FIZJOLOGIA WYSIŁKU FIZYCZNEGO

Wykład 1

• Fizjoterapia II rok, 2007/2008

  • Wykłady - ul. Grzegórzecka 20, sala 2 godz. 8.00-9.30 dr hab. Jan Bilski

    • czwartek 28.02.2008

    • czwartek 06.03.2008

    • czwartek 03.04.2008

    • czwartek 17.04.2008

    • czwartek 08.05.2008

    • czwartek 15.05.2008

    • czwartek 29.05.2008

  • 1 godz. wykładu do ustalenia

Literatura
Podstawowa

• ZARYS FIZJOLOGII WYSIŁKU FIZYCZNEGO. Podręcznik dla studentów - B. Czarkowska-Pączek, J. Przybylskiego (Red) URBAN & PARTNER, Warszawa, 2006

Pomocnicza

• Jan Górski - Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego PZWL 2006

• Jaskólski A. (Red.) Podstawy fizjologii wysiłku fizycznego z zarysem fizjologii człowieka. Wrocław, 2002 (dodruk 2005)

• Władysław Z. Traczyk - Diagnostyka czynnościowa człowieka. Fizjologia stosowana, PZWL 2001

• Stanisław Konturek - Fizjologia człowiek, Elsevier Urban & Partner, Wrocław 2007

• Stanisław Kozłowski, Krystyna Nazar - Wprowadzenie do fizjologii klinicznej, PZWL 1999

Uzupełniająca

• Stupnicki R. (Red.) Wybrane zagadnienia fizjologii wysiłku fizycznego. Instytut Sportu, Warszawa, 1992.

• Kubica R. Podstawy fizjologii pracy i wydolności fizycznej. Kraków, 1995.

• Hübner-Woźniak E., Lutosławska G. Podstawy biochemii wysiłku fizycznego. Warszawa, 2000.

• Ronikier A. Fizjologia sportu. Warszawa, 2001.

• Gieremek K., Dec L. Zmęczenie i regeneracja sił. Odnowa biologiczna. Akademia Wychowania Fizycznego Katowice 2000

Podstawowe pojęcia i klasyfikacja wysiłków fizycznych

• Mianem wysiłku fizycznego określa się pracę mięśni szkieletowych wraz z całym zespołem towarzyszących jej czynnościowych zmian w organizmie.

• Przedmiotem fizjologii wysiłku fizycznego są wszystkie procesy zachodzące w organizmie, związane z aktywnością ruchową.

• Charakterystyka procesów zachodzących w pracujących mięśniach i w innych narządach w czasie wysiłku zależy od:

  • rodzaju skurczów mięśni,

  • wielkości aktywnych grup mięśniowych,

  • czasu trwania wysiłku

  • intensywności pracy.

• Wykonywanie zamierzonych ruchów, za pomocą określonych grup mięśni wymaga:

  • zintegrowanej czynności układu ruchowego,

  • wzmożonego dostarczania tlenu i substratów energetycznych do pracujących mięśni

  • usuwania ciepła i powstających w nich produktów przemiany materii.

• Sprawny przebieg tych procesów zależy od czynnościowych możliwości wszystkich zaangażowanych układów i narządów oraz precyzyjnego działania mechanizmów kontrolujących ich czynność.

• Zagadnienia wchodzące w zakres fizjologii wysiłku wykraczają znacznie poza fizjologię mięśni szkieletowych i mechanizmy kontroli nerwowej czynności ruchowych.

Znaczenie aktywności fizycznej w życiu człowieka

• Aktywność fizyczna pełni wiele funkcji regulacyjnych w organizmie człowieka.

  • Do najważniejszych z nich należą:

    • stymulacja biogenezy białek mięśniowych,

    • stymulacja erytropoezy,

    • usprawnienie metabolizmu substratów energetycznych,

    • usprawnienie funkcjonowania układu wydzielania wewnętrznego,

    • poprawa wydolności układu sercowo-naczyniowego,

    • poprawa funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego.

• Głównym czynnikiem warunkującym aktywność ruchową człowieka jest wydolność fizyczna.

  • Przez pojęcie wydolności fizycznej należy rozumieć zdolność organizmu do wysiłku fizycznego, jak również tolerancję zaburzeń homeostazy wewnątrzustrojowej wywołanych wysiłkiem fizycznym i szybkie ich wyrównywanie po wysiłku.

  • Po kilku tygodniach ograniczenia aktywności fizycznej obserwuje się spadek wydolności fizycznej.

    • Dynamika spadku wydolności jest największa w przypadku bezczynności ruchowej (bed rest).

    • Zaledwie po trzech dniach unieruchomienia pacjenta stwierdza się m.in. zmniejszenie przepływu krwi w mięśniach kończyn dolnych, jak i spadek tolerancji glukozy.

  • W wyniku treningu fizycznego wydolność fizyczna wzrasta w szybkim tempie.

    • Pierwsze mierzalne efekty treningu, tj. wzrost wydolności fizycznej oraz poprawę stanu metabolicznego mięśni, obserwuje się już po 3-5 sesjach treningowych.

    • Największa dynamika wzrostu wydolności występuje w pierwszych 2-3 tyg. treningu.

    • Utrzymanie aktywności fizycznej w starszym wieku zmniejsza skutki starzenia się.

    • Zwłaszcza trening siłowy u osób w starszym wieku skutecznie zwalnia tempo utraty tak siły mięśniowej, jak i zdolności przemieszczania się.

Klasyfikacja wysiłków fizycznych

• W zależności od rodzaju skurczów mięśni wyróżnia się:

  • Wysiłki dynamiczne, w których mięśnie kurcząc się zmieniają swoją długość i wykonują pracę w znaczeniu fizycznym (skurcze izotoniczne lub auksotoniczne),

  • Wysiłki statyczne, w których wzrasta napięcie mięśni, ale nie zmienia się ich długość (skurcze izometryczne).

  • W warunkach naturalnych wysiłki często mają charakter mieszany

    • Obejmują fazę statyczną i dynamiczną w czynności tej samej grupy mięśni.

    • Jako wysiłek mieszany określa się też taki jego typ, w którym jedna grupa mięśni obciążona jest statycznie, a druga w tym samym czasie wykonuje pracę dynamiczną (np. chód lub bieg z utrzymywaniem w ręce ciężaru).

• Jeśli opór zewnętrzny jest większy niż siła wywierana przez mięśnie, np. podczas powstrzymywania spadającego ciężkiego przedmiotu lub schodzenia po schodach, mięśnie ulegają wydłużeniu w czasie skurczu.

• Pracę wykonywaną przez mięśnie w czasie takich wysiłków określa się jako pracę ujemną.

Podział wysiłków dynamicznych według ich intensywności oraz czasu trwania

• W obrębie wysiłków dynamicznych można wyróżnić:
  

• Wysiłki długotrwałe - ich czas mierzy się w godzinach, a intensywność nie przekracza progu mleczanowego

  • Próg mleczanowy (LT)

    • Próg mleczanowy (LT, Lactate Threshold) to taka intensywność wysiłku (wielkość generowanej mocy, prędkość biegu itp.), po przekroczeniu której stężenie mleczanu we krwi przekracza poziom spoczynkowy i systematycznie wzrasta

• Wysiłki o średnim czasie trwania - ich czas wynosi od kilkunastu minut do godziny, a intensywność (w zależności od czasu trwania) waha się od 100 do 130% mocy uzyskanej na progu mleczanowym.

• Wysiłki krótkotrwałe - ich czas wynosi od kilku do kilkunastu minut, a maksymalna intensywność może sięgać 90-120% mocy uzyskanej w chwili osiągnięcia V_O2max.

  • Maksymalny pobór tlenu

    • Wzrost intensywności wysiłku po przekroczeniu progu mleczanowego prowadzi do osiągnięcia maksymalnego poboru tlenu (V_O2max).

    • Pod pojęciem tym rozumie się największą ilość tlenu, jaką zużywa organizm wciągu jednej minuty.

• Wysiłki „sprinterskie" - czas trwania wynosi 1-60 s, a intensywność waha się od 60 do 100% maksymalnej mocy mięśniowej (MPO, maximal power output).

  • Moc maksymalna mięśni szkieletowych

    • Pod pojęciem mocy maksymalnej mięśni szkieletowych (maximal power output, MPO) rozumiemy maksymalną wielkość mocy, wyrażoną w watach (W), osiągniętą przez daną grupę mięśni w czasie próby wysiłkowej.

Ocena intensywności wysiłku na podstawie częstości skurczów serca (HR) wg. Astranda i Rodahla

Intensywność wysiłku

• lekka do 90 uderzeń/min.

• umiarkowana 90-110

• ciężka 110-130

• bardzo ciężka 130-150

• skrajnie ciężka 150-170

Ocena intensywności wysiłku na podstawie minutowego poboru tlenu (V_O2) wg. Astranda i Rodahla

Intensywność wysiłku V_O2(L/min)

• lekka do 0,5

• umiarkowana 0,5-1,0

• ciężka 1,0-1,5

• bardzo ciężka 1,5-2,0

• skrajnie ciężka ponad 2,0

W zależności od wielkości zaangażowanych grup mięśni wysiłki można podzielić na:

• ogólne, w których bierze udział co najmniej 30% całkowitej masy mięśni (np. obie kończyny dolne)

• miejscowe angażujące mniej niż 30% mięśni

W zależności od czasu trwania rozróżnia się:

• wysiłki krótkotrwałe (do 15 min),

• wysiłki o średnim czasie trwania (od 15 do 30 min),

• wysiłki długotrwałe (ponad 30 min).

W zależności od intensywności rozróżnia się wysiłki o różnym stopniu ciężkości

• Miarą intensywności (obciążenia) podczas wysiłków dynamicznych jest moc (praca zewnętrzna wykonana w jednostce czasu).

  • Jednostką mocy jest wat (W = J/s),

• W czasie wysiłków statycznych miarą intensywności jest wielkość siły generowanej przez mięśnie.

  • Powszechnie używaną a siły newton (N- kG/9,81).

• Miarą intensywności wysiłku może być też całkowity wydatek energii w jednostce czasu (kJ/min) lub odpowiadająca mu objętość tlenu pobranego z wdychanego powietrza (V_O2, L/min/l).

• W ergonomii podstawą określenia ciężkości pracy jest wydatek energii w jednostce czasu.

Klasyfikacja wysiłków fizycznych na podstawie wydatku energii

• Klasyfikacja wysiłków na podstawie wydatku energii charakteryzuje jednak bardziej stanowisko pracy niż rzeczywiste obciążenie organizmu pracującego człowieka, dlatego w fizjologii częściej określa się ciężkość pracy przez obciążenie względne.

• Obciążenie względne oznacza stosunek obciążenia wyrażonego w jednostkach bezwzględnych do indywidualnej zdolności generowania mocy, siły lub pobierania tlenu.

  • Obciążenie względne w czasie wysiłków dynamicznych można wyrazić w procentach mocy maksymalnej.

    • Wysiłek, podczas którego człowiek osiąga swój maksymalnego poboru tlenu (pułap tlenowy), określa się mianem wysiłku maksymalnego,

    • Wysiłki o intensywności mniejszej noszą nazwę submaksymalnych, a większe supramaksymalnych.

Obciążenie względne w czasie wysiłków statycznych

• W czasie wysiłków statycznych obciążenie względne wyraża się w procentach siły maksymalnego skurczu dowolnego danej grupy mięśni (MVC).

  • Obciążenie względne w czasie wysiłków statycznych

    • Wysiłki lekkie - kiedy siła skurczu mięśni nie przekracza 10-15% MVC,

    • średnio ciężkie - 15-30% MVC,

    • ciężkie – 30-50% MVC ,

    • bardzo ciężkie - wymagające ponad 50% MVC.

Skala Borga

W zależności od rodzaju procesów biochemicznych dominujących w pokrywaniu zapotrzebowania energetycznego wysiłki można podzielić na:

• beztlenowe (anaerobowe)

• tlenowe (aerobowe).

• Podział ten pokrywa się w znacznym stopniu z klasyfikacją wysiłków w zależności od ich intensywności.

  • Wysiłki beztlenowe odpowiadają wysiłkom supramaksymalnym, a tlenowe submaksymalnym.

  • Wysiłki statyczne począwszy od 30% MVC należą do beztlenowych.

Ogólna wydolność fizyczna

• Mianem ogólnej wydolności fizycznej określa się zdolność do długotrwałego wykonywania ciężkich wysiłków z udziałem dużych grup mięśni (wysiłków ogólnych), bez większych zaburzeń homeostazy.

  • Jest to pojęcie węższe niż pojęcie sprawności fizycznej obejmujące wszystkie cechy motoryczne, takie jak siła, wytrzymałość, szybkość ruchów, gibkość, zwinność itp.

Koszt energetyczny wysiłków fizycznych

• Ilość energii uwalnianej w organizmie można oznaczyć na podstawie ilości wytwarzanego ciepła w specjalnym kalorymetrze i pomiaru wykonanej pracy zewnętrznej.

• W praktyce wykorzystujemy metody pośrednie polegające na pomiarze objętości pobieranego tlenu przez organizm w jednostce czasu (V_O2).

• Utlenianie substancji organicznych w organizmie dostarcza w przybliżeniu tyle samo energii, co ich spalenie poza organizmem - wymaga też dostarczenia takiej samej ilości tlenu.

  • Uzyskanie około 20 kJ (5 kcal) energii wymaga dostarczenia 1 L O₂.

  • Koszt energetyczny każdego wysiłku można więc przedstawić w postaci zapotrzebowania na tlen (L O₂ /min).

  • Koszt energetyczny można wyrazić też jako wielokrotność zapotrzebowania na tlen w spoczynku w przeliczeniu na kg masy ciała, w jednostce zwanej MET (metabolic equivalent)

    • 1 MET = 3,7 ml O2 /min/kg

• Zapotrzebowanie na tlen nie zawsze jest takie samo jak pobieranie tlenu, ponieważ część energii w czasie wysiłków pozyskiwana jest na drodze biochemicznych procesów beztlenowych.

• Równoważnik energetyczny tlenu wynosi około 20 kJ/L.

  • Jego wartość zależy od rodzaju utlenianych substratów.

  • Przy utlenianiu tłuszczu wynosi 19,6 kJ/L, a przy spalaniu węglowodanów 21,1 kJ/L.

• Współczynnik oddechowy (RQ) - stosunek objętości uwalnianego dwutlenku węgla do objętości pobranego tlenu.

  • świadczy pośrednio o rodzaju wykorzystywanych substratów.

  • wynosi on 0,7 w przypadku utleniania samych tłuszczów, a 1,0 w przypadku utleniania węglowodanów.

  • wartości pośrednie wskazują na zużywanie mieszaniny różnych substratów.

  • białka nie są całkowicie utleniane, współczynnik oddechowy (0,8) nie odzwierciedla więc ich udziału.

• Z całkowitej energii uwalnianej w przebiegu procesów biochemicznych zachodzących w mięśniach około 40% wykorzystywane jest do syntezy ATP, natomiast pozostałe 60% rozpraszane jest w postaci ciepła.

• Porównanie pracy mechanicznej wykonanej podczas wysiłku z całkowitym wydatkiem energii, ocenianym na podstawie zużycia tlenu, wskazuje na to, że stanowi ona tylko 20 - 28% całkowitego kosztu energetycznego (współczynnik pracy użytecznej), a przy pracy małych grup mięśni rąk nie przekracza 10-15%.

  • Przy wykonywaniu szybkich naprzemiennych ruchów podczas biegu współczynnik pracy użytecznej może wzrosnąć do 60-70% dzięki wykorzystywaniu energii gromadzącej się w elementach elastycznych rozciąganych mięśni antagonistycznych.

  • Podczas wysiłków, w czasie których mięsień nie zmienia swojej długości (wysiłki statyczne), a więc nie wykonuje zewnętrznej pracy, współczynnik pracy użytecznej wynosi 0.

Źródła energii do pracy mięśni

Metabolizm wysiłkowy

• Procesy skurczu i rozkurczu mięśnia związane są z hydrolizą ATP poprzez układ ATP-az.

  • Główną rolę odgrywa ATP-aza miozynowa aktywowana przez aktynę w momencie interakcji białek kurczliwych - 70% całkowitej energii uwalnianej w czasie cyklu skurczowo-rozkurczowego związane jest z działaniem tego enzymu.

  • Pozostałe 30% energii zużywane jest głównie na aktywny transport jonów Ca²⁺ do siateczki śródplazmatycznej oraz na transport jonów przez błonę komórkową (pompy jonowe)

Źródła energii

• Zapas ATP w komórkach mięśni szkieletowych wynoszący 3-8 mmol/kg wilgotnej masy tkanki wystarcza na kilka maksymalnych skurczów (kilka sekund aktywności).

  • Aby sprostać zapotrzebowaniu, natychmiast po rozpoczęciu wysiłku fizycznego muszą być aktywowane procesy biochemiczne prowadzące do odtwarzania ATP.

Regeneracja ATP w mięśniach szkieletowych

• W pierwszej kolejności zostaje wykorzystana obecna w komórkach mięśniowych fosfokreatyna (PCr).

  • Przy udziale kinazy kreatynowej zostaje przeniesiona na ADP bogatoenergetyczna grupa fosforanowa z fosfokreatyny i w efekcie dochodzi do regeneracji ATP.

  • Produktem końcowym tej reakcji jest kreatyna.

  • Zasoby fosfokreatyny w mięśniach są jednak, podobnie jak zasoby ATP, niewielkie i także nie zapewniają właściwej ilości energii dla wysiłku fizycznego.

  • Podstawowymi mechanizmami regeneracji ATP w pracujących mięśniach są glikoliza beztlenowa i przemiany tlenowe w cyklu Krebs

Pytania

1. Klasyfikacja wysiłków fizycznych

2. Podział wysiłków dynamicznych według ich intensywności oraz czasu trwania

3. Pojęcie ogólnej wydolności fizycznej

4. Koszt energetyczny wysiłków fizycznych

5. Źródła energii do pracy mięśni