Úvod do anatomie a fyziologie: Soubor poznatků pro studenty tělesné výchovy
Buňka a buněčný transport
Organismy jsou z biochemického pohledu založeny na sloučeninách uhlíku. Základní stavební a funkční jednotkou je buňka, přičemž nové somatické buňky vznikají dělením mateřské buňky a svou specifickou funkci v organismu získávají během procesu diferenciace. Buňka může působit na své okolí pomocí sekrece autokrinní, parakrinní nebo endokrinní. Proces řízené buněčné smrti se označuje jako apoptóza, zatímco nekróza představuje nekontrolovaný zánik. Buněčné jádro, které chybí například v erytrocytech, obsahuje chromatin, chromozomy a kompletní genetickou informaci celého organismu ve formě DNA. Tato informace se v rámci buňky nachází v jádru a mitochondriích ( probíhá zde aerobní metabolismus). Cytoplazmatická membrána je tvořena fosfolipidovou dvojvrstvou s vloženými receptorovými proteiny a cholesterolem. Tato struktura umožňuje selektivní komunikaci s okolím a udržuje odlišné chemické složení mezi intracelulární(draslík) a extracelulární (sodík) tekutinou. Klidové membránové napětí se nachází na membránách všech buněk těla a je výsledkem pasivního pohybu iontů přes buněčnou membránu. Vlastnosti buněčné membrány umožňují různé složení tekutiny vně a uvnitř ohraničeného prostoru. Klíčovými strukturami jsou iontové kanály (napěťově, chemicky či mechanicky řízené) a sodnodraselná () pumpa. Mitochondrie jsou organely specializované na aerobní metabolismus a produkci prostřednictvím oxidativní fosforylace. Cytoskelet buňky, tvořený mikrofilamenty a mikrotubuly, se podílí na změně tvaru buněk a fagocytóze, ale nikoliv primárně na sekreci. Množství vody v organismu tvoří přibližně tělesné hmotnosti a s věkem klesá. Hlavním nitrobuněčným kationtem je draslík (), zatímco hlavní kationtem mimobuněčného prostoru je sodík ().
Membránové Transporty a Tkáňové Typy
Transport látek přes membránu probíhá pasivně (difúze, osmóza) nebo aktivně. Při difúzi látka přechází po koncentračním spádu bez nároku na energii (). Osmóza je pohyb vody z místa nižší koncentrace iontů do místa s vyšší koncentrací. Při vzestupu osmolarity extracelulární tekutiny se objevuje pocit žízně. Onkotický (koloidně-osmotický) tlak, vytvářený bílkovinami (lipoproteiny), hraje zásadní roli při výměně tekutin mezi kapilárou a mezibuněčným prostorem. Roztoky dělíme na izotonické, hypotonické (nižší obsah iontů) a hypertonické (vyšší obsah iontů). Aktivní transport na buněčné membráně probíhá proti koncentračnímu spádu a vyžaduje energii ve formě . Tkáň je definována jako společenství buněk stejného typu a funkce. Epitelové tkáně (např. krycí, řasinkový, žlázový) kryjí povrchy a vystýlají dutiny. Pojivové tkáně zahrnují vazivo, chrupavku a kost a nepatří zde hladká svalovina. Kolagenní vlákna zajišťují pevnost, zatímco elastická vlákna pružnost. Tuková tkáň je tvořena adipocyty; hnědá tuková tkáň se vyskytuje hlavně u novorozenců a plní termoregulační funkci. Chrupavka může být hyalinní, elastická nebo vazivová (např. v kloubních spojeních a meziobratlových discích).
Osteologie a Myologie
Kostní tkáň je tvořena hutnou (substantia compacta) a houbovitou hmotou (substantia spongiosa). Její metabolismus je ovlivněn osteoblasty (stavba), osteoklasty (odbourávání) a osteocyty = vznikají přeměnou osteoblastů (recepční zóna). Anorganickou složku tvoří především hydroxyapatit (vápník a fosfor). Růst kostí do délky v růstových chrupavkách je ukončován pohlavními hormony. Mechanické zatěžování a estrogeny podporují tvorbu kostní hmoty, zatímco jejich nedostatek vede k osteoporóze. Remodelace kostí primárně slouží k přizpůsobení kosti měnícím se vnějším podmínkám. Vrchol hustoty kostní hmoty nastává kolem až let věku. Svalová tkáň se dělí na hladkou, srdeční a kosterní (příčně pruhovanou) a její typická schopnost je kontrakce a primární fukncí je pohyb a reaguje na podráždění kontrakcí. Kosterní sval reaguje na podráždění z CNS a je schopen tetanického stahu. Klidová metabolická aktivita svalové tkáně je vyšší než metabolická aktivita tukové tkáně. Vedlejším produktem svalové kontrakce je teplo. Sarkoplazmatické retikulum je zásobárnou a obsahuje především ionty vápníku Místem přenosu signálu je nervosvalová ploténka, kde mediátorem je acetylcholin. Základní kontraktilní jednotka svalového vlákna je sarkomera, tvořená aktinem a myosinem - kontraktilní bílkoviny. Pro kontrakci jsou nezbytné ionty vápníku a hořcíku (), které uvolňují vazebná místa na aktinu. Myoglobin v sarkoplazmě svalových buněk má obdobnou funkci jako hemoglobin erytrocytů. Svalová relaxace je aktivní děj vyžadující ATP. Základní rozdíl mezi bílými a červenými svalovými vlákny spočívá v převažujícím způsobu získávání energie. Červená svalová vlákna svou barvu získávají díky myoglobinu a mají nejvyšší oxidativní kapacitu a jsou nejvíce kapilarizována, je zde největší množství mitochondrií. Největší sklon k hypertrofii mají bílá svalová vlákna. Motorická jednotka je komplex tvořený periferním motoneuronem a jím řízený svalovými vlákny. Postupný nábor motorických jednotek umožňuje prostorovou sumaci. Hladký tetanus vzniká díky časové sumaci akčních potenciálů. Během isotonické svalové kontrakce se nemění napětí svalu, mění se jeho délka. Během isometrické se nemění délka svalu, mění se jeho napětí. Satelitní buňky jsou buňky mající možnost aktivace při poškození svalu. Při svalové hypertrofii dochází k nárůstu množství aktinu a myosinu ve svalovém vlákně. Svalová atrofie je pokles množství svalové hmoty. Sarkopenie označuje úbytek svalové hmoty spojený se stárnutím. Hladká svalovina je protáhlá a ovládána autonomním nervovým systémem a její stah je vůlí neovlivnitelný a podnětem pro kontrakci hladkého svalu může být kromě nervového i humorální, mechanický, teplotní či chemický.
Dýchací Systém
Dýchací systém tvoří horní a dolní dýchací cesty zakončené funkční jednotkou – plicním sklípkem (alveolus). Pravá plíce má 3 laloky, levá 2. Vedlejší nosní dutiny se nacházejí v těchto kostech ,v čelní kosti, klínové kosti, čichové kosti a horní čelisti. Největší chrupavkou hrtanu je chrupavka štítná. Hlasivkové vazy jsou uloženy v hrtanu. Pokračováním hrtanu je průdušnice a průdušinky jsou zakončeny plicními sklípky. Řasinkový epitel je typický pro dýchací cesty. Pohrudnice je blána na hrudníku. Vnitřní dýchaní je výměna O2 a CO2 mezi krví a cílovými tkáněmi. Bránice je sval podílející se na dýchání. Mezi výdechové svaly patří vnitřní mezižeberní svaly. Nádech závisí na činnosti dýchacích svalů. Výdech je v klidu aktivní děj. Vzduch mezi plícemi a atmosférou proudí z místa vyššího tlaku do místa nižšího tlaku. Dýchací svaly patří k příčně pruhovanému svalstvu. Činnost dýchacích svalů vede ke změnám objemu hrudní dutiny. Dýchací centrum je umístěno v prodloužené míše. Receptory registrující parciální tlak oxidu uhličitého jsou umístěny v dýchacím centru a receptory pro kyslík jsou v plicích. Centrální receptory v dýchacím centru primárně reagují na zvýšení koncentrace oxidu uhličitého zvýšením ventilace. Dýchání lze do určité míry ovlivnit vůlí. Pro člověka nejdůležitější složkou je kyslík. Největší složkou atmosféry je dusík. Výměna kyslíku a oxidu uhličitého mezi alveolárním vzduchem a krví v plicních kapilárách probíhá prostou difúzí na základě tlakového gradientu a nevyžaduje energii. Difúze kyslíku přes alveolokapilární membránu se odehrává po koncentračním spádu. Difúze oxidu uhličitého pře alveolokapilární membránu se odehrává po koncentračním spádu. Parciální tlak kyslíku je nejvyšší na hladině moře. Ve vyšších nadmořských výškách parciální tlak kyslíku klesá. Celková kapacita plic zahrnuje vitální kapacitu a reziduální objem. Vitální kapacitu plic tvoří dechový objem, inpirační rezervní objem a exspirační rezervní objem. Vitální kapacita je objem vzduchu, který vydechneme s maximálním úsilím po předchozím maximálním nádechu. Vzduch nadechnutý do plic po ukončení klidového nádechu se nazývá inspirační rezervní objem. Vzduch vydechnutý z plic po ukončení klidového výdechu se nazývá expirační rezervní objem. Vzduch, který nelze z plic vydechnout tvoří tzv. reziduální objem. Reziduální objem plic je množství vzduchu, který zbývá v plicích po maximálním výdechu. Klidový dechový objem tvoří cca 0,5 l. Dechový objem lze během zatížení zvýšit využitím inspiračního i expiračního rezervního objemu. Průměrná dechová frekvence u dospělého člověka v klidu je asi 12 - 16 dechů/min. Ventilací rozumíme výměnu vzduchu mezi lícemi a atmosférou. Minutová ventilace je součin dechového objemu a dechové frekvence. Klidová ventilace činí 6 - 8 l/min. Maximální ventilace může dosahovat hodnot až 200l/m. Během ventilace část vzduchu zůstává v mrtvém prostoru. Mrtvý prostor odpovídá vzduchu, který se neúčastní výměny dýchacích plynů. Velikost anatomického mrtvého prostoru představuje objem cca 200ml. Fyziologický mrtvý prostor je ovlivněn aktuálním stavem plicní ventilace a perfuze.
Kardiovaskulární Systém
Srdce (cor) je uloženo v osrdečníku (perikard) a tvořeno myokardem. Má čtyři dutiny: pravou a levou síň (atrium) a pravou a levou komoru (ventriculus). Mezi nimi jsou cípaté chlopně (trojcípá vpravo, dvojcípá/mitrální vlevo); na výstupech do velkých cév jsou poloměsíčité chlopně. Velký (tělní) oběh začíná v levé komoře aortou, malý (plicní) oběh začíná v pravé komoře plicnicí. Věnčité (koronární) tepny vyživují samotný myokard. Převodní systém srdeční (pacemaker) tvoří SA uzel (sinusový rytmus ), AV uzel (), Hisův svazek a Purkyňova vlákna. Srdeční revoluce zahrnuje systolu (vypuzení krve) a diastolu (plnění krve). Myokard pracuje jako funkční soubuní (syncytium) díky interkalárním diskům. Minutový srdeční výdej () je součin tepové frekvence () a systolického objemu (); v klidu činí cca . Cévní systém tvoří tepny (vedou od srdce, mají silnou stěnu s hladkou svalovinou), žíly (vedou do srdce, obsahují chlopně a nízký tlak) a kapiláry (místo výměny látek). Krevní tlak () má normální hodnotu . Vazokonstrikce (zúžení) a vazodilatace (rozšíření) cév regulují průtok krve a krevní tlak pod vlivem autonomního nervstva a hormonů.
Krev a Lymfatický Systém
Objem krve u dospělého je . Krev se skládá z plazmy ( vody, pH ) a formovaných elementů. Hematokrit je poměr objemu krvinek k plazmě.
Erytrocyty (4–5 milionů/): Přenášejí kyslík pomocí hemoglobinu (obsahuje železo ). Životnost je dnů. Erytropoéza v červené kostní dřeni vyžaduje vitamín , kyselinu listovou a hormon erytropoetin (stimulován hypoxií).
Leukocyty (4–10 tisíc/): Obrana organismu. Dělí se na granulocyty (neutrofilní – , eozinofilní, bazofilní) a agranulocyty (monocyty, lymfocyty).
Trombocyty (200–300 tisíc/): Zástava krvácení (hemostáza). Srážení krve vyžaduje ionty vápníku a konverzi fibrinogenu na vláknitý fibrin. Lymfatický systém tvoří lymfa (míza), lymfatické cévy, uzliny a orgány jako slezina (zánik erytrocytů) a brzlík (dozrávání T-lymfocytů). Imunita je nespecifická (vrozená, fagocytóza) a specifická (získaná, lymfocyty B tvořící protilátky a lymfocyty T zajišťující buněčnou imunitu).
Trávicí a Vylučovací Systém
Trávicí trubice začíná ústní dutinou (mechanické zpracování, slinná amyláza – ptyalin) a pokračuje jícnem, žaludkem (pepsin, , vnitřní faktor pro ), tenkým střevem (hlavní místo vstřebávání, dvanáctník, lačník, kyčelník) a tlustým střevem (vstřebávání vody, mikroflóra syntetizující vitamín a ). Slinivka břišní produkuje enzymy (trypsin, chymotrypsin, lipáza, amyláza). Játra produkují žluč (emulgace tuků), ukládají glykogen a detoxikují krev přivedenou vrátnicovou žílou. Vylučovací systém (ledviny) udržuje homeostázu. Základní jednotkou je nefron (glomerulus, tubuly, Henleova klička). Filtrace krve v glomerulu vytváří primární moč (), tubulární resorpce vrací vodu a živiny do krve za vzniku definitivní moči (). Ledviny také produkují renin (regulace krevního tlaku) a erytropoetin. Urea (močovina) je odpadním produktem metabolismu dusíku vznikajícím v játrech.
Endokrinní Systém a Hormonální Regulace
Hormony jsou produkovány žlázami s vnitřní sekrecí přímo do krve a působí na specifické receptory. Hypotalamus řídí hypofýzu (podvěsek mozkový) pomocí liberinů a statinů. K hormonům adenohypofýzy patří růstový hormon (), tyreotropin (), adrenokortikotropin () a prolaktin. Neurohypofýza uvolňuje antidiuretický hormon (, zvyšuje resorpci vody) a oxytocin. Štítná žláza produkuje tyroxin () a trijodtyronin (), zvyšující metabolismus (vyžadují jód), a kalcitonin (snižuje kalcémii). Příštítná tělíska vylučují parathormon (zvyšuje kalcémii uvolňováním z kostí). Slinivka břišní (Langerhansovy ostrůvky) produkuje inzulín (vstup glukózy do buněk, snižuje glykémii) a glukagon (zvyšuje glykémii). Nadledviny mají kůru (kortikosteroidy: aldosteron – sodík; kortizol – stresový, katabolický, protizánětlivý) a dřeň (katecholaminy: adrenalin a noradrenalin – poplachová reakce, zvýšení srdeční frekvence). Ledviny produkují renin a erytropoetin. Melatonin z šišinky (epifýza) řídí biorytmy.
Nervový Systém a Senzorika
Nervová soustava se dělí na CNS (mozek, mícha) a PNS. Neuron je tvořen tělem, dendrity a axonem s myelinovou pochvou. Vedení vzruchu probíhá jako akční potenciál (depolarizace/repolarizace). Synapse umožňují jednosměrný přenos signálu pomocí neurotransmiterů (acetylcholin, noradrenalin, dopamin, GABA). Mozkový kmen obsahuje centra pro životně důležité funkce (dýchání, krevní oběh). Mozeček (cerebellum) koordinuje pohyby a rovnováhu. Koncový mozek má šedou kůru (gyrus precentralis – motorika; gyrus postcentralis – senzitivita). Autonomní nervový systém (ANS) řídí vnitřní orgány: sympatikus (torakolumbální, aktivace, stres – "boj nebo útěk") a parasympatikus (kraniosakrální, regenerace, klid). Hlavním centrem ANS je hypotalamus. Smyslové systémy zahrnují zrak (tyčinky pro šero, čípky pro barvy), sluch (středoušní kůstky, hlemýžď – vnitřní ucho), rovnováhu (vestibulární aparát se statokinetickým čidlem) a propriocepci (svalová vřeténka vnímají délku svalu, Golgiho šlachová tělíska vnímají napětí).
Termoregulace a Energetický Metabolismu
Člověk je homoiotermní živočich s centrem termoregulace v hypotalamu. Teplota jádra je . Ztráty tepla probíhají sáláním (radiace), prouděním (konvekce), vedením (kondukce) a odpařováním potu (evaporace). Svalový třes a vazokonstrikce jsou obranné reakce na chlad; vazodilatace a pocení na teplo. Pocení je neúčinné při vysoké vlhkosti vzduchu, kdy se pot neodpařuje. Metabolismus zahrnuje anabolismus (skladné reakce, spotřeba energie) a katabolismus (rozkladné reakce, uvolnění energie). Základní energetickou jednotkou je . Energetické ekvivalenty živin jsou:
Sacharidy: .
Tuky: .
Bílkoviny: . Bazální metabolismus () je minimální energie k udržení života, závisí na věku, pohlaví a ploše těla. S věkem klesá. Klidový metabolismus odpovídá přibližně . Respirační kvocient () sacharidů je , tuků . Resyntéza probíhá anaerobně (ATP-CP systém, anaerobní glykolýza s tvorbou laktátu) nebo aerobně v mitochondriích (Krebsův cyklus, dýchací řetězec).