Prof. Dr. Mustafa Emre Ç.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı Kimyasal ve Mekanik Enerji.

... konulu sunumlar: "Prof. Dr. Mustafa Emre Ç.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı Kimyasal ve Mekanik Enerji."— Sunum transkripti:

1 Prof. Dr. Mustafa Emre Ç.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı Kimyasal ve Mekanik Enerji

2 Enerji Hayatın ve canlılığın temelini oluşturan enerji, bir sistemin/yapının iş yapabilme yeteneği (kapasitesi) olarak adlandırılır. Doğada mevcut olan enerji şekilleri; 1. Kimyasal Enerji 2. Mekanik Enerji 3. Isı Enerjisi 4. Işık Enerjisi 5. Elektrik Enerjisi 6. Nükleer Enerji 7. Yer çekim Enerjisi 8. Elastik Enerji

3

4 Fiziksel aktivitelerde kullanılan metabolik enerji sistemleri 1. Kasta depo halde bulunan ATP den 2. Kasta depo halde bulunan kreatin fosfat (CP) den 3. Kasta mevcut glikojenin glikoz yoluyla laktik asite indirgenmesinden 4. Mitakondriada meydana gelen aerobik oksidasyon enerjisinden sağlamaktadır. Özellikle kuvvet ve sürat antrenmanları ile glikolitik kapasite (laktasit anaerobik güç), ATP ve CP miktarları artırılabilir.

5

6 Adenozin–trifosfat (ATP) ATP, adenozin adı verilen kompleks bir elemandan ve bu maddeye bağlı üç fosfat grubundan oluşur. Enerji ise, bu fosfat gruplarını birbirine bağlayan kimyasal bağlar arasında depolanır. ATP’nin parçalanması ve kas kasılması için enerjinin serbestleşmesi şöyle formülize edilir. ATP + ATP ase ←→ ADP + P +enerji Enerji → Kastaki aktin + miyozin harekete geçer = KAS KASILMASI

7 ATP Kreatin fosfat (CP) sistemi: Omurgalılarda kas kasılmaları için kısa süreli bir enerji kaynağıdır. Kas kasılmaları ile ATP düzeyi azalınca fosforil grubunu yeniden ATP oluşturmak üzere ADP'ye vererek kaslardaki ATP düzeyini sabit tutmaya yarayan bir sistemdır. ATP-CP veya Fosfojen Sistemi a. Kreatin yüksek enerji bağı P b. CP ⇒ Kreatin + Pi + Enerji ADP + Pi+ Enerji ⇒ ATP 100 m sürat koşusu gibi şiddetli ve çok kısa süreli egzersizlerde, ATP’ nin yeniden sentezlenmesi için gereken en önemli yakıt kreatin fosfat (CP)’tır. Bir kaç saniye süren kısa süreli-yüksek şiddetteki egzersizler için en önde gelen yakıt ATP-CP ’ sistemidır.

8 Anaerobik Glikoliziz Sonucu Bu sistemde; ■ Laktik asit oluşur. ■ Sadece Glukoz (C 6 H 12 O 6 ) enerji kaynağı olarak kullanılır. ■ O 2 kullanılmaz. ■ Yalnızca bir kaç mol ATP üretilir (3-4 mol). C 6 H 12 O 6 → 2C 3 H 6 O 3 + Enerji (Glukoz) (Laktik asit) ENERJİ + 3 ADP + 3 Pi → 3 ATP Anaerobik glikoliziz: Glikojen kimyasal bir seri reaksiyon sonucunda laktik aside parçalanır. Bu parçalanma sırasında enerji (ATP) açığa çıkar.

9 Kaslar kasıldığında ATP azalır. Kreatin~fosfat azalır. Glikoz ve O 2 azalır. pH azalır. ATP azalır. Kreatin~fosfat azalır. Glikoz ve O 2 azalır. pH azalır. ADP ve P artar. Kreatin artar. CO 2, H 2 O ve ısı artar. ADP ve P artar. Kreatin artar. CO 2, H 2 O ve ısı artar. 400 m koşu maratonu veya 100 m yüzme sırasında ATP-PC sistemi, laktik asit sistemi ve de oksijen sistemi birlikte çalışırlar ve enerji üretimine birlikte yardımcı olurlar. Uzun maraton koşusu veya 1500 m yüzme sporlarında, aerobik (oksijen) sistem başlıca enerji sistemi olarak görev yapar. Kas kasılmasında Kimyasal Değişiklikler

10

11 → İlk önce sitoplazmadaki ATP’ ler kullanılır. ATP + H 2 O --------> ADP + P → Daha sonra kreatin~fosfat molekülünden ATP sentezlenir. Kreatin~fosfat + ADP -------> Kreatin + ATP → Ondan sonra glikoz oksijenli solunumla parçalanır. Glikoz + 6O 2 + 2ATP -------> 6CO 2 + 6H 2 O + 40ATP → Çizgili kaslara yeteri kadar O 2 gelmeğinde; glikoz, laktik asit fermantasyonu ile parçalanır. Glikoz + 2ATP --------> 2 Laktik asit + 4 ATP Kas kasılmasında enerjinin kullanım sırası

12 Enerji Sistemlerinin Genel Özellikleri

13 Performans Süresi ve Temel Enerji Sistemleri

14 Üç enerji sistemin maksimal gücü ve kapasitesi Enerji sistemlerinde baskın olan sistem ve enerji sistemlerinin birbirleriyle olan yardımlaşması, yapılan egzersizin süresi ve şiddeti (temposu) ile yakından ilişkilidir.

15 Egzersiz sırasında karbonhidratların ve yağların yakıt olarak Kullanımını etkileyen iki önemli faktör vardır; 1. Kas aktivitesinin şiddeti ve süresi, 2. Tüketilen diyetin çeşididir. Yakıt olarak karbonhidratlar ve yağların kullanımı Kas aktivitesinin veya egzersizin yoğunluğu artıp süresi kısaldığında, karbonhidratlar öncelikli besin yakıtlarıdır.

16 Egzersizin şiddeti azalıp süresi arttığında, temel yakıt kaynağı yağlar olmaya başlar. Egzersiz sırasında hangi yakıtın (karbonhidrat, yağ veya karışık diyet) daha çok kullanılacağını, tüketilen yiyeceklerin tipi belirler ve yüksek karbonhidrat içerikli diyet de yorgunluk daha geç, yüksek yağ içerikli diyet de ise kas yorgunluğu daha erken ortaya çıkar. Kişiler yüksek karbonhidrat içeren diyeti uygulayarak, yorgunluk oluşmadan dört saat süresince koşabilirler. Yakıt olarak karbonhidratlar ve yağların kullanımı İstirahat sırasında iskelet kaslarının kandan aldıkları glukoz miktarı azdır. Egzersizin süresi uzadıkça kasların kandan aldıkları glukoz miktarı oksijen sistemi tarafından kullanılan toplam yakıtın % 30 - % 40’ına kadar yükselir.

17 ● Kasılmaya katılan motor ünite sayısına ve tipine ● Kasın kasılma öncesi boyuna ● Motor ünitenin sinir uyarısı düzeyine ● Eklem açısına ● Kasın kasılma hızına ● Kasılmaya katılan kas gurubunun büyüklüğü ve küçüklüğüne bağlıdır. KAS KASILMASINDA OLUŞAN GÜÇ;

18 HİPERTROFİK LİFLERDE ● Miyofibrillerin sayısı hipertrofi derecesine oranla artar ● Mitakondrialar sayı ve hacim olarak gelişir. ● Kuvvet antrenmanları ile fosfojen sistemi geliştirilir. ● Kuvvet ve sürat antrenmanları ile glikolitik kapasite, ATP ve CP miktarı artar. ● Dayanıklılık antrenmanları ile ATP, CP, aerobik enzim aktiviteleri, glikojen ve trigliserid depoları ve genel oksidatif kapasite artırılır.

19 Kas Hasarları ● Isının artışı ● PH düşüşü ● Dokunun yırtılması ● Laktat gibi metabolitlerin birikimi ● Süperoksit anyon radikallerin ve hidrojen peroksitin artışına bağlıdır. Egzersizle Oluşan Ağrıların Sebepleri ● Kasın kontraktil ve elastik dokularında yüksek gerilime bağlı olarak yapısal zararlar. ● hücresel nekrosizin oluşumu ile hücrenin zarar görmesi ● İntrasellüler aktivite ve makrofaj aktiviteden dolayı serbest sinir uçlarının uyarılmasıdır.

20 İŞ (WORK), GÜÇ (POWER) VE ENERJİ İş, cisimlerin pozisyonları değiştirilerek üretilir. Yapılan işin miktarı uygulanan kuvvetin büyüklüğüne ve kuvvet yönündeki hareketin miktarına bağlıdır. İş = kuvvet x mesafe dır. 1 Newton kuvvetin 1 metre boyunca uygulanmasıyla yapılan işin miktarını verir. Güç ise yapılan işin oranını belirler, yani birim zamanda yapılan işin miktarını verir (kuvvet x mesafe / zaman). Birimi Watt’dır. 1Watt=1jul/sn. İş, cisimlerin pozisyonları değiştirilerek üretilir. Yapılan işin miktarı uygulanan kuvvetin büyüklüğüne ve kuvvet yönündeki hareketin miktarına bağlıdır. İş = kuvvet x mesafe dır. 1 Newton kuvvetin 1 metre boyunca uygulanmasıyla yapılan işin miktarını verir. Güç ise yapılan işin oranını belirler, yani birim zamanda yapılan işin miktarını verir (kuvvet x mesafe / zaman). Birimi Watt’dır. 1Watt=1jul/sn.

21 Kaslarda İş, Güç ve Enerji Güç:Bir fiziksel aktivite sırasında ATP’nin yenilenme oranının ifade etmekledir. Başka bir anlatımla yenilenebilen ATP miktarı olarak ifade edilmektedir.

22 Isı Oluşturma: Meydana gelen enerjinin çok az bir kısmı mekanik işe çevrilir, geri kalanı da ısıya dönüşür. Mekanik İş Yapabilme: Kasılma ve gevşemeler sonucunda mekanik iş oluşur. Yükün belirli bir mesafe sonucunda uygulanmasını sağlar. Sportif etkinliklerde, teknik antrenmanlar sayesinde kas verimi arttırma olanağı vardır. GERİM ve YÜK Kasılan kasın bir nesne üzerine uyguladığı kuvvet GERİM (kasılma gücü,“tension”), bir nesnenin kas üzerine uyguladığı kuvvet ise YÜK olarak tanımlanır. Kas dokusunda gerimi (kasılma gücü,“tension”) etkileyen unsurlar: Uyaranın sıklığı (frekans) Etkin motor birim sayısı Kas uzunluğu (boy-gerim ilişkisi) Kasılma hızı Kas dokusunda gerimi (kasılma gücü,“tension”) etkileyen unsurlar: Uyaranın sıklığı (frekans) Etkin motor birim sayısı Kas uzunluğu (boy-gerim ilişkisi) Kasılma hızı

23 İŞ (WORK), GÜÇ (POWER) VE ENERJİ

24

25 70 kg’ lık bir kişi 50 cm’lik (0.5m) bir basamakta,dakikada 30 adım hızında,10 dakika süresince bench step testini uyguladığında yapılan toplam iş kaç kJ dur. Çözüm: Bench step : İŞ (WORK), GÜÇ (POWER) VE ENERJİ

26 Güç Harcanımı Sabit bir bisiklette egzersiz yaparken harcanan güç; 1 kal = 426.4 kgm, 5.1855 joule 1 kgm.dk = 0.1635 watt

27 Koşu Bantında Oksijen İhtiyacının Ölçümü

28 Koşu Bandında Oksijen İhtiyacının Ölçümü

29 Egzersiz Sırasında Harcanan Enerji Egzersizler sırasında harcanan enerjinin açıklanması için basit birimler geliştirilmiştir ve bunlardan biri MET’ dir. MET dinlenme koşullarında organizmada kilogram başına 1 dakikada tüketilen oksijen miktarıdır. Bu da 3.5 ml/kg/dak’dır. Örneğin, 10 MET aktivite yapan ve 60 kg olan bir birey için VO 2 ihtiyacı su şekilde hesaplanır: VO 2 (ml/dak) = 35 ml/kg/dak x 60 kg = 2100 ml/dak

30 Egzersizin Verimliliğinin Ölçülmesi Egzersiz verimliliğinin hesaplanması için en geçerli teknik, egzersizin ekonomik olması durumunun belirlenmesidir ve “brüt veya kaba verimlilik” olarak adlandırılır. İnsan vücudu da bir makine gibi olduğundan bir miktar enerjinin ısı olarak kaybedilmesinden dolayı % 100 verimli değildir. Bisiklet ergometresinde veya koşu bandında brüt verimliliği hesaplayabilmek için, üretilen işin ve egzersiz sırasında kişinin harcadığı enerji miktarının hesaplanması gerekir. Dikkat edilmesi gereken, VO2 tüketiminin “denge durumu sırasında ölçülmesidir.

31 Bisiklet ergometresindeki submaksimal bir egzersiz sırasında brüt verimliliğinin, iş yükünün ve enerji birimlerinin kJ olarak hesaplanması, Örn ; Bisiklete Karsı Direnç = 2 kg veya 2 kp Çevirme Hızı = 50 rpm (rpm= her dakikadaki dönüş) Ölçülen denge durumu (steady state) VO2 = 1.5 L/dak Harcanan Enerji = 31.35 kJ/dak Tekerleğin her dönüşünde aldığı mesafe = 6 m/dönüş Sonuç; İş Yükü = [2 kg x (50 rpm x 6 m/dönüş)] = 600 kgm/dak veya 5.89 kj/dak Enerji Harcanımı = 1.5 VO 2 L/dak x 21 kJ/L O 2 = 31.35 kJ/dak Brüt verimlilik = (5.89 kJ/dak ÷ 31.35 kJ/dak) x 100 = % 18.8 Egzersizin Verimliliğinin Ölçülmesi

32 İç enerji İç enerji: Bir sistemin bileşenlerinin tek tek kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına o sistemin iç enerjisi denir. Sistemde ∆I iç enerji artışı varsa; sistemin toplam enerjisi ΔE =ΔK+ ΔU+ ΔI % Verim (e) = Alınan iş / Verilen iş x 100 Örnek. Bir şahıs bir makinaya 25 newtonluk iş ile ona 20 N’luk iş yaptırıyor. Bu makinanın verimi yüzde kaçtır? Çözüm: e = 20 x 100 / 25 = 2000/ 25 = % 80 olarak bulunur.

33 Güç: Bir makinenin birim zamanda ürettiği işe eşittir. Toplam Enerji Hızı: Bir sistemin kullandığı toplam enerji hızı ye eşittir. Hayvanlarda kullanılan toplam enerji hızına metabolik hız denir. Metabolik hız, (L) ölçek çarpanının karesiyle değişir: Metabolik hız:R ∞ L2L2 Verim → e

34 Koşan Bir Kişinin Metabolik Hızı v hızıyla koşan bir kişinin her bacağının kütlesi m 1 ise, her bacak kası, bacağı v hızına kadar hızlandırmak için m1v2 m1v2 W 1 = K = ve yavaşlatmak için de W 1 =K = m1v2m1v2 olmak üzere toplam 2 K lık iş yapmaktadır. Bir adımda iki bacak kasının yaptığı toplam iş ise, W 2 = 2 x (2K) = 2 x 2 x m 1 v 2 = 2m 1 v 2 dir. Koşan bu kişinin bir adım uzunluğu d ise, bir saniyedeki adım sayısı n = ye eşittir. Güç, bir saniyede yapılan işe eşit olduğundan, koşan bu kişinin bacaklarındaki güç çıkışı (P) P= Olur. Bu gücü üretmek için kasların harcadığı toplam enerji, yani metabolik hız (R), P nin kasın verimine (e) oranı kadardır: R

35