populacja, naród w jakimś państwie, czy dowolnie inny obiekt w rodzaju... zapory wodnej,
w którym utrzymywany jest stały poziom wody, a więc pozornie względna niezmienność
stanu); odwracalność stosunkowo niewielkich zmian, które zachodzą dzięki zrównoważeniu
siły przepływów.

W pewnych szczególnych sytuacjach pobudliwość, adaptatywność, czyli zdolność

przybywania homeostazy wiąże się ze zjawiskiem specyficznego sposobu reagowania, które
nazywamy popularnie stresem, (właściwie powinniśmy mówić o: bodźcu stresowym, reakcji
stresowej).
Oczywiście bodziec i reakcja stresowa w porównaniu z innymi bodźcami czy reakcjami
posiada pewne charakterystyczne cechy.
Praca generalnie jest po to abyśmy zachowywali homeostazę osobniczą; w pewnym sensie
konsekwencją tego, że zachowujemy jako pojedynczy ludzie homeostazę, stanowi, że
podlegamy rozwojowi również jako jednostka, w dalszej konsekwencji rozmnażamy się;
zatem patrząc z pewnego dalszego punktu widzenia ważnym aspektem pracy człowieka jest
to, że podtrzymujemy funkcjonowanie ludzkości naszą pracą i dalej mamy możliwość
kontynuacji naszego istnienia w istnieniu naszych dzieci.

Z punktu widzenia biologa największym zadaniem żyjącego człowieka jest stworzenie

podstaw do kontynuacji istnienia życia w naszej ludzkiej postaci.
Kolejne integrony, – czyli poziomy komplikacji budowy i zarazem wskazanie, że mówiąc o
człowieku jako istocie pracującej musimy przejść przez wszystkie wyższe szczeble
organizacji biologicznej, gdyż gdzieś na końcu docieramy do małp człekokształtnych i
możemy porównywać, czym człowiek jako istota pracująca różni się od innych organizmów,
które te 9 ważnych punktów cech biologicznych spełniają.

Trzeba sobie zdawać sprawę, że również zwierzęta pracują (mrówki, pszczoły), ale

trzeba się zastanowić, co powoduje, że praca człowieka ma szczególny charakter i w
porównaniu do innych zwierząt posunęliśmy się znacznie dalej?

To, co powoduje, że nasza praca ma szczególny charakter jest grupą banalnych cech

anatomicznych, które człowiek w sobie nosi.
Z punktu widzenia pracy istotnych jest kilka cech niebanalnych:

bardzo długie okresy rozwoju osobniczego (rozwój osobniczy dziecka od narodzenia
do momentu, kiedy jest ono w pełni samodzielne zajmuje ok. 20 ÷ 25 lat, dopiero
wtedy może ono samodzielnie funkcjonować w naszym cywilizowanym świecie).
Przez cały ten okres potrzebna jest opieka rodzicielska nad potomstwem, a zatem

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

wyznacza to tym samym kierunek pewnego nakładu pracy, który musimy inwestować
w naszym życiu. Dojrzałość osobniczą osiągamy znacznie wcześniej niż dojrzałość
społeczną (to zjawisko w biologii nazywane jest pedogenezą Barettego [?]);

seks oderwany od rozrodczości, wykorzystywany przez biologię do rywalizacji
wewnątrzgatunkowej, (jeżeli zatem ktoś osiąga znamienite sukcesy, tworzy
niepowtarzalne dzieła, to robi to m.in. po to, żeby odnieść większy sukces, czyli
uzyskać możliwość większego wyboru w tej dziedzinie). Tak twierdzi biologia.

Ta cecha jest motorem napędowym postępu, który rozpatrujemy w świecie i kwestią
zasadniczą jest umiejętne wykorzystanie tego zjawiska i świadomości jego istnienia.

Bardzo ważnym zjawiskiem i cechą naszą indywidualną jest to, że tworzymy

cywilizacje i kulturę materialną od pradziejów. Zwierzęta też ją tworzą w jakimś tam sposób.
Tu istotne jest, że nasza (i zwierząt0 kultura materialna przenoszona jest w sposób
niegenetyczny – tzn. trzeba się jej uczyć.
Robotnica pszczoły wszystkie czynności, które wykonuje w ciągu całego swego życia
praktycznie ma zapisane w materiale genetycznym w swoich komórkach – nie musi się tego
uczyć. Człowiek wszystkie te złożone czynności musi nabywać – stąd ta długa opieka nad
potomstwem.

Zatem nasza wysoko rozwinięta cywilizacja jest dokładnie konsekwencją biologiczne

są naszych właściwości, a po to żeby był możliwy przekaz niegenetyczny kultury materialnej,
cywilizacji, zdolności do pracy, zdolności przystosowania do środowiska, potrzebna jest nam
mowa – doskonały system komunikacji.
I ta mowa ma kilka bardzo istotnych właściwości, które można by szczegółowo omówić i
trzeba zwrócić uwagę, że dzisiaj te właściwości mowy i sposób komunikacji mową stały się
domeną ogromnej części ludzkiej populacji. Komunikacja międzyludzka różnymi sposobami
jest jednym z podstawowych w dzisiejszych społeczeństwach aspektów pracy.
I przyjmujemy, że komunikacją tą w przeciwieństwie do wytwarzania zajmuje się
przeważająca część populacji.

Wymienić należy, z czego jesteśmy zbudowania w ramach materii. Oczywiście z
pierwiastków, które zgodnie z kilkoma kryteriami dzielimy na – makro, - mezo i – mikro,
(powinni Państwo nauczyć się nazw i symboli poszczególnych pierwiastków chemicznych
budujących nasze ciało).

Rozgraniczenie między –mikro, a makroelementami nie podlega tak naprawdę na ich

ilościowym udziale w budowie naszego ciała; podlega przede wszystkim na tym, – jakie
spełniają funkcje.
Makroelementy są „głupim” budulcem; mikroelementy są „inteligentnymi” regulatorami
czynności tego budulca. To jest jedno z podstawowych kryteriów kwalifikacji. Są jeszcze inne
elementy, które mają właściwości pośrednie – tu trzeba powiedzieć o magnezie i żelazie, a w
pewnym sensie również o wapniu. Wapń w równym stopniu jest budulcem jak i regulatorem
mnogich procesów.

Z pierwiastków powstają związki chemiczne i wśród tych związków chemicznych

możemy wyróżnić nieorganiczne, z którego najważniejszym składnikiem naszego organizmu
jest woda.
Stanowi ona, co najmniej 55 ÷ 60% składu naszego ciała. A jeżeli jesteśmy bardzo młodym
człowiekiem, noworodkiem, lub nawet zarodkiem w łonie matki, to woda może stanowić
nawet 98% masy naszego ciała.

Właściwości wody są kapitalne dla życia, a kilka z nich jest wręcz szczególnie

ważnych z punktu widzenia fizjologii pracy.
Wymienić należy:

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

ciepło właściwe (możemy dzięki temu magazynować w naszym organizmie dużą ilość
ciepła;

ciepło parowania i zamarzania (wysokie ciepło właściwe parowania gwarantuje nam
to, że odparowanie minimalnej ilości wody pozwala ochłodzić nasze ciało, zaś wysokie
ciepło zamarzania gwarantuje nam to, że woda zamarzająca wokół nas w jeziorach,
rzekach, morzach, pozwala chronić mikroklimat Ziemi, a zarazem jest warunkiem
istnienia życia w ogóle na Ziemi.

anormalna rozszerzalność termiczna – to jest normalna kwestia, natomiast polarność
cząsteczek wody, czyli dipolowy charakter cząsteczki wody, polega to na tym, że
każda cząsteczka wody zbudowana z jednego atomu tleniu i dwóch atomów wodoru,
tak poprzemieszczała wewnątrz siebie elektrony, że wodory zostały w nich częściowo
„odsłonięte”, dzięki czemu prezentują światu zewnętrznemu dodatni ładunek
elektryczny, natomiast „żarłoczny” atom tleniu skupił je na sobie, dzięki czemu
prezentuje światu ujemny ładunek elektryczny.

Tym samym cząsteczka wody staje się dipolem, a dipole maja to do siebie, tak są
zorganizowane, że odpowiednimi końcami się przyciągają, zgodnie ze znanymi prawami
elektrostatyki. Czyli dodatnie końce cząsteczki wody utworzone przez wodory przyciągają
ujemne końce innych cząsteczek wody utworzone oczywiście przez tlen.

To powoduje, że woda sama w sobie ma tendencje do samoorganizacji. Cząsteczki

wody przyciągają się na tyle mocno, że mogą na powierzchni wody tworzyć „błonkę”, po
której może pływać np. 10-cio groszówka.

To, że woda nie chce się rozpadać, tylko opada na ziemię w postaci kropli, to również

tego konsekwencja. To, że w postaci ludu tworzy piękne kryształy, to również tego
konsekwencja.
Taka „konstrukcja” cząsteczki wody oznacza jednocześnie, że każdy innych związek, w
którym w różny sposób porozmieszczane są ładunki dodatnie i ujemne i który też jest polarny
doskonale rozpuszcza się we wodzie. Każdy związek, który jest apolarny, który ma idealnie
równo rozmieszczone elektrony między swoimi atomami wodoru, tlenu czy czegokolwiek
innego bardzo źle rozpuszcza się we wodzie i to są jedne z bardzo ważnych aspektów
zjawisk toksykologicznych.

Bowiem skuteczność trucizn zależy bezpośrednio od tego, czy ich cząsteczki

rozpuszczają się we wodzie czy nie. Natomiast pośredni zależy od tego, jak rozmieszczone
są ich elektrony.
Dalej musielibyśmy wymienić sole, kwasy, tlenki, itd.... .

Związki organiczne budujące ciało człowieka.
Związki organiczne należy wyprowadzić ze związków węgla i wodoru, od prostych do bardzo
złożonych i rozbudowanych.

Dalej możemy mówić o alkoholach, prostych i nieco bardziej złożonych – takich jak np.

etanol czy gliceryna (zwana glicerolem) – alkohol trójwodorotlenowy, glikol - alkohol
dwuwodorotlenowy.

Dalej aldehydy i ketony, które w większości są silnymi truciznami – do pewnych ilości i

w pewnych przetworzeniach występują w naszym organizmie; kwasy organiczne: kwas
octowy, kwas mlekowy ~ jogurt, kefiry, ogórki kiszone, kapusta kiszona, salami. Kwas
mlekowy powstaje również w organizmie człowieka w pewnych procesach.
Izotermoidy [?] – jak nazywamy barwnik marchewki – karoten; steroidy – w tym cholesterol
(skądinąd bardzo pożyteczny związek w organizmie człowieka) i jego pochodne – w tym
testosteron oraz prostesteron, progesteron, estragen.
Aminy, w tym adrenalina i inne aminogenne.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Związki heterocykliczne, do których można zaliczyć hemoglobinę – jedno z najbardziej
skomplikowanych reprezentantów.

Hemoglobina (oznaczana również: Hb lub HGB) - czerwony barwnik krwi, białko zawarte w
erytrocytach, którego funkcją jest przenoszenie tlenu - przyłączanie go w płucach i
uwalnianie w tkankach. Mutacje genu hemoglobiny prowadzą do chorób dziedzicznych:
anemii sierpowatej, talasemii lub rzadkich chorób zwanych hemoglobinopatiami.
Cząsteczka hemoglobiny jest tetramerem złożonym z dwu podjednostek (białek) alfa i dwu
podjednostek beta. Podjednostki nie są związane kowalencyjnie. Każda podjednostka
zawiera, jako grupę prostetyczną (niebiałkową), cząsteczkę hemu. Cząsteczka hemu
zawiera położony centralnie atom żelaza umożliwiający jej wiązanie cząsteczek tlenu. Jedna
cząsteczka hemoglobiny może przyłączyć cztery cząsteczki tlenu. Hem nadaje białku (i krwi)
czerwony kolor.

Cukry, które dzielimy na bardzo rozbudowany szereg związków, w tym cukry proste:

Można podzielić je ze względu na liczbę atomów węgla na: triozy, tetrozy, pentozy, heksozy,
heptozy. Zróżnicowanie podstawowe polega na tym, że mogą zawierać różną ilość atomów
węgla, natomiast posiadają pewną charakterystyczną cechę wspólną – są
hydroksyaldehydami, hydroksyketonami, czyli muszą być zarazem alkoholami i aldehydami
bądź ketonami.
Następna grupa związków:

aminokwasy – bez nich nie byłoby życia w takiej postaci, jakiej istnieje;

[20 aminokwasów białkowych – w encyklopedii tabela ~ nie są wymagane]
Z tych prostych związków organicznych nasza biologia konstytuuje się za pośrednictwem
związków złożonych.
Złożone związki organiczne, to przede wszystkim:

nukleodyty,

porfiryny,

witaminy,

tłuszczowce,

cukrowce,

białka,

kwasy nukleinowe.

Żeby powstawały najbardziej złożone związki organiczne potrzebne są im pewne szczególne
właściwości, sprowadzające się do obecności grup funkcyjnych:

karboksylowych,

aminowych,

[?].

Powstawanie złożonych związków organicznych ze związków prostych opiera się na
wiązaniu się grup o charakterze kwasowym z grupami o charakterze zasadowym lub
alkoholowym.
Podczas takiego wiązania formalnie następuje wydzielenie cząsteczek wody, czyli jest to
wiązanie bezwodnikowe.
Mamy 3 takie wiązania bezwodnikowe:

wiązanie estrowe w tłuszczach właściwych, tłuszczach złożonych i w kwasach
nukleinowych;

wiązanie glikozydowe w cukrach;

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

wiązanie aktydowe w białkach.

Każde z nich powstaje wskutek formalnego wydzielenia wody z dwóch współreagujących
cząsteczek.
Możemy się domyślać, że najprostszym sposobem przerwania tego wiązania jest dołożenie
na powrót cząsteczki wody, czyli proces hydrolizy.
Hydroliza w przypadku naszej funkcji biologicznej, to nic innego jak trawienie, jakie zachodzi
w przewodzie pokarmowym.
Ale nie tylko tam.

Te złożone związki organiczne cechują się bardzo skomplikowaną strukturą; mamy

ograniczoną liczbę rodzajów jednostek struktury złożonych związków organicznych, z których
możemy zbudować nieomal wszystko – np. w biologii: wszystko, co żyje i funkcjonuje.
Co zbudujemy, zależy w głównej mierze od tego, jakich związków i w jakiej ilości użyjemy.
Ten poziom komplikacji budowy organizmów (budowy związków złożonych) nazywany jest
sekwencją – tj. ilość, jakość i kolejność ułożenia wybranych związków prostych w konstrukcji,
którą tworzymy.

Ponieważ każdy związek prosty ma swoje charakterystyczne właściwości, ich ilość,

jakość i kolejność użycia jednoznacznie nieomal determinuje to, co może zostać zbudowane.
Wszystko to, co zaczyna się od sposobu łączenia tych wybranych elementów w wybranej
kolejności nazwane jest razem konformacją.

Konformacja - zdolność do przyjmowania przez jednakowe oprócz tego cząsteczki
chemiczne różnych kształtów przestrzennych, bez zrywania wiązań chemicznych.
Zdolność do przyjmowania różnych konformacji przez cząsteczki można sobie wyobrazić na
przykładzie zmian kształtu zwykłego metalowego łańcucha. Łańcuch może być np.:
wyprostowany, zwinięty w kulkę, lub nawet zapętlony bez konieczności zrywania i
ponownego łączenia poszczególnych jego ogniw.
Cząsteczki, które posiadają ten sam układ wiązań i atomów, ale różniące się kształtem
nazywamy izomerami konformacyjnymi.

Określone cząsteczki muszą się ze sobą łączyć w ściśle określonej geometrii. Z

kształtu aminokwasów i obowiązku ich łączenia się wynika drugorzędowa struktura białka, a
dalszą konsekwencją tego jest to, że tak powstała struktura może się zwijać w rozmaity
sposób, zaczynają powstawać „grudki” struktury organicznej przyjmującej określony kształt.

Ten kształt, który powstaje na tak złożonej drodze możemy porównać do kształtu

narzędzia (śrubokręt, klucz, młotek, itp.).
Ten złożony kształt cząsteczek przybierany na tej złożonej drodze kolejnych rzędów
komplikacji budowy cząsteczki powoduje, że cząsteczki stają się narzędziem do
wykonywania życia.

Narzędziem, które jest enzymem, kanałem błonowym, lub czymkolwiek innym –

spełniającym jakąś ważną funkcję życiową w organizmie. [znać tabelkę z wykładu – folia
rzutnika].
Ta zasad dotyczy wszystkich czterech związków organicznych budujących nasze ciało, a
dotyczy również tłuszczowców.
Krótko mówiąc kształt cząsteczki chemicznej, czyli to, co dzieje się na 5-tym, 6-tym, 7-ym
poziomie komplikacji budowy, decyduje o tym, co ta cząsteczka robi w naszym organizmie i
ten fakt jest podstawową informacją w biologii życia.

Umiejętność dopasowania cząsteczek wzajemnie do siebie decyduje o możliwości

leczenia lub uszkodzenia. Zasada molekularnego dopasowania cząsteczek jest podstawową
funkcjonowania w biologii.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

W toksykologii to, że dana substancja chemiczna jest trująca oznacza nic innego jak

fakt, że dopasowuje się jak wytrych do zamka i otwiera zamek w naszym organizmie w
sposób niewłaściwy, lub w niewłaściwym momencie lub blokuje ten zamek dla prawdziwego
klucza, który ma go otworzyć. Tak działają trucizny – na zasadzie molekularnego
dopasowania.
Hormony istnieją w 3 kategoriach:

hormony jako pochodne aminokwasów,

hormony, które są białkami,

hormony, które są pochodną cholesterolu (przedrostek mówi, jaki to hormon:
androgeny, estrogeny, itd.).

Kolejne ważne z tych składników, to witaminy i koenzymy.
Witaminy są częścią roboczą białkowego narzędzia do wykonywania życia. Witaminy, z
których powstają koenzymy – jest między nimi bezpośredni związek. Koenzym A będący
pochodną witaminy zwanej pantacyną [?], koenzym o skrócie NAD

NAD (dinukleotyd nikotynamidoadeninowy)
Struktura chemiczna NAD. A - forma utleniona. B - forma zredukowana
Cząsteczka NAD jest dinukleotydem składającym się z adenozyno-5'-monofosforanu i
nukleotydu nikotynamidowego połączonych ze sobą wiązaniem bezwodnikowym.
Cząsteczka NAD+ wiąże jeden proton i dwa elektrony. Miejscem ich działania jest amid
kwasu nikotynowego. Drugi proton pozostaje w środowisku reakcji. Zredukowany NAD+
(NADH) przekazuje proton i elektrony na mitochondrialny łańcuch oddechowy, gdzie poprzez
wiele ogniw pośrednich są one przekazywane na tlen, tworząc H

O. Procesowi temu

towarzyszy powstawanie energii magazynowanej w postaci ATP.

Kolejny koenzym FAD: FAD, dinukleotyd flawinoadeninowy - koenzym pełniący funkcję
przenośnika elektronów i protonów (wodoru).
Wszystkie one pochodzą z odpowiednich witamin: pantacyny, niacyny, ryboflawiny,
kobalaminy.
Notacje popularnie stosowane tych witamin, to: B2, B12. Dotyczy to dokładnie wszystkich
witamin np. A, B, C. Witaminy współdziałają z białkami w bardzo złożonej strukturze.

Co robią w naszym organizmie białka?
Białka spełniają ok. 8 podstawowych funkcji.

białko może być budulcem – takim jak keratyna naszych włosów, czy kolagen
budujący skórę i paznokcie;

białka enzymatyczne (pepsyna, cytochromy ~ podzielone na 6 klas);

białka – hormony i neuroprzekaźniki (np. insulina – hormon wzrostu, endorfiny -
naturalna substancja białkowa, której działanie imituje morfiny i jej pochodne.

Mamy przykład na dopasowanie molekularne – receptory białkowe – hormony i neurogeny
muszą działać na komórki poprzez białka zwane receptorami; każda komórka naszego ciała
obładowana jest na swojej powierzchni milionami cząsteczek białek, wśród których są białka
wrażliwe na hormony, które „mówią” komórce, że w organizmie pojawił się hormon, a przez
to wskazują komórce, co ta komórka ma robić.

Na każdej komórce znajdują się białka antygenowe (takie jak np. antygen grupowy

krwi).
W osoczu krwi lub na komórkach krwi znajdują się białka zwane przeciwciałami.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Miedzy antygenami, a przeciwciałami występuje taka zależność, że antygen to „dowód
tożsamości” komórki, a przeciwciała to są „sprawdzacze” tej tożsamości, a jeżeli
sprawdzenie wypadnie negatywnie – to eliminują obcych.
To są nasze zdolności do osobniczej obrony przed bakteriami, wirusami i grzybami.

białka transportowe – każda komórka wyposażona jest w białka przeznaczone do
transportu ważnych substancji (ważne są tutaj kanały błonowe, pompy błonowe).

Wszystko to pozostaje pod kontrolą genetyczną kilkuset tysięcy białek budujących nasz
organizm, a w tych białkach jest zapisane w ramach informacji genetycznej w jądrze każdej
komórki. W każdej komórce znajduje się zbiór informacji jak mają być zbudowane białka by
spełniały te wszystkie złożone funkcje.
Kształt cząsteczek biologicznych determinuje ich funkcję, co opisywane jest w kategoriach
dwóch powszechnie znanych zasad:

enzym jest dopasowany do substratu,

hormon – mediator nerwowy jest dopasowany do receptora na powierzchni komórek,

antygen jest dopasowany do przeciwciała,

białka transportowe do tego, co transportują.

Tak złożone związki organiczne budują organella. Większość rzeczy w naszym organizmie
rozgrywa się na powierzchni błon cytoplazmatycznych.
Błona cytoplazmatyczna jest zbudowana z tłuszczów; te tłuszcze błon cytoplazmatycznych
są zorganizowane w sposób warstwowy. Ale są to dwie warstwy pojedynczych molekuł
tłuszczu i w tych warstwach zatopione są (zakotwiczone) duże cząsteczki białek.
[rysunek na folii].

Są tu odpowiednio zorganizowane cząsteczki tłuszczowca; każda cząsteczka

tłuszczowca ma umowną połówkę, która jest hydrofilowa („lubi się z wodą”) i dwa ogonki,
które są hydrofobowe („nie lubią się z wodą”) i przyklejają się do tłuszczów. Zatem warstwy
tłuszczów są do siebie zwrócone ogonkami, a na zewnątrz zwrócone do wody główkami. W
tych główkach jest glicerol, a ogonki utworzone są z wyższych kwasów tłuszczowych.

W tak zbudowaną podwójną taflę wbite są białka [rysunek], które mogą być kanałami

(białka z dziurką w środku; przez tę dziurkę może z zewnątrz coś napływać w sposób
precyzyjnie kontrolowany przez komórkę).
Inne białko wbudowane w błonę może być enzymem. Także błony tworzą wewnątrz komórki
liczne woreczki. Jeden z takich woreczków wewnątrz komórki nazywa się mitochondrią.

Mitochondrium (w liczbie mnogiej Mitochondria) - organellum komórki eukariotycznej
pochodzenia, endosymbiotycznego, w którym zachodzą procesy będące głównym źródłem
energii (w postaci ATP) dla komórki, w szczególności proces fosforylacji oksydacyjnej.
Mitochondria posiadają własny genom. Genom mitochondriów jest nieduży - koduje tylko
kilkanaście do kilkudziesięciu białek z kilkuset białek niezbędnych do funkcjonowania
mitochondrium.
Przeciętna komórka eukariotyczna zawiera kilkadziesiąt do kilkuset tysięcy mitochondriów.
Przyrost ich liczby jest możliwy dzięki zdolności tego organellum do podziału,
przebiegającego podobnie jak podział wolno żyjących bakterii.
Mitochondrium otaczają dwie błony białkowo-lipidowe, zewnętrzna i wewnętrzna. Błona
wewnętrzna tworzy wypuklenia - grzebienie mitochondrialne, w których zakotwiczone są
enzymy łańcucha oddechowego. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna,
transport przez nią zachodzi na zasadzie czółenek (np. karnitynowe dla kwasów
tłuszczowych), co umożliwia wytworzenie gradientu protonowego niezbędnego do działania
łańcucha oddechowego. Wnętrze wypełnione jest matriks mitochondrialną- macierz
mitochondrialna jest to rodzaj żelu - wodnego roztworu białek i metabolitów zużywanych na

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

potrzeby mitochondrium. Białkami wewnętrznymi mitochondrium są wszystkie enzymy beta
oksydacji kwasów tłuszczowych, cyklu Krebsa, syntezy steroidów itp.
U ssaków mitochondria płodu pochodzą wyłącznie z komórki jajowej (plemnik tworząc
przedjądrze męskie pozostawia wszystkie swoje organella poza komórką jajową), u wielu
innych organizmów (np. owady) jednak plemnik wnika do komórki jajowej razem z własnymi
mitochondriami. W związku z tym mitochondria dziedziczymy wyłącznie w linii matczynej, "po
kądzieli", a geny mitochondrialne nie ulegają rearanżacji przez rekombinację. Z tego powodu
geny mitochondrialne porównywano dla ustalenia, kiedy żyła kobieta, od której pochodzą
wszystkie aktualne mitochondria, nazwana niefortunnie przez prasę Ewą mitochondrialną, co
mylnie sugeruje jedynego przodka wszystkich ludzi. Wyniki wskazują na ok. 200 tysięcy lat i
Afrykę, z dużym marginesem błędu (kilkadziesiąt tysięcy lat). Wyniki te, podobnie jak wiele
innych badań genetycznych, wspierają hipotezę "Pożegnania z Afryką", zgodnie z którą
człowiek współczesny wyewoluował w Afryce i stamtąd kolejnymi falami migracji zaludniał
Ziemię. Pokazują jednak historię zaledwie jednego fragmentu naszego genomu.

Ma on podwójne ścianki; zewnętrzną gładką i wewnętrzną szalenie pofałdowaną.
Co robią mitochondria?
W mitochondrii zachodzi proces katabolizmu, czyli pozyskiwania energii do wszystkich
procesów życiowych – bezwarunkowo istotny dla życia proces dla wszystkich organizmów,
które oddychają tlenem.
W mitochondriach zachodzi najbardziej ekologiczny proces pozyskiwania energii na świecie
– mianowicie spalanie wodoru w tlenie.
Energia tego spalania jest przechwytywana przez liczne białka uczestniczące w tym procesie
– m.in. przez koenzymy NAD, FAD i kilka innych oraz przez cytochromy.
Dzięki temu przechwyceniu ta energia staje się energią użyteczną, a jedyną użyteczną formą
energii w naszym ciele jest ATP – adenozynotrójfosforan

ATP
ATP (adenozynotrifosforan) - jeden z najważniejszych nukleotydów w komórce, pełniący
funkcję uniwersalnego przenośnika energii.
Funkcje ATP
Jest uniwersalnym akumulatorem i przenośnikiem energii. Jeden z wielu w organizmie
związków, z którego czerpie on energię do życia i jego przejawów. Wszystkie procesy
energetyczne służą, w końcowym rozrachunku, do tworzenia ATP lub jego redukcji. Związek
ten nie jest magazynowany, tylko tworzony na bieżąco.
Właściwości chemiczne
Cząsteczka ATP jest nukleotydem składającym się z zasady azotowej - adeniny połączonej
wiązaniem N-glikozydowym z cząsteczką cukru - rybozy i trzech reszt fosforanowych
połączonych ze sobą dwoma wiązaniami bezwodnikowymi. Reszty fosforanowe są
oznaczane w ogólnie przyjętej notacji greckimi literami α, β i γ.
Źródłem energii w większości procesów biochemicznych przebiegających z udziałem ATP
jest hydroliza wiązania bezwodnikowego pomiędzy resztami β i γ zgodnie z równaniem
reakcji:
ddtertet H

O → ADP + Pi

W wyniku tego procesu powstaje cząsteczka ADP oraz anion fosforanowy (Pi).
Rzadziej dochodzi do rozpadu ATP na AMP i pirofosforanu w wyniku hydrolizy wiązania
bezwodnikowego pomiędzy resztami α i β:
ATP + H

O → AMP +PPi

Wydziela się przy tym mniej energii niż przy dwóch rozpadach ATP do ADP.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Występowanie rybozy (brak deoksyrybozy) w tak ważnej dla procesów życiowych
cząsteczce jest uważane za relikt Świata RNA.

Ten proces zachodzi w mitochondriach. W innych strukturach zwanych rybosomami lub
polpirosobami [?] powstają wszystkie narzędzia niezbędne do kontynuowania funkcji
życiowych – białka.

Rybosomy - organella służące do produkcji białek. Rybosomy występują u wszystkich
organizmów żywych, zarówno u prokariontów (bakterie, archeony) jak i eukariontów
(pierwotniaki, rośliny, zwierzęta) a także we wnętrzu organelli półautonomicznych -
chloroplastów i mitochondriów. Rybosomy prokariontów i organelli półautonomicznych są
mniejsze i wrażliwe na inne toksyny niż ich eukariotyczne odpowiedniki.
U eukariontów rybosomy mogą być "wolne", to znaczy mogą swobodnie pływać w
cytoplazmie (służą one do syntezy białek nie eksportowanych poza komórkę- enzymy
wewnątrzkomórkowe, białkowe elementy błon komórkowych i inne) lub przyczepione do
retikulum endoplazmatycznego (w tych następuje synteza białek eksportowanych poza błony
komórki - hormony białkowe, kolagen, nici elastynowe dla tkanki łącznej i wszystkie białka
produkowane "na eksport"). Każdy rybosom jest zbudowany z dwóch podjednostek: małej i
dużej. Obie podjednostki są zbudowane z białek i rRNA (rybosomowy RNA).

Są jeszcze inne struktury: centrosom, który tworzy w szczególnych przypadkach witki, rzęski,
itp. rzeczy. Ma on bardzo precyzyjną budowę złożoną z białek; te białka są poukładane jak
długie rurki ciągnące się na wiele nanometrów (pikometrów) w przestrzeni komórki; struktura
białek jest bardzo precyzyjnie zorganizowana – tworzą one taki cylinder i dzięki temu może
się to kiwać na koszt energii pozyskiwanej z ATP.
I to, na co dzień dzieje się w drogach oddechowych i w kilku innych miejscach – jest bardzo
ważne przy oczyszczaniu powietrza z pyłów.

Centrosom - inaczej centrum mitotyczne, centrosfera, cytocentrum - wyspecjalizowana
struktura w pobliżu jądra komórkowego, ośrodek formowania mikrotubul wrzeciona
podziałowego oraz mikrotubul szkieletu komórkowego w interfazie. Składa się z pary centrioli
i "wyrastających" z nich mikrotubuli. W okresie poprzedzającym podział komórki centrosom
ulega duplikacji (podwojeniu). W rezultacie powstają dwa centrosomy, każdy z dwiema
centriolami. Wtedy to mikrotubule szkieletu komórkowego ulegają depolimeryzacji (zanikają)
a wytwarzane miktorubule wrzeciona kariokinetycznego powodują rozsunięcie się centrioli do
przeciwległych biegunów komórki.

Siateczka śródplazmatyczna szorstka jest miejscem produkcji białek – na niej bowiem siedzą
rybosomy i dlatego jest ona szorstka. Zaś gładka siateczka śródplazmatyczna – ta siateczka
to są błony biologiczne (podwójne tafle lipidów), które pokrywają komórkę z zewnątrz, zaś
wewnątrz dzielą ją na mniejsze przestrzenie – na szereg woreczków, kanalików itp. Komórka
jest w środku idealnie poszatkowana przez siateczkę środplazmatyczną dwóch rodzajów –
gładka siateczka śródplazmatyczna jest obładowana licznymi białkami, których podstawową
funkcją jest niszczenie trucizn powstających wewnątrz organizmu albo dostających się do
organizmu z zewnątrz.
Jest system cytochromu P450.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Cytochrom P450
Pod nazwą Cytochrom 450 kryje się rodzina enzymów wykazujących aktywność
monooksygenazy. Występują powszechnie w niemal wszystkich tkankach, największą
aktywność wykazując jednak w wątrobie i rdzeniu nadnerczy. Nie stwierdzono ich obecności
w dojrzałych erytrocytach i mięśniach szkieletowych. W genomie człowieka znane jest około
150 różnych genów (ich nazwy zaczynają się od CYP) kodujących różne cytochromy P450.
Spotykane w różnych taksonach, także w obrębie królestwa Procaryota.
Budowa.
Są to transbłonowe białka o masie cząsteczkowej 50-55 kDa, związane z błoną retikulum
endopalzmatycznego oraz wewnętrzną błoną mitochondrialną. Zawierają hem jako grupę
prostetyczną. Po związaniu in vitro z tlenkiem węgla(II) większość z nich wykazuje wyraźne
maksimum absorpcji światła przy długości fali równej 450 nm.
Funkcje.
Cytochrom P450 katalizuje reakcję hydroksylacji przebiegającą zgodnie z sumarycznym
wzorem:
RH + O

+ NADPH + H+ → ROH + H

O + NADP+

Reakcja ta odgrywa bardzo ważną rolę w syntezie cholesterolu ze skwalenu, a także w
dalszych przekształceniach cholesterolu w hormony steroidowe i sole kwasów żółciowych.
Cytochrom P450 jest ważnym elementem w metabolizmie ksenobiotyków, zwłaszcza o
charakterze hydrofobowym. Produkty metabolizmu zwykle są bardziej hydrofilowe od
substratów, co sprzyja ich dalszemu metabolizowaniu i wydalaniu. Bierze również udział w
przemianach kwasów tłuszczowych i eikozanoidów.
Oprócz reakcji hydroksylacji katalizuje również epoksydację, dealkilację, oksydacyjną
deaminację, (np. w metabolizmie amfetaminy), N- oraz S-oksydację i dehalogenację. Bierze
również udział (obok dehydrogenazy alkoholowej) w detoksykacji alkoholowej. Wszystkie te
reakcje wymagają obecności tlenu i NADPH.
Większość form cytochromu P450 wykazuje niską specyficzność do substratu, katalizując
przemianę wielu różnych substancji, także takich, z którymi organizm nie miał kontaktu w
rozwoju filogenetycznym (a więc nie miał możliwości ewolucyjnego wykształcenia enzymów
o odpowiedniej specyficzności. Niska specyficzność substratowa cytochromu P450 jest tu
przystosowaniem ewolucyjnym do metabolizowania szerokiego spektrum ksenobiotyków).
Czas trwania wielu leków jest związany z ich inaktywacją przez cytochrom P450. Ze względu
na to często jest obiektem zainteresowania farmakologii.
Mechanizm działania.
Cytochrom P450 jest końcowym elementem łańcucha przekazu elektronów, z którego
przenoszone są one na jeden atom tlenu w cząsteczce O

, redukując go do cząsteczki H

Drugi atom jest włączany w substrat. Procesowi nie towarzyszy fosforylacja oksydacyjna.
Po związaniu substratu z grupą hemową, przyjmuje ona elektron z NADPH, czemu
towarzyszy redukcja Fe3+ do Fe2+, co umożliwia związanie cząsteczki O

. Następnie

następuje przyjęcie drugiego elektronu i przegrupowanie ładunku, wskutek czego żelazo
zyskuje stopień utlenienia +3, a tlen -2. Następnie jeden atom z cząsteczki tlenu ulega
redukcji do H

O, a drugi atom - rodnik O', przypuszcza atak na cząsteczkę substratu.

Końcowym etapem cyklu przemian jest odłączenie cząsteczki produktu i odtworzenie
cząsteczki cytochromu.
Mechanizm redukcji cytochromu P450 związanego z błonami retikulum endoplazmatycznego
i z wewnętrzną błoną mitochondrialną jest różny.
* W błonach retikulum endoplazmatycznego elektrony są przekazywane bezpośrednio z
NADPH na cytochrom, przy udziale kompleksu reduktazy NADPH-cytP450 będącego
flawoproteiną, zakotwiczoną w jednej warstwie błony łańcuchem hydrofobowym. Dla

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

niektórych form cytochromu P450, przy przekazywaniu drugiego elektronu w cyklu może
brać udział cytochrom b5 i reduktaza cytb5-cytP450, będąca również flawoproteiną.
* W wewnętrznej błonie mitochondrialnej, elektrony z NADPH na cytochrom P450
przekazywane są poprzez peryferyczne w stosunku do błony białka reduktazę NADPH-
adrenodoksyna i adrenodoksynę.
Istnieje bardzo wiele białek wykazujących aktywność cytochromu P450. Jak zostało
napisane wyżej, na poziomie organizmu funkcjonuje wiele genów kodujących różne formy
cytochromu P450, które dodatkowo wykazują znaczny polimorfizm w obrębie populacji.
Cytochrom P450 jest silnie inaktywowany przez cyjanki oraz tlenek węgla(II), które wiążąc
się mocno z żelazem grupy hemowej blokują miejsce aktywne enzymu.

Procesy katabolizmu – wszystkie reakcje w naszym organizmie znajdują się w pewnym
stadium równowagi – chomeostazy, wszystko, co się dzieje jest idealnie zbilansowane z
dopływem i odpływem materii i energii do świata zewnętrznego. Wszystkie reakcje
podporządkowane są regule Le Chateliera i Brauna – regule przekory, mówiącej, że reakcja
zawsze zmierza w kierunku zachowania pierwotnego stanu – przeciwdziała zakłóceniu.

Homeostaza (gr. homoíos - podobny, równy i stásis - trwanie) stan równowagi dynamicznej
środowiska, w którym zachodzą procesy biologiczne. Zasadniczo sprowadza się to do
równowagi płynów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych. Homeostaza jest podstawowym
pojęciem w fizjologii. Pojęcie to jest także stosowane w psychologii zdrowia dla określenia
mechanizmu adaptacyjnego.

Wszystkie reakcje w naszym organizmie zachodzą dzięki katalizie enzymatycznej.

Enzymy wszystkich 6-ciu klas przyspieszają przebieg wszystkich reakcji.

W mitochondriach następuje spalanie wodoru w tlenie. Dla zapoczątkowania tego

spalania wodoru w tlenie potrzeba dostarczenia energii (płomienia, iskry) dla przekroczenia
progu energetycznego reakcji. W mitochondriach tego nie potrzeba, kataliza enzymatyczna
przez koenzymy i cytochromy powoduje, że dzieje się to „na zimno”; te białka katalitycznie
chwytają wodór i tlen i zderzają je ze sobą, a tym samym ułatwiają wodorowi i tlenowi
wzajemne spotkanie bez udziału wysokiej temperatury.

Każda reakcja chemiczna to nic innego jak zderzanie cząsteczek, więc enzymy

pomagają w tym zderzaniu wzajemnie orientując względem siebie reagujące cząsteczki i tak
jest właśnie w mitochondriach, i taka jest rola katalizatorów – reakcja wodoru z tlenem bez
udziału inicjatora w postaci ognia przebiega spokojnie i w niskich temperaturach.

Ale potężna energia, która zgodnie z prawami fizyki musi być wydzielona w trakcie

reakcji wodoru z tlenem i w mitochondriach musi zostać wydzielona, tylko, że tam, dzięki
kolejnym enzymom może zostać przechwycona na ATP.
Uniwersalny nośnik energii – ATP (adenozynotrifosforan), czyli związek złożony z nukleotydu
adeniny, kwasu fosforowego i cukru rybozy. Kwas fosforowy występuje trzykrotnie w tym
związku i ma on w swojej budowie to charakterystycznego, że to potrójne połączenie kwasu
fosforowego może zostać dzięki procesowi hydrolizy (dołączenie cząsteczki wody przez
odpowiednie enzymy – ponownie mamy do czynienia z katalizą) przeprowadzonej w ten
sposób, że ATP rozkłada się na adenozynomonofosforan i dwie cząsteczki fosforanu – z tego
dostajemy od 12 ÷ 16 kcal/mol rozpadającego się ATP.

Drugi sposób rozkładania się ATP prowadzi do związku, w którym są jeszcze z cukrem

i anedozyną połączone dwie reszty fosforanowe. W tym układzie dostajemy w zysku 7
kcal/mol (energii na mol rozkładającego się ATP).
I jeszcze kilka innych sposobów – m.in. taki sposób, gdzie odpadają nam połączone ze sobą
dwa fosforany (zysk ok. 7 kcal/mol) i kilka innych możliwości.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Podczas spalania w naszych komórkach glukozy – uzyskujemy ok. 680 ÷ 740 kcal

energii, z czego 40% jest przechwytywane przez te wiązania pomiędzy resztami
fosforanowymi w ATP czyli na czysto uzyskujemy ze spalania cząsteczki glukozy ok. 260 kcal
energii na mol glukozy.
Ile to jest mol glukozy? To jest ok.180 g glukozy.

Jak przebiega ten proces wyłapywania energii podczas oddychania komórkowego?

Zaczyna się od przygotowania glukozy do uwolnienia energii; ten proces przygotowania
nazywa się glikolizą i można powiedzieć, że jest to układ zasilany w paliwo surowe, jak w
przeróbce ropy lub węgla.
Żeby to paliwo pozyskać, to musimy je najpierw spożyć. Spożywamy je w postaci np. skrobi.
Jeżeli spożyjemy celulozę nie będziemy mieli z niej żadnego pożytku, bo nasze enzymy nie
potrafią się do tego dobrać, aby przeprowadzić hydrolizę.

Ze skrobią sobie świetnie radzą – ten etap mamy już za sobą - przy pomocy licznych

białek przenieśliśmy do komórki glukozę, i tak glukoza poddawana jest glikolizie. Obejmuje to
kilkadziesiąt zachodzących po sobie reakcji; ważne jest to, co jest na początku – ważna jest
glukoza, na końcu jest kwas pirogronowy. Glukoza ma 6 atomów węgla, kwas pirogronowy 3
atomy węgla, czyli w wyniku glikolizy następuje „rozłupanie” 6-cio węglowej cząsteczki
glikozy na dwie trójwęglowe cząsteczki kwasu pirogronowego.

Kwas pirogronowy (nazwa systematyczna: kwas 2-oksopropanowy, wzór ogólny
CH

COCOOH) to związek organiczny z grupy α-ketokwasów.

Kwas pirogronowy powstaje jako produkt metabolizmu węglowodanów, w trakcie procesu
nazywanego glikolizą. W środowisku komórki występuje w formie zdysocjowanej jako jon
pirogronianowy (pirogronian). Cząsteczka glukozy pęka przechodząc w dwa jony
pirogronianowe. Następnie pirogronian jest wykorzystywany przez organizm jako źródło
energii na dwa sposoby:
* przy wystarczającej ilości tlenu zachodzi cykl Krebsa, w wyniku którego zostaje on
rozłożony do wody i dwutlenku węgla,
* przy niewystarczającej ilości tlenu jest rozkładany do kwasu mlekowego w przypadku
zwierząt i etanolu w przypadku roślin i bakterii.
Pirogronian jest również wykorzystywany w organizmie do syntezy glukozy - jest
podstawowym substratem w procesie glukoneogenezy.

Żeby „rozłupać” – należy najpierw glukozę zaktywować – dodając jej energii; robi się

to oczywiście na koszt ATP. Po drodze powstają różne produkty pośrednie, które nazywają
się: fruktozo-1-6-dwufosforan, aldehyd fosfoglicerynowy – on już jest trójwęglowym
związkiem, ale ten związek jest bardzo obładowany wodorem i można go z tego wodoru
„oskubać”, co czyni koenzym NAD (dwunukleotyd nikotynamidoadeninowy). „Obskubując”
aldehyd z wodoru, sam koenzym przechodzi w postać uwodorowaną – zredukowaną, a dalej
toczy się proces przekształcania aldehydu w kwas.
Ten proces ma jedna znamienitą cechę: zainwestowana w ten proces ATP zwraca się z
nadmiarem.
Na „rozłupywanie” cząsteczek glukozy wkładamy 2 cząsteczki ATP, ale w sumie zyskujemy 4
cząsteczki ATP, czyli sam proces „łupania” glukozy nie tylko, że dostarcza nam związanego z
NAD wodoru, dostarcza nam na czysto trochę ATP.
Niestety, ma to swoje przykre konsekwencje – w wyniku „łupania” powstaje kwas
pirogronowy.

Niby jest to kwas spolegliwy, powstający w naszym organizmie, ale okazuje się

niestety, że jest za bardzo reaktywny - staje się on trucizną dla komórki, w której powstaje.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Ten proces nie może zatem przebiegać w nieskończoność, trzeba coś zrobić z tym kwasem
pirogronowym – usunąć go. Tym bardziej, że zgodnie z regułą Le Chateliera i Brauna ta
reakcja, mimo, że składa się z wielu reakcji zostałaby „zatkana” przez powstający na końcu
kwas pirogronowy i nie mogłaby dalej przebiegać. Trzeba więc kwas pirogronowy usunąć,
podobnie jak trzeba usunąć NADH – zredukowany dwunukleotyd.

Jakie mamy możliwości usuwania pirogrynianu?
1 – to oddychanie beztlenowe, czyli fermentacja; ta fermentacja w przypadku naszego
organizmu to fermentacja kwasu mlekowego, nie nazywamy jej fermentacją w odniesieniu do
człowieka – mówimy o tym jako o oddychaniu beztlenowym bez tytułu fermentacja, ale z
łatwością przeprowadzamy ten proces w innych warunkach: kwaśne mleko, kiszona kapusta,
kiszone ogórki, barszcz kiszony, mięso salami – tam zachodzi dokładnie ten proces.

Kwas mlekowy jest świetnym środkiem konserwującym, ale jest też doskonałym

sposobem na usunięcie kwasu pirogronowego i usuwanie NADH. Jest ten NADH na powrót
regenerowany do NAD i może zawrócić na początek tego cyklu.
Jaki z tego zysk? Jeżeli my albo inne organizmy nie mamy dostępu do tlenu, możemy mimo
wszystko pozyskiwać pewne ilości ATP - na wszystkie procesy życiowe w ramach
oddychania beztlenowego. Niestety, to kosztuje – kosztuje autokonserwację kwasem
mlekowym.

Jeżeli chcemy przeżyć, należy ten proces przerwać zanim się „zamarynujemy” lub w

jakiś sposób pozbyć się kwasu mlekowego. Nie jest to proces na całe życie – jest to proces
doraźny – na krótki czas. Nasze mięśnie mogą go uprawiać bezkarnie nie dłużej niż przez
1,5 minuty.
Inne komórki naszego ciała poza przewodem pokarmowym nie lubią kwasu mlekowego.

Dobrym rozwiązaniem tego problemu z wodorem i kwasem pirogronowym jest to, co

może się dziać w 3-cim etapie oddychania, mianowicie przetwarzanie kwasu pirogronowego
tak, aby uzyskać z niego wodór. Ten proces zachodzi w mitochondriach i nazywany jest
cyklem kwasów glukokarboksylowych albo cyklem Krebsa (cyklem kwasu cytrynowego).

Polega on na tym, że kolejny koenzym (a właściwie cała grupa koenzymów) i NAD i

FAD (koenzym A) razem „zmawiają” się na kwas pirogronowy i „obdzierają” go z wodorów tak
skutecznie, (pożyczając część wodorów z resztek wody), że razem odłączanych jest10
wodorów z jednej cząsteczki, ale ona tyle wodorów nie ma, więc zachodzi ta „pożyczka”
wodorów od wody. Ciągle odbywa się to w zgodzie z prawami fizyki i chemii, stale następuje
spadek energii w tym „obskubywanym” kwasie pirogronowym.
Mamy zatem koenzymy, które związały wodór, i mamy dodatkowo GTP (guanizyno
dufosforan - brata bliźniaka ATP), który przekształca się w guanizyno trójfosforan.

Co się z tym wszystkim dzieje ważnego?
Żeby ten proces mógł zachodzić potrzebny jest C4 – kwas szczawiowo – octowy, tj.
rusztowanie (imadło), na którym przytrzymywany jest kwas pirogronowy podczas uwalniania
go od wodoru.
Kwas szczawiowo – octowy wiążąc się z kwasem pirogronowym zmienia nazwę na – w
pierwszym etapie – na cytrynian, a potem podczas kolejnych etapów tego „obskubywania” z
wodoru przybiera kolejne nazwy – izocytrynian, alfaetoglutanal, bursztynian, jabłczan.
Opis tego procesu znajduje się w każdym podręczniku biologii.
W mitochondriach zachodzi najważniejszy proces naszego życia – spalanie wodoru w tlenie
(bezwybuchowe – łagodne) i po przeprowadzeniu bilansu wodoru i dojściu do ostatniego
elementu wytworzenia energii w naszym ciele – ten element to przenoszenie wodoru przez
wymieniane wcześniej koenzymy tak by mógł się on spotkać z tlenem.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

NAD, FAD, koenzym Q10, seria cytochromów B, C, A, - razem pozwalają pokojowo spotkać
się wodorowi z tlenem, utworzyć cząsteczkę wody, a podczas tego procesu kontrolowanego
spalania energia w 40% jest przechwytywana przez ATP; na przeniesieniu pary wodorów
przez ten łańcuch przenośników elektronów zlokalizowanych w mitochondriach zyskujemy 3
cząsteczki zregenerowanego ATP. Na tym polega oddychanie wewnątrzkomórkowe.

Jak wielka jest skala tego procesu w naszym organizmie?
Nasze mitochondria – jak nic nie robimy (np. leżenie martwym bykiem) odtwarzają w ciągu
dnia ze zużytego ATP ilość ATP równoważną masie naszego ciała – w ciągu jednego dnia!
Jeżeli przyłożymy się do ciężkiej roboty, to muszą to zwielokrotnić – nawet 10 – krotnie.
Taki jest obrót ATP i ADP w naszych mitochondriach.

W ten sposób poznaliśmy dwa główne sposoby zasilania naszego ciała w energię -

oddychanie beztlenowe, oddychanie tlenowe mitochondriami. Możemy je podsumować po
kolei na wszystkich etapach:

przygotowanie paliwa,

oderwanie wodoru,

spalanie wodoru w tlenie.

Możemy to wszystko zbilansować; zaczęliśmy proces od cząsteczki glukozy, która
pochodziła ze spożytej w pokarmie skrobi, ale również od spożytego tłuszczu. Tłuszcz musi
zostać rozłożony na glicerol - bo z tego składa się tłuszcz, i kwasy tłuszczowe. Kwasy
tłuszczowe – ileś tam powiązań CH

które są obrywane kolejno z łańcucha długiego na

kilkanaście węgli przez odpowiednie enzymy i wprowadzane do cyklu utylizacji wodoru w
mitochondriach.
Niestety na etapie FAD – to, od którego miejsca rozpoczyna się używanie wodoru – od NAD,
czy od FAD, determinuje, jaki jest zysk z tego wodoru.
Jeżeli zaczyna się od NAD – to mamy w zysku 3 cząsteczki ATP, jeżeli zaczyna się od FAD –
tylko 2 cząsteczki.

Drugi sposób pozyskiwania energii to sposób „obskubywania” z wodorów kwasów

tłuszczowych; glicerol powstający z tłuszczów rozpadających się na glicerol właśnie i kwasy
tłuszczowe, również utylizowanych tym samym szlakiem, co glukoza. Glicerol wskakuje w ten
łańcuch przemian glukozy na etapie glikozy – tam, gdzie jest kwas fosfoglicerydowy. W
bardzo podobne reakcje mogą wchodzić też aminokwasy, ale próba włączenia aminokwasów
w proces pozyskiwania energii jest poważnym błędem z dwóch przyczyn – po pierwsze,
dlatego, że aminokwasy zawierają mniej energii niż tłuszcze; po drugie, dlatego, że
aminokwasy budują białka, które są konstrukcją naszego ciała. Nie można niszczyć budulca
ciała. Natomiast trzeba go od czasu do czasu odnawiać; wtedy warto zużyte aminokwasy z
tego budulca wykorzystać choćby nawet na potrzeby energetyczne.

Jest jeszcze trzecia przyczyna, dla której nie warto wykorzystywać aminokwasów jako

źródeł energii – aminokwasy zawierają azot. Ten azot występuje w nich w postaci związku
zbliżonego do amoniaku – jest to grupa aminowa, która ma niestety pewną przykrą
właściwość: zamienia się w amoniak, a amoniak obrzydliwie śmierdzi – jest to po prostu
zabójcza trucizna.

W związku z tym, jeżeli pozyskujemy aminokwasy do produkcji energii, to

automatycznie zatruwamy się produktami przemiany azotu, który jest w nich zawarty. I
musimy poświęcić całkiem spore ilości energii dla bezpiecznego usunięcia azotu z tego
aminokwasu.

Dlatego nie opłaca się spalać własnych białek, nie opłaca się wykorzystywać białek

jako głównego źródła pożywienia; znacznie korzystniejsze pod tym względem są tłuszcze i
cukry. I taki też jest skład naszej diety; białka powinny stanowić w niej ok. 10% (nie
wagowych, ale odpowiadające energii).

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Główną masę powinny stanowić cukrowce – to jest konsekwencja tych procesów
fizjologicznych.

Oprócz procesów uwalniania energii mamy jeszcze procesy jej wiązania. Jeżeli mamy

niewykorzystany z powodu jakiejś przyczyny mleczan – kwas mlekowy powstający w
procesach oddychania beztlenowego, to opłaca się go czasem nawrócić na właściwą drogę i
odtworzyć z mleczanu glukozę, a później glikogen jako cukier zapasowy naszych mięśni
(wielocukier zapasowy naszych mięsni) – bardzo podobny do skrobi; ten proces nazywa się
glukenogeneza.
Warto też czasami z aminokwasów, cukrów, ketokwasów, odtworzyć tłuszcze. Opłaca się w
wielu przypadkach przeprowadzić inne syntezy organiczne i wreszcie nawet syntezy
związków azotowych, które są potrzebne do budowy naszego ciała, aczkolwiek w dużej
części pobieramy je z zewnątrz w pokarmach.

Ważna jest ta ochronna synteza, pozwalająca nam użytkować odpadowe aminokwasy

zwane syntezą mocznika, gdzie dwutlenek węgla łączony w skomplikowanych bardzo
procesach z amoniakiem daje nieszkodliwy mocznik, który, na co dzień wydalamy razem z
moczem. I można mnożyć przykłady syntez, które wykorzystują energię pochodzącą z
procesów katabolicznych.

Doczytać: odczytywanie kodu genetycznego, odczytywanie informacji genetycznych.

Pobudliwość jako bardzo ważna cecha charakteryzująca nasz organizm.
I tutaj mieści się bardzo dużo ważnych zasad: podstawową cechą wszystkich organizmów
jest pobudliwość, czyli zdolność do czynnej - z wydatkowaniem energii zmagazynowanej lub
pozyskanej z ATP, zmiany stanu organizmu w odpowiedzi na zmianę środowiska, która
zarazem chroni ten stan organizmu.

Zatem każda pobudliwość wymaga intensyfikacji metabolizmu w komórkach, zatem

pobudliwość też na kaskadowym wzmocnieniu bodźca nawet bardzo znikomego.
Jest wiele etapów tej reakcji – wzmacniania, kolejnego wzmacniania bodźca zanim
wykonamy reakcję; kaskadowe wzmacnianie jest tutaj zasadą reagowania. Należy zwrócić
uwagę na to, że bodziec jest wyłącznie zmianą energii oddziaływań. Fizycznych na
organizm.

Bodźcem jest każda zmiana, – gdy zmiana zanika, zanika też bodziec.

Bodziec progowy, to w fizjologii i w fizjologii pracy, bodziec, który wykrywany jest z
prawdopodobieństwem 1/2. Każdy bodziec wykrywany jest z jakimś prawdopodobieństwem,
to jest ważne zjawisko w psychologii i fizjologii pracy.
Bodziec progowy charakteryzuje się 3-ma własnościami:

1. mocą fizyczną (energią) bodźca wyrażaną jest w watach [W];
2. czasem działania – zwany czasem użytecznym bodźca;
3. prawdopodobieństwem wykrycia.

Te trzy cechy są współzależne i na wykresie: moc – czas działania, układają się w hiperbolę,
– zatem istnieje wiele bodźców progowych różniących się od siebie odwrotnie
proporcjonalnym czasem i mocą działania, a nie jeden bodziec progowy (silny, krótki dźwięk
= długi, cichy dźwięk). [rysunek].

Do działania wszystkich bodźców na nasz organizm stosuje się jedno bardzo ważne i

ogromnie pomijane prawo ogólne – prawo logarytmicznej współzależności pomiędzy reakcją,
a mocą bodźca, zwanej prawem Webera - Fechnera.

Przykładem jest tutaj skala decybelowa dźwięków. Subiektywnie odbierana przez nas

głośność jest logarytmem fizycznej mocy bodźca; ale dotyczy to dokładnie każdego rodzaju
bodźca, który na nas działa. Prawa toksykologii, czyli relacje pomiędzy ilością podanej
trucizny, a jej skutkiem fizjologicznym też są temu zjawisku podporządkowane.

FIZJOLOGIA PRACY, wykład: 18.02.2006 r.

Prawo Webera - Fechnera - zasada mówiąca o relacji pomiędzy fizyczną miarą bodźca a
reakcją układu biologicznego. Dotyczy ono reakcji na bodźce takich zmysłów jak wzrok,
słuch czy poczucie ciepła. Jest to zasada fenomenologiczna będąca wynikiem wielu
obserwacji praktycznych i znajdująca wiele zastosowań technicznych.
Wartość reakcji układu biologicznego jest proporcjonalna do logarytmu bodźca.
w=k*ln(B/B0)
gdzie:
    * w - reakcja układu biologicznego (wrażenie zmysłowe)
    * B - natężenie danego bodźca
    * B0 - wartość początkowa natężenia danego bodźca
    * ln - logarytm naturalny
Tak, więc ocena głośności dźwięku zależy od logarytmu ciśnienia akustycznego na
membranie bębenka, zaś ocena jasności światła zależy od logarytmu strumienia światła
mierzonego na powierzchni oka. Właśnie z powodu stosowalności zasady W-F w pomiarze
głośności dźwięków stosuje się jednostki ilorazowe jak Bel i jego podwielokrotności.
Inną konsekwencją zasady W-F jest fakt, że aby uzyskać liniową skalę np. w pokrętle
głośności radia (dwa razy dalsza pozycja daje dwa razy głośniejszy dźwięk) należy stosować
potencjometr logarytmiczny.

Dzięki temu prawu czujemy, że na naszej dłoni siada mucha, ale nie czujemy, że mucha
usiadła na torebce cukru trzymanej na tej dłoni. Jest to prawo o podstawowym znaczeniu dla
naszej fizjologii funkcjonowania w pracy.

Mówiąc o reagowaniu dochodzimy do pojęcia adaptacji, która otwiera nam pojęcie

homeostazy. Adaptacja, to wszystkie te procesy fizjologiczne, które powodują, że jeśli
bodziec powtarza się wielokrotnie, to na każde jego powtórzenie reagujemy słabiej.

Adaptacja zachodzi zawsze dzięki procesom reagowania za pośrednictwem układu

nerwowego i hormonalnego. Taka jest reguła w naszym ciele.
Adaptacja do bodźca jest zależna od siły tego bodźca, czasu jego trwania [wykres].
Trzy poziomy, na których zachodzi adaptacja w zależności od mocy i czasu działania bodźca:

poziom 1 – tolerowanie bodźca; bodziec ani nas grzeje, ani ziębi;

poziom 2 – opieranie się bodźcowi, który jest silniejszy niż optymalny; czas opierania
się jest ograniczony; im krótszy - tym bodziec bardziej odbiega od nominalnego; taki
bodziec jest uciążliwością środowiskową;

poziom 3 – brak oporności, – czyli taka intensywność i czas oddziaływania bodźca,
który natychmiast łamie naszą zdolność zachowania homeostazy; powoli prowadzi do
nieodwracalnych zmian, poprzednio mieliśmy jeszcze zmiany odwracalne – byliśmy w
stanie je sobie rekompensować; tu już nie.

Te zasady przekładamy na dowolny rodzaj bodźca, na dowolne oddziaływanie świata
zewnętrznego. Od tych zasad nie ma ucieczki, każde oddziaływanie – łącznie z
oddziaływaniami społecznymi podporządkowują się tym zasadom.

Document Outline