FIZJOLOGIA PRACY I WYPOCZYNKU
literatura:
- Artur Jaskólski: „ Podstawy fizjologii wysiłku fizycznego z zarysem fizjologii człowieka”, AWF Wrocław 2002r.
- Jan Górski: „Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego”, Wydawnictwa Lekarskie PZWL, Warszawa 2001r.
- Hubner-Woźniak E. Lutosławska G.: „Podstawy biochemii wysiłku fizycznego”, Wydawnictwo Biblioteka Trenera, Centralny Ośrodek Sportu Warszawa 2000r.
- Kuński H. „Trening zdrowotny osób dorosłych”, Poradnik lekarza i trenera, Agencja wydawnicza MEDSPORTPRES, Warszawa 2003r.
- Ambroży T. „Trening holistyczny metodą kompleksowej uprawy ciała”
- Bator A. Kasperczyk T. „Trening zdrowotny z elementami fizjoterapii”, wydawnictwo AWF Kraków 2000r.
- Malarecki I. „Wskazówki do ćwiczeń” - wskazówki do ćwiczeń z fizjologii wysiłku fizycznego, Wydawnictwo Warszawa AWF 2001r.
Definicje:
Fizjologia: (nauka o naturze) - nauka o procesach życiowych człowieka, bada prawa rządzące pracą narządów, układów komórek i tkanek.
Wyróżnia się:
fizjologię układu nerwowego - neurofizjologię
fizjologię patologiczną - fizjopatologię / patofizjologię
fizjologię komórek - cytofizjologię
fizjologię pracy elektry6cznej serca - elektrofizjologię
fizjologię drobnoustrojów i inne.
Fizjologia patologiczna zajmuje się badaniem zmian i zaburzeń w pracy komórek, narządów i układów, będących wynikiem choroby. Fizjopatologia jest dziełem fizjologii i patologii.
Zagadnienia wydolności.
Wydolność fizyczna jest miarą sprawności organizmu, określa się ja jako zdolność organizmu do podejmowania intensywnych i długotrwałych wysiłków wykonywanych z udziałem dużych grup mięśniowych bez szybko narastającego zmęczenia i związanych z nim zmian w środowisku wewnętrznym organizmu.
Za miarę wydolności przyjmuje się poziom maksymalnego zużycia tlenu, określanego wzorem: VO2max - czyli ilość tlenu zużywana (pochłaniana) w ciągu jednej minuty na jeden kilogram masy ciała. Wartość tą podaje się w ml. Niesie to pośrednią informację dotyczącą sprawności układu krążenia i przemiany materii. Im większe zużycie tlenu tym organizm jest bardziej wydolny (sprawny).
Wartość VO2max zależy od wieku, płci i dotychczasowej aktywności fizycznej. U kobiet jest o 20-30% mniejsza niż u mężczyzn, np. 22 letni mężczyzna wykazuje średnie zdolności pochłaniania tlenu w granicach 38-42 ml/min/kg, dla porównania wyczynowy biegacz 75-80 ml/min/kg.
Największa względna zdolność pochłaniania tlenu tyczy się narciarstwa biegowego (bez względu na płeć) oraz biegów długodystansowych i biegów na orientację. U mistrza narciarstwa biegowego stwierdzono VO2max na poziomie 94 ml/min/kg u mężczyzny i 74 ml/min/kg u kobiety.
Racjonalny trening fizyczny może zwiększyć indywidualne VO2max o około 30%.
Parametry charakteryzujące wysiłek fizyczny.
1. Wzrost stężenia mleczanu w mięśniach osoby niewytrenowanej - następuje po przekroczeniu granicy intensywności wysiłku zużywającego 50-60% indywidualnego VO2max, podczas gdy u osoby wytrenowanej dopiero po 70-80% tej wartości (zakwasy).
2. Zasoby węglowodanu w tkankach średnio wytrenowanego człowieka dochodzą do równowartości 2000 kcal pozwalają one na pokonanie biegiem dystansu ok. 30 km.
W zasobach tłuszczu zgromadzona jest energia zbliżona do 70000kcal co teoretycznie umożliwia przebiegnięcie dystansu 1000 km.
3. Wielkość wentylacji płuc jest skorelowana z masą i wzrostem. U osób dużych i średnio wytrenowanych przekracza często 100 l/min. U wyczynowych sportowców np. wioślarzy, biegaczy przekracza 200 l/min.
4. O tym jak intensywny będzie podjęty wysiłek, decyduje proces przemiany materii, który odbywa się w podziale na proces z udziałem tlenu i bez jego udziału - który z tych procesów zostanie użyty decydują mięśnie.
Ścieżka beztlenowa zużywa 19x więcej substratów energetycznych (węglowodanów lub tłuszczów) na wykonanie określonej pracy niż droga z wykorzystaniem tlenu, jest więc bardziej kosztowna ale pozwala szybciej uzyskać energię. W przeliczeniu na sekundę jest to 12x więcej energii.
Wykonanie każdego ruchu wymaga dostarczenia mięśniom energii, której nośnikiem jest adenozynotrifosforan (ATP) a umożliwia ją pęknięcie wewnętrznych wiązań fosforanowych cząsteczki. Zapasy ATP w mięśniach są bardzo niewielkie i wyczerpują się po ok. 5 sekundach ich pracy. Dłuższa praca wymaga natychmiastowego dostosowania resyntezy ATP do szybkości jej rozpadu, np. intensywny trening sprintera (bieg sprinterski) trwający do 10 sekund odbywa się przede wszystkim kosztem mięśniowych zasobów fotokreatyny (wysokoenergetycznego białka niezbędnego do odtwarzania i ponownego utworzenia ATP). Do wyczerpania tych zapasów organizm aby uzyskać niezbędną mu energię uruchamia dwa inne procesy metaboliczne:
- niewymagający udziału tlenu ANAEROBOWY
- wykorzystujący tlen AEROBOWY.
W początkowym okresie wysiłku zanim nie wzrośnie przepływ krwi przez mięśnie, zapewniający lepsze zaopatrzenie ich w tlen, uruchamiany jest proces zwany glikolizą - komórki mięśniowe rozkładają glikogen znajdujący się w mięśniu a uwolnioną energię wykorzystuje do odtworzenia ATP.
Beztlenowy metabolizm glikogenu prowadzi jednak do powstania kwasu mlekowego i nagromadzenia go w mięśniu. Wysoka koncentracja tego metaboliku wywołuje silny ból mięśni a po pewnym czasie istotnie utrudnia lub uniemożliwia pracę mięśni.
Poprzez trening mięśnie sportowców tolerują wyższy poziom koncentracji kwasu mlekowego, mogą też dłużej intensywnie pracować niż mięśnie niewytrenowane.
Procentowy udział procesów energetycznych podczas pracy trwającej określony czas można przedstawić w następującej tabeli:
Maksymalny czas pracy mięśni Beztlenowe Tlenowe
5 s. 95% 5%
10 s. 85% 15%
30 s. 80% 20%
60 s. 70% 30%
2 min. 50% 50%
4 min. 30% 70%
10 min. 10% 90%
30 min. 6% 94%
60 min. 3% 97%
120 min. 2% 98%
Po dwóch, czterech minutach od momentu rozpoczęcia ćwiczeń fizycznych, aktywność układów współdziałających w pokrywaniu zapotrzebowania tlenowego osiąga maksymalny poziom w metabolizmie pracujących mięśni i zaczynają dominować energetyczne procesy tlenowe.
Konkurencja sportowa Koszt całkowity pracy w kcal Resynteza ATP podczas wysiłku w kg
bieg 100 m 50 0,05
bieg 200 m 100 1,06
bieg 400 m 110 1,7
bieg 800 m 113 1,7
bieg 1500 m 140 2,1
bieg 10000 m 700 10,5
maraton 42195 m 3046 46,7
30.04.2005
Biochemia wysiłku fizycznego.
Hydroanaliza ATP.
ATP + H2O = ADP + fosforan + energia
Powyższa reakcja chemiczna to w wielkim skrócie klucz do naszych sukcesów.
Dzięki energii uwolnionej w powyższej reakcji (hydroanaliza ATP) nasze mięśnie mogą ulegać skurczom, dzięki czemu możemy biegać. Stężenie ATP (adenozynotrójfosforanu) w komórkach mięśnia jest ograniczone, i jeżeli wysiłek ma być kontynuowany ATP musi być odnowiony z tą samą szybkością z jaką jest zużywany.
Trening.
Z punktu widzenia biochemii, to nic innego jak oddziaływanie na zmiany w syntezie białka. Metody kształtowania wiodących cech motorycznych danej konkurencji są ściśle związane ze zmianami aktywności enzymów specyficznych dla konkretnych wysiłków.
Wytrzymałość.
Najistotniejszą cechą motoryczną każdego długodystansowca jest bez wątpienia wytrzymałość.
Wytrzymałość wg Sozańskiego to zdolność do kontynuowania długotrwałego wysiłku o określonej intensywności przy utrzymaniu możliwie największej efektywności pracy i zachowaniu podwyższonej odporności na zmęczenie - podczas wysiłków w różnych warunkach środowiska zewnętrznego.
Metodyka kształtowania wytrzymałości.
Polega na wielokrotnym doprowadzaniu organizmu do optymalnego poziomu zmęczenia co przez mechanizmy adapcyjne prowadzi do zjawiska „superkompensacji” i przyczynia się, łącznie z efektami adaptacji psychicznej, do podnoszenia poziomu wytrzymałości. Skuteczność treningu zależy nie tylko od wielkości zmęczenia, lecz także od charakteru wysiłku wywołującego to zmęczenie.
Trening wytrzymałości.
To chroniczne drażnienie komórek mięśniowych bodźcami nerwowymi typowymi dla danego rodzaju wysiłku. Adaptacja do wysiłku zachodzi poprzez zwiększenie zawartości mitochondriów w mięśniu. Prowadzi to do wzrostu zużycia O2 przez taki mięsień oraz zmiany większej ilości cząstek ADP w ATP na drodze fosforylacji oksydocyjnej (?) w mitochondriach. Pozwala to na wykonywanie większej pracy.
Dzieje się tak ponieważ:
- wzrasta aktywność enzymów przenoszących jony wodorowe z cytoplacmy do mitochondriów
- wzrasta ilość mitoglobiny w mięśniu.
Konsekwencją powyższych zmian jest wzrost VO2max i wzrost %VO2max wykorzystywanego, zmniejszenie ilości wytwarzanego mleczanu w trakcie pracy submaksymalnej i zwiększenie ilości włókien STHO.
Badania potwierdziły, że umięśnienie długodystansowców odznacza się wysoką zawartością % włókien wolnokórczliwych w przeciwieństwie do sprinterów, czy nawet średniodystansowców.
Szok grawitacyjny.
W praktyce sportowej znane są przypadki zasłabnięć i omdleń zawodników na mecie, zwłaszcza po zakończeniu konkurencji typu wytrzymałościowego. Stany takie są wynikiem zaburzeń w krążeniu krwi i w konsekwencji niedostatecznego zaopatrywania tkanki mózgowej w tlen. Może to mieć miejsce po dużych wyczerpujących wysiłkach, kiedy w spoczynku ustaje działanie tzw. pompy mięśniowej i krew niedostatecznie sprawnie jest odprowadzana z dolnych partii do serca a stąd do obszaru umózgowienia. Dochodzi w takich przypadkach do spadku ciśnienia tętniczego krwi, zbladnięcia i omdlenia. Jest to stan nazywany szokiem grawitacyjnym.
Wystąpieniu przejawów szoku ortostatycznego może zapobiec stosowanie np. lekkiego biegu po zakończeniu konkurencji.
Martwy punkt.
W początkowym okresie niemal każdej pracy obserwuje się pewne opóźnienie w adaptacji funkcji fizjologicznych do wymagań wykonywanego wysiłku. Zużycie O2 w tym okresie nie nadąża za całkowitym zapotrzebowaniem tlenowym, również wydalanie CO2 jest opóźnione. Prowadzi to w ostatecznym efekcie do tzw. martwego punktu.
Martwy Punkt to przejściowy okres zaburzeń występujących na skutek opóźnionej adaptacji fizjologicznych mechanizmów do wymagań wykonywanej pracy. W okresie tym występuje szereg objawów jak: pogorszenie ogólnego samopoczucia, uczucie silnego zmęczenia, niekiedy odczuwanie bólu mięśniowego, obniżenie zdolności postrzegania świata zewnętrznego, pragnienie przerwania pracy, może dojść nawet do załamania psychicznego oraz objawy pogorszenia efektywności wydolności fizycznej, obniżenie zdolności do pracy, pogorszenie efektywności oddychania (spłycenie i przyspieszenie rytmu oddechowego), pogorszenie wykorzystywania O2 z powietrza wdychanego oraz bardzo intensywne wydychanie CO2.
Występowanie objawów martwego punktu w zależności od dystansu.
Dystans (m) Szybkość (m/s) Czas (s) Odległość (m)
400 8,0 30 250
800 6,9 80 550
1500 6,3 180 1150
3000 5,3 380 2000
5000 5,2 380 2000
10000 5,3 380 2000
Występowanie objawów martwego punktu w znacznym stopniu zależy od stanu wytrenowania w wykonywanych wysiłkach, do którego organizm jest w pełni przystosowany. Martwemu punktowi nie muszą towarzyszyć omówione zaburzenia. Pewien wpływ na łagodzenie (w przypadku wystąpienia) tych zaburzeń ma prawidłowo przeprowadzona rozgrzewka.
Drugi oddech.
Mimo objawów martwego punktu prowadzi do pełnej mobilizacji mechanizmów adaptacyjnych (zwiększenie możliwości wydolności i ustąpienie zaburzeń). Okres, który nazywamy „rugim oddechem” charakteryzuje się ustępowaniem negatywnych objawów opóźnionej adaptacji.
Stabilizacja funkcjonalna.
Drugi oddech zapoczątkowuje okres stabilizacji funkcjonalnej, którą charakteryzuje równowaga między zapotrzebowaniem a zużyciem O2, między biochemicznymi procesami rozpadu z jednej strony i syntezy z drugiej, wreszcie między produkcją CO2 a jego wydalaniem. Równowaga funkcjonalna nazywana jest w języku fizjologicznym „steady state” i jest wyrazem przystosowania się ustroju do danego wysiłku fizycznego.(w zależności od rodzaju wysiłku procesy te zachodzą różnie)
Pułap tlenowy VO2max.
Pobór tlenu przez organizm człowieka to jeden z podstawowych parametrów diagnozujących wydolność. Najczęściej w diagnostyce wydolności jest wykorzystywany „pułap tlenowy”.
VO2max - największy możliwy pobór O2, który można zarejestrować w trakcie wykonywania maksymalnej pracy fizycznej. Pułap tlenowy można zmierzyć i jest to tzw. metoda bezpośrednia oraz oznaczyć lub wyliczyć metodami pośrednimi.
Klasyfikacja wydolności na podstawie pomiarów maksymalnego zużycia tlenu i aktywności fizycznej.
Wiek b. mała Mała Średnia Wysoka b. wysoka
Kobiety
20-29
30-39
40-49
50-65
Mężczyźni
20-29
30-39
40-49
50-65
Szacunkowy poziom wydolności fizycznej VO2max z....
Próg przemian beztlenowych AT (anaebioloc treshold).
AT - intensywność pracy wyrażona w % VO2max, przy której włącza się system syntezy ATP...
21.05.2005
Cechy warunkujące wydolność fizyczną.
1. Przemiany energetyczne bazujące na procesach tlenowych i beztlenowe oraz rezerwach energetycznych.
2. Poziom koordynacji ruchowej układu mięśniowego i nerwowego.
3. Termoregulacja i gospodarka wodno-elektrolitowa.
4. Właściwości budowy ciała.
5. Czynniki psychologiczne.
Pierwsze trzy decydują o zaopatrzeniu tlenowym, źródłach energetycznych oraz ich mobilizacji i wykorzystaniu, dodatkowo decydują o tolerancji zmian zmęczeniowych.
Najlepszym wskaźnikiem wydolności fizycznej jest pomiar VO2max. Wskaźnik ten zależy od maksymalnej wentylacji płuc i pojemności dyfuzyjnej płuc, objętości i pojemności tlenowej krwi, maksymalnej pojemności minutowej serca i różnicy tętniczo-żylnej zawartości hemoglobiny.
Pomiędzy pojemnością minutową serca a pobieraniem tlenu istnieje zależność liniowa.
Pojemność minutowa serca.
Jest iloczynem częstotliwości skurczów serca (tętno) i objętości wyrzutowej serca.
Tętno x Vwyrzutowa serca = Vmin serca
Czynnikiem decydującym wydolności fizycznej jest dostępność substratów energetycznych. Glikogen będący w komórkach mięśniowych zużywają tylko mięśnie, a glikogen wątrobowy najpierw jest przetwarzany w glukozę a następnie z krwioobiegiem jest dostarczany do tkanek mięśniowych. Stąd zapasy glikogenu w mięśniach są ograniczone, a przy długotrwałych wysiłkach głównym substratem energii stają się wolne kwasy tłuszczowe.
Wysiłek fizyczny powoduje powstawanie produktów przemiany materii, które zmieniają pH w kierunku kwaśnym.
Podnosi się temperatura ciała i ciśnienie osmotyczne w komórkach. Czynnikiem umożliwiającym tolerowanie tego zakwaszenia są tzw „układy buforowe”, a za utrzymywanie stałej temperatury ciała odpowiadają mechanizmy termoregulacji.
Czynnikiem przeciwdziałającym kwasowości jest także zdolność do usuwania kwasu mlekowego przez wątrobę, pracujące mięśnie szkieletowe a szczególnie przez włókna typu ST oraz nerki i mięsień sercowy.
Zmiany rejestrowane w spoczynku po wykonanym wysiłku.
1. Zmniejszenie częstotliwości skurczów serca.
Spoczynkowe - 70ud/min, a na skutek przeprowadzonego treningu tlenowego zmniejsza się do 60ud/min, a u najbardziej wytrenowanych sportowców jeszcze mniej.
Częstotliwość skurczów poniżej 60 jest nazywana bradykardią.
Pomiar ten jest typowym wskaźnikiem różnicującym osoby trenujące i nietrenujące.
Bradykardia powoduje:
- zwiększenie wydajności układu para sympatycznego i zahamowanie czynności układu sympatycznego co w efekcie działa na pobudzanie węzła zatokowoprzedsionkowego serca;
- zwiększenie Vwyrzutowej serca
pojemność minutowa osób trenujących i nie trenujących jest zbliżona, stąd można wywnioskować, że z powodu mniejszej częstotliwości skurczów serca u sportowców musi być zwiększona objętość wyrzutowa serca, którą powoduje powiększenie objętości komór albo zwiększenie kurczliwości mięśnia sercowego;
- powiększenie objętości serca.
U osób trenujących dyscypliny wytrzymałościowe serce jest powiększone i charakteryzuje się zwiększoną objętością bez zmian grubości ścian komór.
W przypadku wysiłków siłowo-szybkościowych, stwierdza się zwiększenie grubości ścian komór serca przy normalnej objętości.
Stąd trening wytrzymałościowy jest bodźcem objętościowym dla serca, a trening szybkościowo-siłowy jest bodźcem ciśnieniowym (jeśli chodzi o wzrost ciśnienia krwi) czemu musi się przeciwstawić lewa komora reagując zwiększeniem swojej grubości ścian.
Objętość serca nie wzrasta u każdego po treningu, co świadczy, że aby nastąpiły zmiany w wielkości serca musi być zastosowany odpowiednio intensywny i długotrwały trening, wraz ze wzrostem objętości serca następuje poprawa ukrwienia tego mięśnia co powoduje polepszenie przepływu krwi.
Objętość serca u osób nie trenujących wynosi 700 ml i może wzrosnąć na skutek treningu do 1300 ml.
- zwiększenie objętości krwi krążącej następuje przez wzrost ilości osocza o 10-12%, co ma duże znaczenie w powiązaniu z VO2max (zależność proporcjonalna).
- zwiększenie liczby kapilar w mięśniach szkieletowych.
U osób mających wysokie VO2max (powyżej 70ml/kg/min) średnia liczba kapilar otaczających jedno włókno mięśnia wynosi 5,9 a u osób nie wytrenowanych tylko 4,4. Ma to znaczenie w funkcjach dostosowawczych do wysiłku ponieważ za pomocą kapilar odbywa się wymiana gazowa i metaboliczna, przy czym występuje podział w liczbie kapilar w zależności od rodzaju włókien mięśniowych (włókna wolne i szybkie).
- hipertrofia mięśnia sercowego na skutek treningu może nastąpić na skutek zwiększenia masy serca w formie przystosowania fizjologicznego
poprzez zwiększenie masy serca następuje zwiększenie objętości wyrzutowej serca.
- korzystne zmiany metaboliczne:
wzrost aktywności tlenowych enzymów mitrohondrialnych
wzrost glikogenu mięśniowego
wzrost stężenia antyoksydontów
zwiększenie stężenia lipoprotein o dużej gęstości
zmniejszenie lipoprotein o małej gęstości
zwiększenie zawartości mitoblobiny, służącej za magazyn tlenu.
Wysiłek submaksymalny.
Jest to obciążenie o założonej mocy (zakłada się moc 100 W). Osoba trenująca jest badana przed i po wykonaniu wysiłku jednorazowo lub kilkakrotnie, przy tym samym obciążeniu, np.: jeśli przy obciążeniu 100W wartość Hz wynosić będzie 150/min i przy tym samym obciążeniu będzie wykonywany wysiłek po treningu, to częstotliwość skurczów (Hz) może zmaleć do 140-130/min.