Füsioloogia: ainevahetus ja keha talitlus

Füsioloogia on bioloogia haru, mis uurib organismi, selle elundkondade ja rakkude talitlust. Allpool on lühike, aga sisuline ülevaade sellest, kuidas keha tegelikult töötab — ainevahetusest hormoonideni. Materjal on mõeldud nii spordihuvilisele kui ka neile, kes plaanivad treeneri kutsetunnistust taotleda.

Mis on füsioloogia ja kus see piirneb teiste teadustega

Füsioloogia on eksperimentaalteadus, mis on välja kasvanud inimese ja loomade uurimisest. Vaatluse all on ainevahetus, kudede hapnikutarbimine, kehatemperatuur, vererõhk, bioelektrilised potentsiaalid ja muud eluvaldusi iseloomustavad nähtused.

Teadusharu jaguneb kolmeks:

• Üldfüsioloogia — käsitleb eluvalduste üldisi seaduspärasusi: erutuvust, energia muundumist, homöostaasi.
• Erifüsioloogia — eri organismide ja elundkondade talitlus: imetajate, lindude, putukate, samuti vereringe, seedimise, hingamise jms.
• Võrdlev füsioloogia — eri arenguastmel olevate organismide talitlus.

Inimese füsioloogias eristatakse omakorda spordi-, töö-, ea- ja psühhofüsioloogiat. Talitluse seost arenguga uurib evolutsiooniline füsioloogia, haigete organismide talitlust patoloogiline ja kliiniline füsioloogia.

Füsioloogiast on omakorda eraldunud anatoomia, biokeemia ja biofüüsika. Talitlust ei saa uurida, kui ei tunne ehitust — siit tihe side anatoomiaga. Psühholoogia on kujunenud närvi- ja meeleelundite füsioloogia baasilt. Uurimismeetodid on valdavalt keemilised või füüsikalised.

Ainevahetuse füsioloogia: anabolism ja katabolism

Ainevahetus ehk metabolism on biokeemiliste protsesside kompleks, mille kaudu organism on seoses ümbritseva keskkonnaga. See võimaldab kasvamist, säilimist, uuenemist ja paljunemist. Ainevahetuses kulgeb kaks vastupidist, kuid lahutamatut protsessi:

• Anabolism — toitainete omastamine ehk assimilatsioon. Tulemuseks moodustuvad organismi koostisosad. Rohelistel taimedel põhineb anabolism fotosünteesil (CO₂, H₂O, NH₃). Loomadel ja seentel lähtub see peamiselt toiduga saadavast valmis, kuid kehavõõrast orgaanilisest ainest, mida pärast esialgset lagundamist kasutatakse organismiomaste ainete ehitamiseks.
• Katabolism — kehaomaste ainete või toitainete lammutamine lihtsamateks ühenditeks ehk dissimilatsioon. Lõppsaadused on CO₂, H₂O ja NH₃; vabanevad ka mineraalühendid (ortofosfaat, vesiniksulfiid jt). Lagundamine võib peatuda ka vaheastmeil, keerukamate ühendite tasemel.

Organismi sisekeskkond säilitatakse vereplasma osmootse rõhu regulatsiooni kaudu. Kõrvalekalle ekstra- või intratsellulaarses ruumis põhjustab vee või elektrolüütide ümberpaiknemise. Lisaks püsib onkootne rõhk ehk kolloidosmootne rõhk, mida säilitavad plasma proteiinid: albumiinide kontsentratsiooni vähenemine põhjustab vee retentsiooni rakkude sees.

Homöostaas on protsesside kogum, millega organism hoiab oma tegevuseks vajalikud tingimused konstantsena. Regulatsioon toimub nii raku kui kogu organismi tasandil. Raku ainevahetus on tegevus-, valmidus- ja säilitusainevahetus; kogu organismi tasandil eristatakse puhkeoleku- ja põhiainevahetust. Kui hingamis- või südamelihaste ainevahetus langeb valmidustasemele, lakkab nende aktiivsus ja hukub kogu organism. Regulatsioonis osalevad põhiliselt närvi- ja hormonaalsüsteem; ajenditeks on nälg ja janu.

Valkude, süsivesikute ja lipiidide füsioloogia

Valgud

Valgud ehk proteiinid kuuluvad kõikide rakkude struktuuri, kiirendavad keemilisi reaktsioone ning toimivad regulaatorite ja antikehadena. Neist sõltuvad vee ja lahustunud ainete vahetus vere ja kudede vahel, O₂ ja süsinikdioksiidi transport, lihaste kokkutõmme jpm.

Ööpäevane valgu vajadus on 0,8 g valku 1 kg kehamassi kohta puhkeolekus; kehalisel tööl on see poole suurem. Energiavajadusest katavad valgud 11-13% kogu energiakulust. Aminohappeline koostis on määrava tähtsusega: 20-st teadaolevast aminohappest on 9 asendamatud — leutsiin, isoleutsiin, lüsiin, metioniin, fenüülalaniin, treoniin, trüptofaan, valiin ja histidiin. Mida rohkem neid valgus on, seda kõrgem on valgu bioloogiline väärtus. Asendamatuid aminohappeid leidub peamiselt loomsetes valkudes.

Seedetraktis lõhustatakse valgud pankrease fermentide toimel polü- ja oligopeptiidideks ning edasi aminohapeteks, mis imenduvad peensoolest verre. Maksa peamised funktsioonid valkude ainevahetuses on aminohapete trans- ja desamiinimine, asendatavate aminohapete süntees glükoosi, glükogeeni ja rasvhapete baasil, maksa struktuur- ja ensüümvalkude ning vereplasma valkude sünteesimine, eksogeensete ainete detoksikatsioon ning ammoniaagi ja uurea moodustamine. Lisaks nõristab maks sappi, mis on vajalik rasvade imendumiseks soolestikus.

Maksas ümbertöödeldud aminohapped viiakse verega kudedesse, kus rakkude ribosoomides sünteesitakse neist koevalgud. Üleliigsed aminohapped suunatakse energiakuludesse või muudetakse süsivesikuteks ja lipiidideks.

Nälgimisel kasutatakse esmalt vabad süsivesikud, seejärel maksa glükogeen, siis talletunud rasvad ning viimases faasis lihasvalgud ja muud kehavalgud.

Valkude ainevahetuse lõppsaadused on lämmastikku sisaldavad ühendid: kreatiniin, ammoniaak, kusiaine ja kusihape. Enamus eritub kusiainena. Kreatiniin pärineb lihaste valguainevahetusest, selle ööpäevane hulk sõltub lihasmassist ja kontsentratsioon plasmas on suhteliselt püsiv — 9 mg/l; kreatiniin elimineeritakse glomerulaarfiltratsiooni teel. Ammoonium ja ammoniaak erituvad neerutorukestes: torukeste rakkudes desamineeritakse glutamiin glutamaadiks ja edasi oksoglutaraadiks, mille käigus tekib üks molekul ammooniumi; samaaegselt vabaneb üks molekul bikarbonaati. Mida happelisem on uriin, seda rohkem on eritunud ammooniumi.

Hormonaalsest regulatsioonist: hüpofüüsi eessagara somatotroopne hormoon suurendab rakumembraani läbilaskvust aminohapete suhtes ja tõstab valgu sünteesi intensiivsust. Kilpnäärme hormoonid türoksiin ja trijodotüroniin stimuleerivad sünteesi ja soodustavad kudede diferentseerumist. Neerupealise glükokortikoidid (hüdrokortisoon, kortisoon) suurendavad valgu lammutamist eriti lihastes, samas maksas tõstavad sünteesi taset. Meessuguhormoonid on anaboolse toimega. Insuliin ja kasvuhormoon võimaldavad aminohapete transporti rakkudesse; insuliin suurendab DNA transkriptsiooni rakutuumas ja kiirendab proteiinide sünteesi.

Süsivesikud

Süsivesikud on loomorganismi peamine energeetiline materjal. Ööpäevasest energiakulust kaetakse nende arvel ~60%. Need on kergesti oksüdeeritavad, lõppsaadusteks süsinikdioksiid ja vesi; 1 g süsivesikute oksüdatsioonil vabaneb 4,0 kcal.

Tselluloos on inimesele seedumatu polüsahhariid, kuid täiendab toidu mahtu, stimuleerib soolestiku motoorikat, kiirendab soolepassaaži ja säilitab väljaheite pehme konsistentsi. Soovitav kogus on 30 g/ööpäevas.

Süsivesikud lõhustatakse seedetraktis monosahhariidideks — peamiselt glükoosiks, samuti galaktoosiks ja fruktoosiks — mis imenduvad peensoolest verre. Maksas muudetakse need glükogeneesi käigus varuaineks glükogeeniks. Glükogeen võib tekkida ka piimhappest ning valkude ja lipiidide ainevahetuse produktidest — siis räägitakse glükoneogeneesist. Glükogeen säilitatakse maksas ja lihastes. Vajadusel toimub glükogenolüüs: maksaglükogeen lammutatakse ja saadetakse verre glükoosina. Süsivesikute liig muudetakse lipiidideks ja ladestatakse rasvadepoodesse.

Vere glükoositase hoitakse suhteliselt püsivana vahemikus 3,3…6,1 mmol/l. Glükoosi taseme muutusi registreerivad glükoosiretseptorid maksas, veresoontes ja hüpotalamuse ventrolateraalses tuumas. Nälgimisel ja suurtel koormustel võib veresuhkur langeda — hüpoglükeemia; liigne magus tõstab seda üle normi — hüperglükeemia. Kui veresuhkur langeb alla 0,5-0,2 g/l, tekib hüpoglükeemiline sokk koos teadvuse hämardumise või koomaga. Glükosuuria on glükoosi eraldumine uriiniga; normaalselt seda uriinis ei esine.

Laktaadi kontsentratsioon veres sõltub anaeroobselt töötavate lihaste produktsioonist ja eliminatsiooni kiirusest. Laktaat lammutatakse või töötatakse ümber mittetöötavates skeletilihastes, rasvkoes, maksas, neerus ja südamelihases. Puhkeolekus on laktaat 1 mmol/l, raskel tööl kuni 15 mmol/l (maksimumväärtus). Pika kestusega raskel tööl langeb laktaadi kontsentratsioon pärast esialgset tõusu uuesti.

Närvisüsteemiline regulatsioon hõlmab Bernard’i “suhkrutorget” — vere glükoositaseme tõusu stressisituatsioonis (stardieelne seisund); KNS-i rakud katavad oma suured energiavarud insuliinist sõltumatult glükoosiga. Hormonaalsest poolelt: Langerhansi saarekeste B-rakkude insuliin langetab veresuhkrut, suurendab glükoosi vastuvõttu kõikidesse keharakkudesse ning intensiivistab glükogeneesi. A-rakkude glükagoon stimuleerib glükogeeni lammutamist maksas, tõstab veresuhkrut, aktiveerib adenülaaditsüklaasi ja suurendab cAMP teket. Glükokortikoidid stimuleerivad glükoneogeneesi maksas ja vähendavad rakkudes glükoosi kasutamist. Adrenaliin stimuleerib glükagooni teket ja tõstab veresuhkrut. Somatotroopne hormoon vähendab glükogeenivarusid, pidurdab glükoosi vastuvõtmist rakkudesse ja tõstab veresuhkrut. Kilpnäärme hormoonide toimel intensiivistub süsivesikuid lõhustavate ensüümide aktiivsus ja suureneb utilisatsioon.

Lipiidid

Lipiidid moodustavad ~10-20% kehakaalust. Rakustruktuuri kuuluva lipiidihulga ja depoorasva vahel on suur erinevus: viimane sõltub toitumisest, elurežiimist ja pärilikkusest. Lipiidid on energiarikkad — 1 g annab oksüdatsioonil 9,0 kcal. Energiabilansis on neil oluline koht: lipiidide arvel kaetakse ~30% ööpäevasest energiakulust.

Ööpäevane lipiidide vajadus on 80-90 g, millest toiduga omastatakse 95%. Toit peab sisaldama nii taimseid kui ka loomseid rasvu. Seedetraktis lõhustatakse lipiidid rasvhapeteks ja glütserooliks, mis imenduvad peensoolest osaliselt verre, peamiselt aga lümfisoontesse ning kantakse lümfiga vereringesse. Tsütoplasmaatilisi lipiide kasutatakse kudede ülesehitamiseks ja energiavajadusteks; ülejäägid viiakse nahaalusesse rasvkoesse. Organismis võivad lipiidideks muutuda ka süsivesikud.

Maksa peamised funktsioonid lipiidide ainevahetuses: täielikul oksüdatsioonil lõppsaadusteks süsinikdioksiid ja vesi; mittetäielikul oksüdatsioonil moodustuvad ketokehad, mis väljutatakse uriiniga.

Hormonaalsest regulatsioonist: lipiidide ainevahetust kontrollib hüpotalamus. Epinefriin, norepinefriin ja glükagoon stimuleerivad lipolüüsi. Glükokortikoidid lõhustavad triglütseriide ja tõstavad rasvhapete taset veres. Kasvuhormoon vähendab rasvavarusid; insuliini ja hüpofüüsi somatotroopse hormooni toimel kiireneb vabade rasvhapete vastuvõtt lihaskoes.

Vee ja mineraalainete füsioloogia

Inimese organismist moodustab vesi ~57-65%. Ilma veeta on elu võimalik väga lühikest aega: ei eraldu ainevahetusjäägid, on häiritud osmootse rõhu ja happe-leelistasakaalu regulatsioon ning vesilahuses toimuvate keemiliste reaktsioonide kulg. Tavainimene vajab 2,2-2,8 l vett ööpäevas, millest toiduga saadakse 1,9-2,4 l ja endogeense veena 0,3-0,4 l (tekib eelkõige lipiidide oksüdatsioonil). Vesi eraldub uriini, higi, väljaheidete ja väljahingatud õhuga. Saadud ja eritatud vee hulgad peavad olema võrdsed; ülemäärane veekaotus on dehüdratsioon.

Vesi jaguneb organismis kahte ruumi: rakusisene ehk intratsellulaarne vesi moodustab 60% ja rakuväline ehk ekstratsellulaarne vedelik 40%. Rakuvälise kaudu toimub toitainete, ainevahetusjääkide ja regulaatorainete viimine rakku ja sealt välja. Ekstratsellulaarne vesi jaguneb omakorda: 31% interstitsiaalkoe vedelikku, 7% vereplasmasse ja 2% transtsellulaarsesse vedelikku. Jagunemist mõjutavad elektrolüütide kontsentratsioon ekstratsellulaarses vedelikus, kapillaarne vererõhk ja vereplasma valkude kontsentratsioon.

Olulised makro- ja mikroelemendid:

• Naatrium ja kaalium (piisab NaCl 10-20 g ja KCl 2-4 g ööpäevas) — rakkude ja koevedelike koostisosad, säilitavad osmootset rõhku ja osalevad rakumembraanide bioelektriliste potentsiaalide tekkes.
• Kaltsium (1 g) — luukoe ehitusmaterjal; osaleb erutuse tekkel ja levikul, mõjutab membraanide K ja Na juhtivust, on vajalik lihaskontraktsiooni elektromehaaniliseks sidestuseks, võimaldab transmitterite vabanemist sünapsides, osaleb vere hüübimises, on ensüümidele aktivaatoriks ja toimib sekundaarse virgatsainena.
• Fosforhappesoolad (1 g) — asendamatud luukoe moodustamisel ja energiarikaste ühendite (ATP, cAMP, kreatiinfosfaat, DNA, cGMP) sünteesil.
• Raud (15 mg naistele, 10 mg meestele) — vajalik hemoglobiini ja müoglobiini ning oksüdatsiooniprotsessides osalevate ensüümide ja valkude sünteesiks. Rauda eritatakse vähe; see hoitakse ringluses ja kasutatakse korduvalt.
• Tsink — vereloomes ning süsivesikute, lipiidide ja valkude ainevahetuses; koobalt, iood (kilpnäärme hormoonide süntees); väikestes kogustes mangaan, magneesium, vask ja fluor.

Maksa peamised funktsioonid vee ja mineraalainete vahetuses on toimimine veedepoona ning kaltsiumi ainevahetuse reguleerimine vitamiin D vahendusel.

Vee ainevahetust reguleerib närvisüsteem suu limaskesta retseptorite, mao baroretseptorite, kudede osmoretseptorite, südame ja veresoonkonna mahuretseptorite, hüpotalamuse ning higinäärmete ja neerude koordineeritud talitluse kaudu. Hormonaalsest poolest osalevad reniin, angiotensiin II, antidiureetiline hormoon ja aldosteroon. Kaltsiumi ainevahetust juhivad kaltsitoniin ja parathormoon.

KKK füsioloogia kohta

Mis vahe on anabolismil ja katabolismil?

Anabolism on ülesehitav protsess — toitainetest moodustuvad organismi koostisosad. Katabolism on lammutav protsess, mille käigus tekivad lihtsamad ühendid (CO₂, H₂O, NH₃) ja vabaneb energia. Mõlemad kulgevad pidevalt ja koos.

Miks on vere glükoositase nii tähtis?

Glükoos on aju ja paljude kudede peamine energiaallikas. Kui see langeb alla 0,5-0,2 g/l, tekib hüpoglükeemiline sokk koos teadvuse hämardumisega. Normaalne vahemik on 3,3-6,1 mmol/l ning seda hoiavad mitu hormooni — insuliin alandab, glükagoon, adrenaliin, glükokortikoidid ja kasvuhormoon tõstavad.

Kui palju valku peaks ööpäevas saama?

Puhkeolekus 0,8 g valku 1 kg kehamassi kohta. Kehalisel tööl umbes kaks korda rohkem. Oluline pole ainult kogus, vaid ka aminohappeline koostis: kõik 9 asendamatut aminohapet peavad toiduga sisse tulema.

EKFK – Eesti Kulturismi ja Fitnessi Koolituskeskus

Autor: EKFK

Allikas: WHO – kehaline aktiivsus.