FIZJOLOGIA WYSIŁKU FIZYCZNEGO  

Wysiłek fizyczny to  wzrost kosztu fizjologicznego w responsie na bodziec wysiłkowy – praca mięśni szkieletowych wraz z całym zespołem towarzyszących jej czynnościowych zmian w organizmie. Miarą bodźca jest jego: objętość, intensywność, cykliczność, częstotliwość.

Wyróżniamy:

  • wysiłek ogólny – gdy w wysiłek zaangażowanych jest ponad 30% masy mięśniowej (zależy od masy ciała);
  • wysiłek lokalny – gdy w wysiłek zaangażowane jest mniej niż 30% całej masy ciała (praca 1 lub 2 kończyn);
  • wysiłek maksymalny– gdy zapotrzebowanie na tlen podczas wykonywania pracy jest równe indywidualnej wartości maksymalnej objętości pobranego podczas wysiłku tlen

Podczas wysiłku fizycznego następuje przetwarzanie energii chemicznej, rodzącej się w czasie metabolizmu komórkowego, w energię mechaniczną niezbędną do pracy mięśni. Człowiek w czasie pracy fizycznej wykorzystuje max. 30% energii zawartej w produktach żywnościowych. Reszta jest zamieniana w ciepło. Procesy metaboliczne związane są z przemianą materii i energii, mogą przebiegać w warunkach tlenowych i beztlenowych. W wykonywaniu wysiłku główną rolę odgrywa praca mięśni. Mięśnie szkieletowe to około 42 procent masy ciała człowieka.

W spoczynku:

  • 60% zapotrzebowania energetycznego mięśni pokrywane jest przez wolne kwasy tłuszczowe,
  • 40% – przez glukozę.

W czasie wysiłku max. w ciągu niewielu milisekund zapotrzebowanie energetyczne włókien mięśniowych wzrasta ok. 100–krotnie.

KLASYFIKACJA WYSIŁKÓW: 

Ze względu na dominujący rodzaj skurczu:

  • wysiłek dynamiczny – mięśnie zmieniają długość przy względnie stałym napięciu (skurcz izotoniczny),
  • wysiłek statyczny – mięśnie zmieniają napięcie i nie zmienia się długość (skurcz izometryczny).

Ze względu na wielkość grup mięśni biorących udział w wykonywaniu pracy: 

  • wysiłek lokalny- udział w wysiłku mniej niż 30% masy mięśni (np. praca jednej kończyny),
  • wysiłek ogólny- w wysiłku bierze udział ponad 30% masy mięśniowej.

Ze względu na rodzaj toru przemian energetycznych:

  • tlenowe – aerobowe,
  • beztlenowe – anaerobowe:
  • fosfagenowe (niekwasomlekowe),
  • glikolityczne (kwasomlekowe),
  • mieszane – tlenowo-beztlenowe.

W zależności od czasu wykonywania pracy:

  • wysiłek krótkotrwały – do 15 min.,
  • wysiłek o średnim czasie – czasie trwania do 30 min.,
  • wysiłek długotrwały – ponad 30 min.

ENERGETYKA WYSIŁKU FIZYCZNEGO 

W wysiłku, praca mięśni w 40% powoduje wytworzenie energii – ATP, a w 60% powstanie ciepła. Wydajność energetyczna pracy mięśniowej (współczynnik pracy użytecznej) to proporcja między wielkością wykonanej pracy mechanicznej, a ilością wydatkowanej energii chemicznej.

Koszt fizjologiczny wysiłku fizycznego

Koszt fizjologiczny to pojęcie inne od kosztu energetycznego, gdyż koszt energetyczny wykonywanej pracy możemy precyzyjnie zmierzyć. Obciążenie fizjologiczne związane jest z funkcjonowaniem narządów i układów człowieka, związanych z rodzajem wykonywanej pracy i nie ma obiektywnych metod, które by pozwalały je dokładnie zmierzyć. Ma ono cechy wysoce zindywidualizowane, acz można wyodrębnić pewne wspólne uwarunkowania, wynikające z charakteru wykonywanej działalności. Przykładowo funkcje układu pokarmowego, krążenia i innych mają związek z charakterem wykonywanej pracy w sensie obciążenie, jak i towarzyszącym stresem i emocjami. Niełatwo jest odnaleźć bezpośredni związek między tymi zależnościami, chociaż związek taki bezsprzecznie istnieje. Wydatek energetyczny jest niejednokrotnie stosowany jako energetyczne kryteria ciężkości pracy fizycznej. Do oceny ciężkości pracy wykorzystywana jest wielkość wydatku energetycznego w ciągu zmiany roboczej.

Metody pomiaru wydatku energetycznego:

  • kalorymetria bezpośrednia,
  • kalorymetria pośrednia,
  • chronometrażowa (tabelaryczna wg Lehmana),
  • oceny na podstawie mechanicznego efektu pracy,
  • oceny na podstawie zmian fizjologicznych,
  • oceny uciążliwości wynikającej z wysiłków statycznych,
  • oceny uciążliwości związanej z monotypowością ruchów roboczych,
  • badanie „odnowy tętna”.

Metody tabelaryczne: przy braku możliwości wykonywania pomiaru wydatku energetycznego jedną z wymienionych wcześniej metod, wartości te możemy określić za pomocą szacunkowej metody chronometrażowo-tabelarycznej, odczytując z tabeli wartość wydatku energetycznego dla typowych czynności.

Źródła substratów

Różnice zachodzące w mięśniach podczas krótkotrwałego obciążenia o wysokiej intensywności są takie, że wysiłek jest zbyt krótkotrwały, aby koszt energetyczny mógł zostać pokryty przez tlenowe procesy metaboliczne (spalanie węglowodanów i tłuszczy), dlatego podczas takiego wysiłku głównym źródłem energii są beztlenowe procesy metaboliczne. Są natenczas wykorzystywane mięśniowe zapasy ATP, fosfokreatyny i glikogenu. Zapasy te mogą się zmniejszać bardzo znacząco, co obniża zdolność kompleksów aktomiozynowych do skracania się. Glukoza uwolniona z glikogenu jest metabolizowana do kwasu pirogronowego, który to w realiach braku tlenu zostaje zredukowany do kwasu mlekowego. Stężenie kwasu mlekowego w mięśniach gwałtownie wzrasta, a to z kolei powoduje wzrost stężenia jonów wodorowych w komórkach mięśniowych – my odczuwamy to jako tzw. zakwasy.

Praca mięśni a wysiłek fizyczny

Skurcz mięśnia to podstawowe fizjologiczne wydarzenie, które umożliwia nam podejmowanie wysiłku fizycznego.

W organizmie człowieka wyróżnia się trzy rodzaje mięśni: 

  • szkieletowe (łączą się ze szkieletem),
  • gładkie (tworzą mięśniową wyściółkę dla organów),
  • mięsień sercowy.

W wysiłku fizycznym mowa jest o pracy mięśni szkieletowych, dlatego też w tym opracowaniu skupimy się na nich. Na przykład zginanie w stawie łokciowym wymaga skracania mięśnia ramiennego i dwugłowego ramienia (biceps) – mm agonistyczne i rozluźnienia mięśnia trójgłowego ramienia (triceps) – antagonista. Mięsień ramienno-promieniowy (synergista) współdziała z mięśniem dwugłowym ramienia i mięśniem ramiennym, czyli asystuje w zginaniu w stawie łokciowym.

Energia a wysiłek fizyczny 

Celem pracy mięśni organizm domaga się energii. Specyficznym i będącym zarazem jedynym źródłem tej energii jest ATP (adenozynotrifosforan). Możemy powiedzieć, że nasze mięśnie są jak urządzenie zamieniające energię chemiczną w energię kinetyczną, tj. ruch. Wartą zaznaczenia rzeczą jest fakt, iż mięśnie nie tylko zużywają, ale także produkują energię.

Systemy produkcji energii 

Różnica pomiędzy tymi systemami wynika z tego, iż organizm pozyskuje energię do resyntezy ATP z różnych źródeł.

Anaerobowy niekwasomlekowy – w systemie tym organizm nie wykorzystuje tlenu i nie produkuje kwasu mlekowego, a do resyntezy ATP (czyli ponownego odtworzenia tego związku) używa fosfokreatyny. Ten system uruchamia się przy wysiłkach maksymalnych, trwających według różnych źródeł około 10 sekund. Do produkcji „paliwa” pochodzącego z cukrów, tłuszczy i niewielkiej ilości białek potrzebuje tlenu. Produkcja kwasu mlekowego jest znikoma.

Anaerobowy kwasomlekowy – system ten uruchamia się przy wysiłkach trwających do 2min. Rozpad cząsteczek cukru zachodzi bez udziału tlenu, ale organizm produkuje kwas mlekowy. Głównym substratem energetycznym są cukry.

Kwas mlekowy 

Zakwaszenie wynikające z wysiłków fizycznych tradycyjnie tłumaczy się nadprodukcją kwasu mlekowego, który uwalniając proton H+ doprowadza do spadku PH. Jeżeli ilość wolnego protonu H+ przekroczy wewnątrzkomórkowe systemy buforujące, dochodzi do wzrostu zakwaszenia i objawowej kwasicy metabolicznej. Według tej teorii 1 z wielu przyczyn ograniczających możliwości wysiłkowe mięśnia w czasie intensywnej pracy jest wzrost stężenia mleczanu, który prowadzi do wewnątrzkomórkowej kwasicy. Tradycyjna interpretacja bazuje na fakcie, iż kwas mlekowy jest stosunkowo silnym kwasem organicznym (pKa=3,87), który w środowisku komórkowym występuje w całkowicie zdysocjowanej formie. Uwolnione protony H+ doprowadzają właśnie do wystąpienia kwasicy metabolicznej, zwanej również, od rzekomego dawcy protonów, kwasicą mleczanową.

Istnienie kwasu mlekowego odkrył w 1780 roku szwedzki chemik Carl Wilhelm Scheele. Jego obecność stwierdził w kwaśnym mleku, co było powodem do nadania cząsteczce nazwy kwas mlekowy (właściwa nazwa chemiczna to kwas 2-hydroksypropanowy). Dwaj laureaci nagrody Nobla w 1922 roku, Otto Meyerhoff i Archibald V. Hill, byli pionierami badań nad biochemią wysiłków fizycznych. Ich badania nad utlenianiem węglowodanów pokazały, iż w okolicznościach niedoboru tlenu utlenianie glukozy prowadzi do powstania kwasu mlekowego. Powstaje on również w czasie, gdy nagle wzrasta zapotrzebowanie energetyczne pracującego mięśnia, a źródła dostarczania substratów energetycznych, przy udziale procesów tlenowych, nie wystarczają już. Stwierdzenie obecności kwasu mlekowego w pracującym mięśniu dało podstawę do wysnucia teorii o przyczynie rozwoju kwasicy metabolicznej, której to bezpośrednim przyczynkiem ma być narastające stężenie kwasu mlekowego. Na podstawie tegoż poglądu przeprowadzano wiele eksperymentów, które miały potwierdzić założoną tezę. Wyniki 1 z nich zaprezentowano poniżej.

Przy wysokiej intensywności pracy, mięśnie produkują kwas mlekowy, który pojawia się we krwi w postaci soli, nazywanej mleczanem. Kwas mlekowy i mleczan są generalnie uznawane za istotną przyczynę wystąpienia zmęczenia, drętwienia i bolesności powysiłkowej pośród trenujących osób. Autorzy ostatnich badań potwierdzili możliwość istnienia zmęczenia mięśni przy małym poziomie mleczanu oraz niemalże braku zmęczenia przy jego wysokim stężeniu. Wskazują również, iż w wielu sytuacjach możliwości wysiłkowe biegacza nie zależą, jak sądzi wielu, od produkcji mniejszej ilości mleczanu, lecz na możliwości do jego wręcz wzmożonego wytwarzania. Podważają również istnienie progu anaerobowego (beztlenowego) – takiej intensywności wysiłku, powyżej której gros energii pozyskiwana jest na drodze metabolizmu beztlenowego (glikoliza) – dowodząc, że obecna wiedza naukowa nie potwierdza jego istnienia. Badacze sugerują, że nawet, jeśli próg anaerobowy jest, to nie ma tak dużego znaczenia (zastosowania), jakie niektórzy mu przypisują. Szeroko uznawane przekonanie, że kwas mlekowy jest źródłem wszelakich dolegliwości jest nadal popierane przez naukowców, którzy nie śledzą nowości albo nie mają odwagi, by powiedzieć prawdę sportowcom, gdyż boją się przeciwstawić społecznej opinii. Jeśli zbadamy jednak detale tego, jak energia jest produkowana w mięśniach w różnego rodzaju wysiłkach, dochodzimy do wniosku, iż mleczan nie jest odpowiedzialny za dolegliwości, za które niektórzy go obwiniają.

Wysiłek fizyczny a układ krążenia. Wpływ na ryzyko chorób sercowo-naczyniowych 

Wysiłek fizyczny to podstawowy element prewencji pierwotnej i wtórnej chorób układu krążenia, uwzględniony w zaleceniach Europejskiego Towarzystwa Kardiologicznego. O możliwościach organizmu człowieka do wykonania konkretnego wysiłku fizycznego decydują mechanizmy adaptacyjne układu krążenia. Obejmują one zmiany: czynności serca i ciśnienia tętniczego krwi, objętości wyrzutowej i pojemności minutowej, różnicy

tętniczo-żylnej wysycenia tlenem oraz dystrybucji przepływu krwi. Sprawność tych mechanizmów, determinuje zdolności do wykonywania różnego rodzaju wysiłków fizycznych, ich efektywności oraz tolerancji, zależy nie tylko od intensywności treningu, ale także od określonych uwarunkowań genetycznych. Wśród nich wymienia się m.in. polimorfizm I/C genu ACE, polimorfizm R577X genu alfa aktyniny 3 ACTN3, czy polimorfizm – 9BDKBR12 genu baradykininy typu

Istnienie określonych genotypów decyduje o rosnącej zdolności do wykonywania albo intensywnego wysiłku siłowego, albo wytrzymałościowego. Według wielu badań, w tym jednego z pierwszych, wydanego w 1953 roku w piśmie Lancet, wiadomo, że regularny wysiłek fizyczny wpływa na zmniejszenie częstości zdarzeń sercowych, zgonów z powodu schorzeń układu krążenia i zgonów. W świetle badań ostatnich lat okazuje się, że o oddziaływaniu wysiłku fizycznego na stan zdrowia człowieka również decydują uwarunkowania genów. Wśród nich wymienia się m.in. polimorfizm V227A genu PPARalfa, czy polimorfizm Arg16/Gly genu receptora adrenergicznego beta 2. Badania podłoża molekularnego wysiłku fizycznego mogą służyć do definiowania genotypu, charakteryzującego ludzi, dla których wysiłek jest szczególnie ważnym i skutecznym sposobem zapobiegania chorobom układu krążenia. Każdy wysiłek fizyczny związany jest z pewnymi zmianami w funkcjonowaniu układu krążenia, warunkującymi możliwość przystosowania do jego wykonania. Zmiany te są odmienne przy zmiennych wysiłkach. Rozróżniamy 2 podstawowe rodzaje wysiłku fizycznego: dynamiczny (izotoniczny), który wiąże się ze zmianą długości mięśni a nie ich napięcia oraz wysiłek statyczny (izometryczny), związany ze zmianą napięcia a nie długości mięśni. Oprócz rodzaju wysiłku, także jego intensywność, czas działania czy warunki zewn., takie jak temperatura, klimat czy wilgotność powietrza, w których jest wykonywany, wpływają na przebieg adaptacji organizmu do zwiększonego obciążenia organizmu. Procesy te zależą także w dużej mierze od sprawności różnych mechanizmów regulacyjnych oraz od uwarunkowań genetycznych. Te ostatnie czynniki wpływają nie tylko na możliwości adaptacyjne do aktualnie wykonywanego wysiłku, ale także określają możliwości poprawienia sprawności i wydolności fizycznej w wyniku regularnego treningu. Są poza tym jednym z podstawowych elementów wpływających na skuteczność aktywności fizycznej, jako elementu prewencji chorób sercowo-naczyniowych.

Zmiany czynnościowe zachodzące w układzie krążenia podczas wysiłku fizycznego

Adaptacja układu krążenia do wysiłku fizycznego obejmuje przyspieszenie czynności serca (HR), wzrost objętości wyrzutowej i pojemności minutowej, zwiększenie różnicy tętniczo-żylnej wysycenia krwi tlenem oraz ciśnienia tętniczego. Zmiany te mają na celu zaopatrzenie pracujących mięśni w odpowiednią ilość tlenu.

Adaptacja układu krążenia do wysiłku fizycznego obejmuje zmiany:

  • Czynności serca i ciśnienia tętniczego krwi,
  • Objętości wyrzutowej
  • Pojemności minutowej
  • Różnicy tętniczo-żylnej wysycenia tlenem
  • Dystrybucji przepływu krwi

Działanie serca przyspiesza proporcjonalnie do trwania wysiłku, a po kilku minutach dochodzi do ustalenia równowagi ze stałą wartością HR, która zmienia się przy następnym zwiększeniu intensywności wysiłku, by znów po 2-4 minutach ustabilizować się na równym poziomie. Z reakcją tą, określaną w piśmiennictwie anglojęzycznym mianem steady state, mamy do czynienia w czasie wysiłków dynamicznych submaksymalnych (chód, bieg, jazda na rowerze). Gdy wysiłek wykonywany jest w wysokich temperaturach, wzrost częstości skurczów serca zwiększa się równomiernie, co stanowi 1 z mechanizmów termoregulacyjnych. Oba mechanizmy mogą doprowadzić do osiągnięcia maksymalnej wartości HR, która określana jest w przybliżeniu wg prostego wzoru: 220 – wiek.

Zmiany ciśnienia tętniczego podczas wysiłku fizycznego dotyczą wyraźnego wzrostu ciśnienia skurczowego do wartości powyżej 200 mmHg, proporcjonalnego do wzrostu intensywności wysiłku oraz w mniejszym stopniu wzrostu ciśnienia rozkurczowego – w warunkach właściwych maksymalnie o 12% w stosunku do wartości w spoczynku.

Część wiedzy biorę z kursów, które ukończyłem. Miło będzie jeśli dacie znać co chcecie jako następną tematykę.

Udostępnijcie znajomym, będę bardzo wdzięczny i pomoże mi to w dalszym rozwoju blogu.

Życzę miłego czytania i pozdrawiam.