Fizjologia aktywności fizycznej Wykład w ramach @-learningu dr Małgorzata Pasławska Warszawa, 2015/2016

dr Małgorzata Pasławska Wpływ wysiłku i treningu na: 1. układ krążenia 2. układ oddechowy 3. czynność przewodu pokarmowego 4. czynność układu odpornościowego dr Małgorzata Pasławska Zalecana literatura: Górski J. (red.) (2015) Fizjologia wysiłku i treningu fizycznego (2015), Warszawa: PZWL. Eberhardt A. (red.), (2008) Fizjologiczne podstawy rekreacji ruchowej z elementami fizjologii ogólnej człowieka, Warszawa: Almamer. Górski J. (red.) (2010) Fizjologia człowieka, Warszawa: PZWL. Warszawa, 2015/2016

Funkcje układu krążenia Podstawową czynnością układu krążenia jest zapewnienie przepływu krwi w naczyniach. Pełni on następujące funkcje: transportowanie tlenu i substratów odżywczych do tkanek; usuwanie dwutlenku węgla i produktów przemiany materii ze wszystkich tkanek organizmu; regulacja temperatury organizmu poprzez skórną regulację przepływu krwi; udział w reakcjach odpornościowych organizmu - transport przeciwciał, leukocytów do miejsca infekcji; transport hormonów.

Podstawowe pojęcia określające pracę serca Objętość wyrzutowa serca – objętość krwi, jaką komora wyrzuca do odpowiedniego naczynia w czasie jednego skurczu. W spoczynku wynosi ok. 80 ml krwi. Objętość minutowa – objętość krwi, jaką pompuje komora w ciągu jednej minuty. W spoczynku wynosi ok. 5,5 litra. 70 x 0,08 = ok. 5,5 l (iloczyn objętości wyrzutowej i częstości skurczów serca) Około 70 – częstość skurczów serca na minutę w spoczynku

Budowa serca

Przepływ krwi przez pracujące mięśnie Pracujące mięśnie zużywają więcej tlenu, substratów energetycznych, wytwarzają więcej CO2 i innych produktów przemiany materii oraz ciepła. Pracujący mięsień musi otrzymać więcej krwi, by móc kontynuować czynność skurczową W czasie wysiłku dochodzi do uruchomienia mechanizmów ogólnoustrojowych: Zwiększa się objętość minutowa serca Następuje redystrybucja krwi w ustroju

Objętość minutowa serca podczas wysiłku W czasie wysiłku o wzrastającym obciążeniu objętość minutowa serca rośnie liniowo do wzrostu zużycia tlenu, a tym samym do wzrostu obciążenia. U osób niewytrenowanych o dobrej wydolności może osiągać wartość 25 l/min W czasie wysiłku o wzrastającym obciążeniu w pozycji wyprostowanej objętość wyrzutowa wzrasta proporcjonalnie do obciążenia rzędu 40-50% VO2max, a następnie ulega stabilizacji. Wzrost objętości minutowej w czasie wysiłków powyżej 40-50% VO2max zachodzi wyłącznie dzięki wzrostowi częstości skurczów serca Maksymalna częstość skurczów serca u osób młodych wynosi ok. 200 na minutę. Formuła obliczania 1: 220 – wiek Formuła obliczania 2: 208 – 0,7 x wiek w latach

Wpływ wysiłku o wzrastającym obciążeniu na częstość skurczów serca

Objętość minutowa serca podczas wysiłku W czasie wysiłku o wzrastającym obciążeniu górna granica częstości skurczów serca (ok. 200/min) oraz objętości minutowej występuje przy obciążeniu wynoszącym 100% VO2max W czasie wysiłków przerywanych (interwałowych) o mniejszym obciążeniu i dłuższych przerwach, częstość skurczów serca wraca do wartości spoczynkowej W czasie wysiłków przerywanych (interwałowych) o większym obciążeniu i krótszych przerwach między kolejnymi wysiłkami, powrót do wartości spoczynkowych nie następuje, co ogranicza liczbę powtórzeń.

Objętość minutowa serca podczas wysiłku W czasie wysiłków długotrwałych o stałym obciążeniu objętość wyrzutowa stopniowo spada, a stała objętość minutowa jest utrzymywana przez wzrost częstości skurczów serca. Zjawisko to nazwano cardioviscular drift (dryf sercowo – naczyniowy). Przyczyną tego zjawiska jest spadek objętości osocza w następstwie utraty wody z potem. Zmniejsza to objętość krwi żylnej docierającej do serca.

Ciśnienie tętnicze podczas wysiłku W spoczynku ciśnienie skurczowe wynosi ok. 120 mm Hg, rozkurczowe zaś ok. 80 mm Hg. Ciśnienie skurczowe w czasie wysiłku dynamicznego zwiększa się w miarę wzrostu obciążenia wysiłkowego i może osiągnąć nawet 240 mm Hg. Ciśnienie rozkurczowe nie ulega większym zmianom. Główną przyczyną wzrostu ciśnienia skurczowego jest wzrost objętości minutowej serca.

Wpływ wysiłku na dystrybucję krwi w ustroju W spoczynku mięśnie szkieletowe otrzymują 15% objętości minutowej serca. W czasie wysiłku przepływ krwi przez pracujące mięśnie wzrasta w miarę wzrostu obciążenia i może osiągnąć wartość nawet 85% objętości minutowej. Oznacza to, że o ile w spoczynku objętość krwi docierającej do mięśni wynosi 0,825 l/min, o tyle w czasie wysiłku, wynosi ona 17 l/min. Przesunięcie tak ogromnej objętości krwi do pracujących mięśnie oznacza, że inne obszary ustroju otrzymują mniejszą część objętości minutowej W niektórych obszarach przepływ krwi w czasie wysiłku spada poniżej wartości spoczynkowej – nawet kilkakrotny spadek przepływu następuje w obszarze trzewno – wątrobowym i w nerkach.

Wpływ wysiłku na dystrybucję krwi w ustroju Tkanka Przepływ krwi Mózgowie b.z.* Mięśnie szkieletowe (pracujące) Krążenie wieńcowe Nerki Obszar trzewny (jelita, wątroba) Skóra ** *Ostatnio uzyskane dane kwestionują ten pogląd. Wskazują one, że w czasie wysiłków o obciążeniu do 60% VO2max przepływ krwi przez mózgowie wzrasta. Powyżej tego obciążenia wraca do wartości spoczynkowej, a nawet obniża się poniżej tej wartości. ** Przepływ krwi przez skórę ulega zwiększeniu, co umożliwia wydalanie ciepła, którego wytwarzanie rośnie wraz ze wzrostem obciążenia.

Wpływ wysiłku na dystrybucję krwi w ustroju Czynniki rozszerzające naczynia krwionośne i zwiększające przepływ krwi przez pracujące mięśnie to: Spadek prężności tlenu w pracującym mięśniu oraz wzrost prężności dwutlenku węgla Wzrost stężenia jonów wodorowych (czyli zakwaszenie), jonów potasu i tlenku azotu Wszystkie te czynniki rozszerzają miejscowo naczynia, co powoduje wzrost przepływu krwi. Wzrost ten jest proporcjonalny do wielkości pracy mięśnia Drugim czynnikiem zwiększającym przepływ krwi jest otwieranie zamkniętych w spoczynku naczyń włosowatych. W spoczynku otwartych jest ok. 10% tych naczyń, natomiast w czasie bardzo intensywnego wysiłku mogą być otwarte nawet wszystkie.

Mioglobina Mioglobina to białko znajdujące się w mięśniach szkieletowych oraz w mięśniu sercowym. Mioglobina odbiera tlen od hemoglobiny i następnie przenosi go z błony komórki mięśniowej do mitochondriów. Duże ilości mioglobiny znajdują się we włóknach typu I, mniejsze we włóknach typu IIA i niewielkie we włóknach typu IIX. Mioglobina jest wewnątrzkomórkowym magazynem tlenu.

Wpływ treningu na układ krążenia – częstość skurczów serca Trening wytrzymałościowy zwalnia spoczynkową częstość skurczów serca do 40 na minutę. Podaje się też niższe wartości– nawet do 30 na minutę u osób najlepiej wytrenowanych. Zwolnienie to nazywa się bradykardią spoczynkową. Bradykardii tej towarzyszy wzrost objętości wyrzutowej, co umożliwia utrzymanie objętości minutowej serca Zmniejszenie częstości skurczów serca i wzrost objętości wyrzutowej są korzystne, gdyż pozwala to na lepsze wypełnienie komór krwią. Ponadto u osób wytrenowanych częstość skurczów serca po wysiłku normalizuje się szybciej niż u osób niewytrenowanych.

Wpływ treningu na układ krążenia – wielkość serca Trening wytrzymałościowy zwiększa nie tylko objętość komór, lecz powoduje także zwiększenie grubości ściany komory lewej W następstwie rośnie masa i wielkość serca – serce atlety, serce sportowca. Obecnie uważa się, że jest to normalna reakcja fizjologiczna, nie zaś patologiczna.

Wpływ treningu na układ krążenia – objętość wyrzutowa Trening wytrzymałościowy zwiększa objętość wyrzutową serca, zarówno w spoczynku, jak i w czasie wysiłku. Wartości te mogą wzrosnąć nawet dwukrotnie U mężczyzn wytrenowanych objętość wyrzutowa podczas maksymalnego wysiłku może wzrosnąć nawet do 220 ml, podczas gdy u mężczyzn niewytrenowanych – do 110 ml Wzrost wypełnienia serca krwią jest następstwem wzrostu objętości osocza i mniejszej częstości skurczów serca u osób wytrenowanych (dłuższy czas napełniania), co w połączeniu ze zwiększona masą lewej komory, zwiększa objętość wyrzutową.

Wpływ treningu na układ krążenia – objętość minutowa Objętość minutowa w spoczynku u osób wytrenowanych jest taka sama jak u osób niewytrenowanych W czasie wysiłku o maksymalnym obciążeniu objętość minutowa u osób bardzo wytrenowanych wzrasta nawet do 40 l/min, natomiast u osób niewytrenowanych nie przekracza 25 l/min.

Wpływ treningu na układ krążenia – naczynia krwionośne W czasie treningu wytrzymałościowego w mięśniach powstają nowe naczynia włosowate (kapilary) Zwiększenie liczby kapilar oznacza ułatwienie dostawy tlenu oraz substratów energetycznych do pracujących mięśni, jak również ułatwienie usuwania produktów przemiany materii

Wpływ treningu na układ krążenia – ciśnienie tętnicze Trening wytrzymałościowy nieznacznie obniża spoczynkowe ciśnienie tętnicze skurczowe i rozkurczowe

Układ oddechowy Układ oddechowy – płuca + oskrzela główne + tchawica + krtań + gardło + przewody nosowe

Układ oddechowy Układ oddechowy = płuca + oskrzela główne + tchawica + krtań + gardło + przewody nosowe

Układ oddechowy Płuca są pokryte mocną łącznotkankową błoną – opłucną Na cykl oddechowy składa się wdech i wydech Wdech jest aktem czynnym i zachodzi dzięki czynności skurczowej mięśni oddechowych W czasie wdechu następuje zwiększenie objętości klatki piersiowej i w następstwie rozciągnięcie płuc W spoczynku wdech następuje dzięki skurczowi mięśnia przepony i mięśni międzyżebrowych zewnętrznych. Podczas wysiłku angażowane są również mięśnie oddechowe dodatkowe: mięsień piersiowy mniejszy, mięśnie zębate i mięsień mostkowo-obojczykowo-sutkowy

Układ oddechowy Spokojny wydech jest aktem biernym. Natomiast we wzmożony wydech angażowane są mięśnie oddechowe wydechowe: międzyżebrowe wewnętrzne i mięśnie tłoczni brzusznej W spoczynku w czasie spokojnego wdechu do płuc wchodzi ok 500 ml powietrza – to objętość oddechowa Częstość oddechów wynosi 10 / min. Wentylacja minutowa wynosi 6 litrów (objętość oddechowa x częstość oddechów na minutę) Czynnością układu oddechowego steruje kompleks neuronów pnia mózgu. Kluczową strukturą tego kompleksu jest ośrodek oddechowy zlokalizowany w rdzeniu przedłużonym. Jego zniszczenie powoduje nieodwracalne zatrzymanie oddechu.

Wpływ wysiłku na wentylację płuc Wentylacja minutowa płuc rośnie szybko już na początku wysiłku submaksymalnego o stałym obciążeniu. W miarę kontynuowania wysiłku wielkość wentylacji stabilizuje się W czasie wysiłku o wzrastającym obciążeniu wentylacja wzrasta liniowo wraz ze wzrostem obciążenia, aż do obciążeń rzędu 50-75% Vo2max. Przy dalszym wzroście obciążenia wzrost wentylacji znacznie wyprzedza wzrost obciążenia. Punkt, w którym wzrost wentylacji zaczyna być szybszy niż wzrost obciążenia to próg wentylacyjny

Próg wentylacyjny

Wpływ wysiłku na wentylację płuc W czasie wysiłku poniżej progu wentylacyjnego wzrost wentylacji zachodzi głównie za sprawą wzrostu objętości oddechowej, a w mniejszym stopniu za sprawą wzrostu częstości oddechów Powyżej progu wentylacyjnego wentylacja rośnie głównie dzięki wzrostowi częstości oddechów (nawet do 60 oddechów / min) Przy wentylacji powyżej 40 l / min rozpoczyna się oddychanie przez usta, co zmniejsza opory oddechowe Wymiana gazowa w płucach podczas wysiłku wzrasta zarówno na skutek wzrostu wentylacji, jak i wzrostu przepływu krwi przez płuca

Wpływ treningu wytrzymałościowego na wentylację płuc Trening nie zmienia struktury układu oddechowego ani wentylacji spoczynkowej Trening wytrzymałościowy zmniejsza wzrost wentylacji w czasie wysiłków o obciążeniu submaksymalnym. Zmniejsza to obciążenie wysiłkowe mięśni oddechowych, a tym samym wydłuża czas ich pracy do wystąpienia zmęczenia. Przyczyną jest lepsze wykorzystanie tlenu przez pracujące mięśnie u osób zaadaptowanych do wysiłku wytrzymałościowego Trening wytrzymałościowy przesuwa próg wentylacyjny w kierunku większych obciążeń (podczas wysiłków o wzrastającym obciążeniu)

Krew Krew składa się z części płynnej (osocza) i krwinek. Stosunek objętości krwinek do objętości pełnej krwi wyrażony w procentach określa się mianem hematokrytu. Prawidłowa wartość hematokrytu u mężczyzn wynosi 45%, a u kobiet 42%. Osocze składa się z wody (92%) i składników stałych (8%). Składniki stałe to głównie białka i elektrolity. Komórki krwi to: krwinki czerwone (erytrocyty), krwinki białe (leukocyty), płytki krwi (trombocyty). Płytki krwi biorą udział w procesie krzepnięcia i tamowania krwawienia Leukocyty odgrywają kluczową rolę we wrodzonych reakcjach obronnych ustroju.

Krew Erytrocyty zawierają barwnik krwi - hemoglobinę. Hemoglobina zawiera żelazo, które w płucach wiąże tlen (to reakcja utlenowania). Hemoglobina utlenowana nazywa się oksyhemoglobiną. Oksyhemoglobina przenośni tlen do tkanek, gdzie następuje jej częściowe odtlenowanie. W mięśniach znajduje się mioglobina - białko, które również ma zdolność wiązania tlenu. Mioglobina odbiera tlen od oksyhemoglobiny. Krew transportuje CO2 z tkanek do płuc.

Wpływ wysiłku na krew W czasie długotrwałego wysiłku zmniejsza się objętość osocza, nawet o 15%, czyli zachodzi hemokoncentracja. Oznacza to wzrost wartości hematokrytu. Przyczyną zmniejszenia objętości osocza jest przechodzenie wody z wnętrza naczyń do przestrzeni pozanaczyniowej na skutek: Wzrostu ciśnienia hydrostatycznego w naczyniach włosowatych Wzrostu liczby otwartych naczyń włosowatych Jednorazowy długotrwały wysiłek powoduje u niektórych osób zwiększony rozpad erytrocytów – hemoliza powysiłkowa. Jej przyczyną są mechaniczne uszkodzenia wywołane „przeciskaniem się” krwinek przez naczynia włosowate pod zwiększonym ciśnieniem, ucisk na podeszwy stóp w czasie biegu, ucisk kurczących się mięśni na naczynia, zakwaszenie i wzrost ciepłoty ciała. Wysiłek zwiększa liczbę krwinek białych we krwi – leukocytoza wysiłkowa.

Wpływ treningu wytrzymałościowego na krew Trening wytrzymałościowy zwiększa objętość osocza. Objętość ta wzrasta wraz ze wzrostem intensywności treningu i może zwiększyć się nawet o 20%. U osób wytrenowanych oksyhemoglobina łatwiej oddaje tlen niż u osób niewytrenowanych. Trening zmniejsza powinowactwo hemoglobiny do tlenu, dzięki czemu ułatwione jest oddawanie tlenu w tkankach. Trening zwiększa bezwzględną liczbę erytrocytów, jednak wzrost objętości osocza jest także większy, a w efekcie dochodzi do zmniejszenia wartości hematokrytu i zmniejszenia lepkości krwi, co ułatwia przepływ krwi. Trening wytrzymałościowy zwiększa zawartość Hb we krwi.

Wpływ treningu wytrzymałościowego na krew (przetrenowanie) Jeżeli stężenie hemoglobiny w krwi trenującego mężczyzny jest niższe niż 14g/dl, a u trenującej kobiety nie przekracza 12 g/dl, to stan taki określamy mianem anemii sportowej. Za taki kierunek zmian mogą odpowiadać następujące czynniki:   zwiększona objętość krwi osoby trenującej   wysoki stopień zniszczenia erytrocytów podczas wysiłków (hemoliza wewnątrznaczyniowa)   niedobór żelaza (niewłaściwa dieta, duże utraty z potem)   zaburzenia erytropoezy (powstawania czerwonych krwinek)

Wpływ wysiłku na czynność przewodu pokarmowego W skład przewodu pokarmowego wchodzą następujące struktury: jama ustna, gardło, przełyk, żołądek, jelito cienkie i jelito grube. W przewodzie pokarmowym zachodzi trawienie pokarmu do składowych prostych (glukoza, aminokwasy, kwasy tłuszczowe). Tłuszcze i aminokwasy są wchłaniane do krwi, tłuszcze do limfy. W procesie trawienia bierze udział żółć (produkowana przez wątrobę) oraz sok trzustkowy. Kontrolę nad czynnością układu pokarmowego sprawuje autonomiczny układ nerwowy oraz hormony wydzielane w przewodzie pokarmowym.

Wpływ wysiłku na czynność przewodu pokarmowego Do głównych czynników, które mogą wpłynąć na czynność PP w czasie wysiłku należy: spadek przepływu trzewnego i odwodnienie. Wysiłek o obciążeniu poniżej 70% VO2 max, nie wpływa na szybkość przesuwania się treści pokarmowej z żołądka do dwunastnicy. Natomiast ulega on zwolnieniu w czasie wysiłków o większym obciążeniu. Istnieją też dane wskazujące, że rodzaj wysiłku może wpłynąć na szybkość opróżniania żołądka, a mianowicie wysiłek na ergometrze spowalnia ją, natomiast na bieżni lub w terenie przyspiesza. Przy obciążeniach powyżej 70% VO2max często występuje zarzucenie treści pokarmowej do przełyku (refluks żołądkowo – przełykowy). Towarzyszą temu wzdęcia, odbijanie, pieczenie. Wystąpieniu tego zjawiska sprzyja wzrost napięcia mięśni tłoczni brzusznej.

Wpływ wysiłku na czynność przewodu pokarmowego Długotrwałe wysiłki często powodują dolegliwości ze strony przewodu pokarmowego, takie jak: skurcze jelit, biegunka, krwawienie (ukryte – krew w kale). Zjawisko krwawienia występuje głównie u biegaczy długodystansowych. Długotrwały wysiłek przyspiesza przesuwanie się mas kałowych w jelicie grubym. U osób z zaparciami regularny wysiłek sprzyja normalizacji wydalania kału. Regularny wysiłek jest uznawany za ważny czynnik przeciwdziałający występowaniu nowotworów oraz uchyłków jelita grubego. Zgodnie z dotychczasową wiedzą trening wytrzymałościowy nie wpływa na czynność układu pokarmowego.

Wpływ wysiłku na czynność układu odpornościowego Układ odpornościowy zapobiega infekcjom i zwalcza infekcje powodowane przez drobnoustroje, komórki nowotworowe. Układ odpornościowy dzielimy na wrodzony (nieswoisty) i nabyty (immunologiczny). Na układ wrodzony składa się część zewnętrzna i część wewnętrzna: Część zewnętrzną tworzy skóra i błony śluzowe Część wewnętrzną tworzą granulocyty, monocyty, makrofagi tkankowe i limfocyty NK. Układ odpornościowy nabyty jest układem immunologicznym, który rozpoznaje obce komórki i toksyny. Układ ten tworzą limfocyty T i B. Limfocyty T zwalczają wirusy, grzyby, niektóre bakterie i k. nowotworowe. Limfocyty B wytwarzają przeciwciała, które niszczą obce komórki, głównie bakterie.

Wpływ wysiłku na czynność układu odpornościowego Wysiłek wpływa na układ obronny ustroju W czasie wysiłku o umiarkowanej intensywności rośnie liczba granulocytów obojętnochłonnych (neutrofilów), zwiększa się ich zdolność do fagocytozy. Jednak wysiłek o bardzo dużym obciążeniu osłabia tę zdolność. W czasie wysiłku o umiarkowanej intensywności rośnie liczba limfocytów (zwłaszcza NK, a także T i w najmniejszym stopniu B). Przyczyną wzrostu liczby limfocytów jest ich przechodzenie do krwi z węzłów chłonnych oraz śledziony.

Wpływ wysiłku na czynność układu odpornościowego Niekorzystny efekt wywołuje wysiłek długotrwały: Hamuje on czynność limfocytów, tak że system odpornościowy jest przejściowo osłabiony. Zmniejsza stężenie immunoglobuliny IgA w ślinie oraz w śluzie wydzielanym przez górne drogi oddechowe. Stan ten utrzymuje się przez kilka godzin po zakończeniu wysiłku. Tworzy to ryzyko infekcji górnych dróg oddechowych. Stan obniżonej odporności po wysiłkach długotrwałych nazywa się okresem „otwartego okna”.

Wpływ treningu na czynność układu odpornościowego W spoczynku liczba i aktywność limfocytów u osób wytrenowanych nie różni się od ich liczby i aktywności u osób niewytrenowanych. Przetrenowanie hamuje odpowiedź immunologiczną i powoduje zmniejszenie puli limfocytów. Przyczyną tego zjawiska jest nasilenie apoptozy (zaprogramowanej śmierci) na skutek gromadzenia się wolnych rodników i podwyższenia stężenia adrenaliny.

Dziękuję za uwagę !