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运动生理学
运动生理学
学习运动生理学的目的是使人们了解运动使人体所发生的功能改变,它牵涉的面极广,既有生物学的,也有社会环境和精神心理方面的,在生物学领域中它又包含了遗传、组织解剖和生化等综合因素对生理的影响。
一、运动生理的生物学基础
生物学和生化是了解运动后生理变化的基础。
有时某些变化非常明确,例如运动中对作功肌提供O2和营养能源,但大量的改变由于其相互作用的机理极为复杂,至今尚不完全清楚,例如激素的效应等。
除此以外,还经常见到conditioning这一词,该词的直接含义是条件化,然而在康复治疗的实践中就很难理解,因此我们就意译为健化,这样,deconditioning就可以理解为失健。
在这一节内我们将就一些基本名词作出解释。
物质(matter):
物质是由原子、分子或其化合物所形成,占有一定的空间,并有它的质量。
所有生物学物体都是物质。
这些物质的基本特性是惰性(inertia),即保持其自身的完整性,亦即当外力作用试图改变其速度或位置时产生阻(抗)力。
质(mass):
在通常情况下所有物质的质保持恒定,即使它浸入水中或在太空失重状态下也如此。
质愈大其惰性愈大,外力作用下其改变愈小。
重量(weight):
重量与质相关但并不相同。
它相当于质受地球或气体天体引力的影响。
在地球上其引力是恒定的,人体不同的质产生不同的体重,但如在月球由于其引力较小,体重即变轻。
密度(density):
物质必然占据空间和容量,质的单位容量即为密度。
可用下述公式计算:
密度=质÷容量(用g/cm3表示)。
密度亦各各不同,即使两人具有相同的体重,由于其脂肪和肌肉的比例不同而密度不同,这可明显影响外形,例如一人脂肪占人体的38%,肌肉沾20%,而另一人脂肪只占自身体重的1/10,即3.8%,而肌肉占到43%,这二人就因为脂肪和肌肉所占容量不同而外形明显不同。
元素(element):
不同元素组成所有宇宙间的物质,同一元素的原子具有相同的荷电荷数,已有105种元素被证实,其中90种元素来自自然,其余15种则为人工合成。
元素的最重要特性是它通过常用的化学过程不能再分解成更为简单的形式。
水不是元素,因为它可以通过电解分成氢和氧。
在人体中最大量的元素是氧(65%)、碳(18%)、氢(10%)、氮(3%),这些元素的组合占有人体重量的96%,这些元素是糖、脂质、蛋白质、维生素和水的主要成分,并且是人体生物物理的结构单位。
其余则为矿物质,主要有钙(1.5%)、磷(1.0%)、钾(0.4%)、硫(0.3%)、钠和氯(各0.2%)、镁以及一些外源性的元素如金、银、矽、钼、锰、铜、钴、铬、硒等微量元素。
虽然后者量极少,但均很重要。
细胞结构(cellularorganization):
是维持生命的基本结构,很多形式的细胞组成了生物系统,不同细胞各具功能并通过特殊的结构执行其功能。
不同功能的细胞可有相似的化学性质,只是其结构排列和比例不同而已。
人体是有很多具有高度专门化的细胞组成各种组织和器官。
器官(organ):
由多种不同组织联合构成的结构单位,具有一定的形态,行使一定的生理功能。
人体由11种器官组成,即消化、泌尿、神经、表皮、骨骼、肌肉、内分泌、肺、淋巴、生殖和心血管。
每一器官又由特殊的组织联合执行协同功能。
例如高度分化的细胞组成表皮系统的3种主要成分:
皮肤、毛发、指甲,这一系统形成人体最外的保护层,以免深层的组织遭受不必要的损害或创伤,同时又接受压力、温度、疼痛刺激作出反应,皮肤还是合成维生素D的所在。
所有器官都有其独特功能,但它们之间又相互协调地工作着以保持人体功能的合适状态。
细胞(cell):
很多类型的细胞组成器官,是生命的基本单位。
它们大小不同,形态迥异,具有不同功能。
通常其大小为10μm,但鸡蛋的蛋黄细胞直径可达140μm(1μ=10-6m)。
其长度也相差极大,如红细胞仅为8μm,而肌细胞长达30cm,神经细胞纤维在牵拉下可达100cm。
细胞核是细胞最大结构并调节其功能,核中有染色体,具备遗传功能,DNA(脱氧核糖核酸)直接由细胞合成,具有高度分化的分子序列,它可记录、贮存和传递生物体的遗传信息。
RNA(核糖核酸)则为一信使,负责翻译、传递DNA的遗传基因。
分子(molecules):
分子可以认为是物质的最小单位,最小的分子可由2个原子构成并形成非常稳定的结构和具有其化学特性,如2个氧原子可合成一氧分子,3个氮原子可合成一氮分子。
只有破坏其化学键才能进一步断裂分解,如改变其化学键的构型也能改变其化学特性。
原子(atoms):
原子是构成分子的粒子,原子由原子核(nucleus)、中子(neuton)、质子(proton)和电子(electron)四个主要成分。
原子核包含有带中性电荷的中子和带正电的质子,两者紧密结合在一起,并形成近100%的原子的质量。
环绕原子核是电子层,带有负电荷,它受核中质子的吸引,且其数相等,如氢原子有1个质子,1个电子,氧有2个质子,2个电子,钙有20个质子,20个电子。
离子(ions):
离子是任何原子或原子簇失去或获得电子后形成的带电粒子,如一原子的电子数较质子少,即称阳离子(cation),如H+;如原子中的电子数多于质子数即为阴离子(anion),如Cl—。
如盐酸(HCl)即可分解为H+和Cl—,食盐中的NaCl,可分解为Na+、Cl—,这些Na+、K+、Cl—在溶液中均称为电解质(electronlytes)
化合物(compounds):
是由2种或更多的不同元素以化学键结合而成的物质。
最简单的为水,它由2个氢原子和1个氧原子结合而成。
混合物(mixtures):
混合物是多种物质(单质与化合物)的集合体,各自保留原有的化学性质。
换言之,混合物即由2种或更多的物质以物理形式结合而成。
混合物与化合物不同之处有
(1)混合物不用化学链连接;
(2)混合物可以利用过滤、离心、蒸发、渗出等办法分离,而化合物则必须采用化学反应方法使其链断裂始能分解;(3)与化合物不同的是混合物不是化学纯的物质。
混合物可以是异质的,可以是食品中营养物的混合如草莓和豆泥一起搅拌。
有3种形式的混合物:
(1)溶解(液)(solutions)由至少两种以上的物质形成一种均匀的混合体,可以是气、液体或固体。
O2和CO2可以在人的体液中溶解。
在溶液中量大的称为溶剂(solvent),而量小的称为溶质(solute)。
在人体内水是主要溶剂。
(2)混悬液(suspensions):
这是混合在一起的物质,可以用肉眼看到其中溶质,例如血液,如作高速离心即可将之分离,其中55%是血浆,其下是白细胞、红细胞、血小板等,共占约45%。
这种不同分层即为混悬液。
(3)胶态液(colloids):
它和混悬液相似,但它可以是透明的,且不发生沉淀,如血浆。
能量(energy):
是物质运动的一般量度,所有生物作功其动力常直接由化学能转变而来,如游泳、跑步等运动中的能量是由食物营养素经消化吸收后所提供,但它与“质”的物理特性不同,对能量不能明确有多大,形态如何和质的差别,而质有具体的量度概念。
所有能量均与活动有关,因此可理解为与变化相一致的动态过程。
如作功量增大,能量必须增高。
根据热动力学的第一律这一原理,能量是既不生成亦不被破坏的,仅仅是从一种形式转变成另一形式。
如燃油中存在大量化学能,在燃烧时很快转变成热能。
在人体所有在食品营养素中的化学能并不立即以热的形式出现,而是在肌肉活动中转变为机械能,最后成为热能。
细胞光合作用(photosynthesis)和细胞呼吸(respirations):
在生命细胞中最基本的能量转变是光合作用和呼吸。
光合作用是在日照下,其潜能被贮存在氢原子核中,在核聚变过程中释放,这种能量以γ射线形式出现或转变成放射能,植物叶中的叶绿素可吸收放射能,与CO2和水合成葡萄糖,将O2释放进入大气层。
植物体中糖可以转化为脂质和蛋白,为动物食后提供足够能量。
细胞呼吸正好和光合作用相反,是吸收O2呼出CO2。
贮存在糖、脂质和蛋白分子中的化学能在O2的作用下,部分能量可释放并转化为另一种化合物,为人体所用,其余能量可作为热能散发于大气中。
在细胞呼吸中产生的能量(糖+O2+CO2+H2O+ATP)用于维持生物体作功,并以3种形式出现:
机械能:
大部化学能最主要转变为肌收缩所需的机械能,肌纤维蛋白可直接将化学能转变利用。
但这也并非为惟一的形式。
在细胞核的染色体中可易化细胞分裂过程。
化学能:
在人体成长和维持生命中,都需要化学能,细胞组成常不断合成或分解,例如糖可合成肌糖,又可分解,氨基酸可合成蛋白再被分解,ATP(人体最基本的能量)可以分解成ADP+高能磷,又可由ADP再合成ATP等。
转运能:
人体的生命活动中,需要不断在细胞内外进行离子或物质交换所需的能量。
潜能和动能(potentialandkineticenergy):
任一系统中均存在有潜能和动能。
这两种能可用例子说明。
如山顶的水未流下时为潜能,一旦流下即成为动能。
在人体中潜能常需不断生物合成,由简单物质到生物物体。
三磷酸腺苷(ATP):
自然界最具活力的要素。
最早在1860年法国Pasteur发现它但不认识它,一直到1929年德国Lohmann发现在辅酶滤过体中存在一种不稳定物质,就是它使糖裂解。
它由一个腺苷和3个磷酸盐相结合,故命名为三磷酸腺苷(ATP)。
其潜能贮存于磷酸键中,称为“高能键”。
ATP在所有生命细胞各种活动中均需要,并且不论是何种物质产生,其结构都是相同的,可以说ATP是生命物质燃料之能源。
营养素的跨膜转运(transportofnutrientacrosscellmembranes):
千万种营养物质需要不断通过细胞膜进行细胞内外的转运。
它具有两种形式:
一种是被动转运,一种是主动转运。
被动转运有4种形式:
(见图4-1)
(1)简单弥散(simplediffusion):
是指在水溶液中分子经浆膜进行自由和持续交换。
如水分子、小的脂质和气体可以无阻碍地通过脂质细胞膜出入细胞,通常是从高密度进入低密度,直至内外平衡。
(2)易化弥散(facilitateddiffusion):
一些不可溶性脂质分子和其它脂不可溶性大分子与可溶性脂质携带分子相结合后才能进行的弥散功能,称易化弥散。
携带分子也称渗透酶(permeas),可打开浆膜通道,帮助一些不可溶化合物如糖、氨基酸,从低于其浓度梯度处跨越细胞膜。
以葡萄糖进入细胞为例:
因为葡萄糖是非脂溶、不带电荷的大分子,如没有渗透酶的存在极难通过细胞膜,一旦有渗透酶的帮助可提高通过细胞膜能力500倍。
(3)渗透(osmosis):
这是弥散的特殊形式,由于存在膜内外水分浓度的差异,例如半透膜将水溶液分隔成两部分,两侧水容量相等,如将溶质加入一侧的水溶液中,其溶质的浓度增高,其相应水分子减少,此时水分子即从另一侧进入该侧,这样使该侧(即增加溶质侧)的总容量增加,直至两侧溶质浓度相等。
在液体中溶质颗粒的浓度即称容积渗克分子浓度(osmolarity)。
在生物组织中经常有半透膜(如细胞膜)使很多溶质不易通过,特别如一些离子和蛋白质等,使膜两侧存在不同的溶质浓度,由于水可自由弥散,当水的液体静力压与使水通过膜的压力平衡时,水不能移至另一侧,即渗透终止。
由于水容量改变,可发生细胞形态改变,当细胞既不获得也不流失水时,称为等张性,也称等渗性。
在等渗时,不可透性的溶质如NaCl在细胞两侧的浓度相等,此时并无水的运动。
在正常情况下人体的细胞内外液体即为等渗性。
如细胞膜外不可透性溶质较细胞内有较高浓度时,此时细胞内水由于渗透作用而外流使细胞皱缩变小,此即为高渗性。
在组织水肿时需在血液内注射高渗液,可减少在组织中的过多水而消肿。
如细胞外液中不可透性溶质较细胞内少,此时细胞外液即称为低渗性,水即从细胞外进入细胞内,使细胞肿胀,如不纠正常可使细胞破裂。
(4)滤过(filtration):
这也是一种被动过程,此时水和其溶质可从高压向低压透过,例如肾小管的滤过作用,然后此滤液在肾小管中
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