Физиология упражнений

Введение

По сравнению с нашим состоянием покоя, физическая нагрузка предъявляет значительные требования к организму.

• В состоянии покоя наша нервная система поддерживает парасимпатический тонус, который влияет на частоту дыхания, сердечный выброс и различные метаболические процессы.
• Физическая нагрузка стимулирует симпатическую нервную систему и вызывает интегрированный ответ организма.
• Этот ответ работает на поддержание соответствующего уровня гомеостаза для повышенного спроса на физические, метаболические, респираторные и сердечно-сосудистые усилия^[1]
• Физические упражнения предъявляют вызовы многим физиологическим системам человека, которые должны адаптироваться для поддержания гомеостаза, что является внутренним равновесием тела.
• Во время занятий физическими упражнениями гомеостаз находится под угрозой из-за увеличения потребности в O2 и питательных веществах, необходимости избавляться от CO2 и продуктов метаболических отходов, повышения температуры тела, кислотного дисбаланса и изменения уровней гормонов.

Кардиоваскулярные реакции

Для адаптации к увеличенной метаболической активности в скелетных мышцах кровеносная система должна правильно контролировать транспорт кислорода и углекислого газа, а также способствовать буферизации уровня pH в активных тканях.

• Это достигается увеличением сердечного выброса (увеличение частоты сердечных сокращений и объема удара) и модуляцией микроциркуляции.
• Кроме того, действие местных вазодилататоров, таких как оксид азота из эндотелиальных клеток, помогает обеспечить адекватный кровоток.

1. Сердечный выброс (Q)

• Количество крови, перекачиваемой левым желудочком в минуту, выражается в литрах/минуту. Q = (HR) X ударный объем (SV).
• При увеличении рабочей нагрузки сердечный выброс увеличивается почти линейно, чтобы удовлетворить увеличившуюся потребность в кислороде.
• Сердечный выброс измеряется с помощью эхокардиографии.

VO2 является потреблением кислорода и может быть объяснен уравнением Фика.

Это уравнение гласит, что VO2 = [CardiacOutput] x [разница в уровнях кислорода в артериальной и венозной крови].

VO2max — это мера аэробной способности и определяется как наивысшая скорость потребления кислорода, которую человек может поддерживать во время интенсивной активности.^[1]

• В состоянии покоя это значение в среднем составляет около 4-5 мл/100 мл крови и
• может увеличиваться во время упражнения до 16 мл/100 мл крови (4).

4-минутное видео ниже объясняет разницу A-V02

Кровоток предпочтительно отводится от желудочно-кишечной и почечной систем к активным мышцам через селективное сужение и расширение капиллярных русел при возрастании физической нагрузки,^[1]

• при максимальных уровнях работы, 80 процентов сердечного выброса направляется на активированные мышцы и кожу
• в состоянии покоя это значение всего лишь двадцать процентов.

2. Артериальное давление

Систолическое артериальное давление линейно увеличивается до пиковых значений 200-249 мм рт.ст. у нормотензивных людей, а диастолическое давление остается на уровне, близком к уровню покоя.

• Гипертоники достигают более высокого систолического давления при заданном уровне нагрузки и могут также достигать более высоких диастолических значений.
• Периферическое сопротивление кровотока связано с диаметром и длиной сосуда и вязкостью крови в периферических сосудах.^[2]
• При физических нагрузках сосуды расширяются, увеличивая свои диаметры.
• У пациента с гипертонией повышенное периферическое сопротивление по сравнению с нормой, и это главная причина их более высокого среднего артериального давления.

Через два-три часа после физических нагрузок артериальное давление падает ниже предтренировочных значений, это называется "посттренировочная гипотония".

3. Коронарное кровообращение

Коронарные артерии снабжают миокард кровью и питательными веществами; в среднем один капилляр снабжает одно мышечное волокно миокарда в стенках желудочка и сосочковых мышцах.^[3]

Адаптации легочной системы

Легочная вентиляция инициируется через дыхательный центр в стволе мозга с параллельной активацией через корковый двигатель, который активирует скелетные мышцы и афферентные волокна мышц типа III-IV.

Дыхательная система работает в связке с кардио-сосудистой системой. Легочный круг кровообращения получает почти весь сердечный выброс. В ответ на увеличенный сердечный выброс увеличивается перфузия на верхушке каждого легкого, увеличивая доступную поверхность для газообмена (уменьшенная альвеолярная мертвая зона).

Максимальные вентиляционные показатели в тренированных людей нормального размера могут увеличиться в десять раз по сравнению с вентиляцией в состоянии покоя.

Опорно-двигательная система

Существует 3 типа мышечных волокон, которые имеют разные характеристики.

Волокна типа I известны как медленно-сокращающиеся волокна. Эти волокна имеют много митохондрий и миоглобина и обладают хорошим кровоснабжением.

• Они имеют: Низкую активность миозиновойАТФазы, высокие оксидативные свойства, низкую гликолитическую способность
• Эти волокна преобладают в постуральных мышцах, так как они обеспечивают низкую силу, но не утомляются так быстро, как остальные.

Волокна типа IIa известны как быстро-сокращающиеся окислительные волокна.

• Они имеют: Высокую активность миозиновой АТФазы, высокие оксидативные и гликолитические способности
• Относительно устойчивы к утомлению
• Эти волокна задействуются для силовых занятий, требующих длительных усилий, таких как подъем тяжестей с множественными повторениями.

Волокна типа IIa можно считать средним типом волокон, между медленными, но устойчивыми к утомлению волокнами типа I и быстрыми, но склонными к утомлению волокнами типа IIb.

Волокна типа IIb известны как быстро-сокращающиеся гликолитические волокна.

• Они имеют высокую активность миозиновой АТФазы, низкие оксидативные свойства, высокую гликолитическую активность.
• Быстро утомляются
• Эти волокна задействуются для высокоинтенсивных, коротких по продолжительности упражнений, таких как спринты на полную мощность.

С введением постепенного увеличения нагрузки при тренировках, следует ожидать гипертрофию скелетных мышечных волокон, то есть увеличение их диаметра и объема.

• Сокращение мышц действует на скелет и инициирует движение. Когда на мышцы в течение времени прикладывается прогрессивная сила, они адаптируются к увеличивающейся нагрузке.
• Спутниковые клетки играют роль в процессе ремонта и роста.
• Процесс упражнений (например, бег на длинные дистанции или пауэрлифтинг) создает стресс на мышечные волокна и кости, что вызывает микронадрывы и травмы.
• В ответ на это спутниковые клетки активируются и мобилизуются для регенерации поврежденной мышечной ткани.
• Этот процесс становится возможным благодаря донорству дочерних ядер от спутниковых клеток после их размножения и слияния.
• Кости увеличивают свою минеральную плотность с течением времени, чтобы справляться с возрастающей нагрузкой.^[1]

Силовые упражнения

Динамическая тренировка и силовые тренировки отличаются главным образом тем, что силовые тренировки вызывают значительное увеличение периферического сосудистого сопротивления.

• Силовые тренировки, высокие изолированные силы создаются в активной мускулатуре, что компрессирует мелкие артерии и таким образом увеличивает периферическое сосудистое сопротивление.^[4]

Типы скелетных мышечных волокон

Тип выполняемого физического упражнения определяет преобладающий тип мышечных волокон.

Тренировки на выносливость (регулярные)

• Увеличивают количество митохондрий и способность к газообмену в тренированных миофибриллах.
• У марафонцев медленно-сокращающиеся волокна преобладают в накачанных мышцах ног (в то время как у спринтеров преимущественно быстро-сокращающиеся волокна).
• имеет потенциал изменять метаболические свойства скелетных мышц в сторону оксидативного профиля. Вопрос о том, насколько могут быть перепрограммированы типы мышечных волокон, остается открытым.

Гормональные реакции на физическую нагрузку

Эндокринная система

Уровни кортизола, адреналина, норадреналина и дофамина в плазме увеличиваются при максимальной физической нагрузке и возвращаются к норме после отдыха.

• Увеличение уровней согласуется с увеличением активации симпатической нервной системы организма.
• Гормон роста выделяется гипофизом для улучшения роста костей и тканей.
• Чувствительность к инсулину увеличивается после длительной физической нагрузки.
• Уровни тестостерона также увеличиваются, что приводит к улучшению роста, либидо и настроения
• Катехоламины участвуют в адаптации сердечно-сосудистой и дыхательной системы, а также в мобилизации и утилизации топлива.

Иммунологические адаптации

Умеренная тренировка улучшает некоторые компоненты иммунной системы и, таким образом, снижает восприимчивость кинфекциям. Напротив, сниженная функциональность иммунных клеток наблюдается после чрезмерных нагрузок.

2. Хронические адаптации к физическим упражнениям

Адаптация скелетных мышц

1. Тренировка на выносливость

Медленные мышечные волокна: Площадь поперечного сечения медленных (также известных как красные) волокон немного увеличивается в ответ на аэробную нагрузку.

Быстрые мышечные волокна: Эти волокна развивают более высокую кислородную ёмкость.

Плотность капиллярной сети: Натренированные мышцы обладают более высокой плотностью капилляров, чем ненатренированные, что позволяет большему кровотоку и увеличенному доставку питательных веществ.

2. Тренировка на сопротивление/силу

Тренировка на сопротивление приводит к увеличению размера мышц (гипертрофия) за счет увеличения размера миофибрилл и числа быстрых и медленных мышечных волокон. Более того, путь рекрутирования мышечных волокон становится более эффективным. Таким образом, тренировка на сопротивление приводит к большему развитию силы натренированных мышц.

Адаптация связок и сухожилий

Площадь поперечного сечения связок и сухожилий увеличивается в ответ на длительную тренировку, так как места соединения между связками и костями, а также между сухожилиями и костями становятся крепче.

Метаболические адаптации к длительным физическим упражнениям

Тренировка на выносливость:

• Увеличивает размер и число митохондрий в натренированных мышцах;
• Содержание миоглобина может иногда увеличиваться, тем самым увеличивая ёмкость хранения кислорода.
• Увеличивается ёмкость натренированных мышц для хранения гликогена и способность использовать жир в качестве источника энергии.

Долгосрочные адаптации сердечно-сосудистой системы

Когда здоровые люди участвуют в долгосрочной программе аэробных упражнений, у них происходят положительные адаптации сердца, как морфологические, так и физиологические.

• Увеличивается раннее диастолическое наполнение и увеличивается сократительная сила.
• Морфологические изменения наблюдаются как в левом желудочке, так и в правом желудочке.
• Адаптации сердца приводят к увеличению сердечного выброса во время физической нагрузки и повышению VO2max после тренировки^[5]
• Частота сердечных сокращений в покое и во время субмаксимальной нагрузки снижается после тренировки.

Объем сердечного удара увеличивается благодаря долгосрочной тренировке на выносливость.

• Тренировка на выносливость увеличивает объем плазмы, что увеличивает объем крови, возвращающейся сначала в правое сердце, а затем в левый желудочек.
• Большее количество крови в обращении приводит к увеличению объема крови в левом желудочке, когда достигается конец диастолической фазы. Диастолическая фаза – это фаза, в которой заканчивается пассивное наполнение (диастола) сердца.
• Левый желудочек полностью наполняется, и его стенка растягивается.
• Пассивная накопленная энергия в стенке помогает мощному сокращению в фазе опорожнения (систола).
• В результате мышца сердца подвергается гипертрофии.
• Каждое волокно сердечной мышцы увеличивается в размере. Гипертрофия касается желудочка, а также задней и септальной стенок.

Повышенное артериальное давление = систолическое артериальное давление ≥140 и/или диастолическое давление ≥90 мм рт. ст. Положительная корреляция между артериальным давлением и риском сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ) начинается с 115 мм рт. ст. систолического и 75 мм рт. ст. диастолического и удваивается с увеличением на каждые 20 мм рт. ст. систолического и 10 мм рт. ст. диастолического давления.

Согласно Американскому колледжу спортивной медицины, динамическая аэробная тренировка снижает артериальное давление (АД) у людей с гипертонией.

• Гипертония является фактором риска сердечно-сосудистых происшествий.
• Упражнения на выносливость снижают артериальное давление в течение нескольких часов после тренировки: это явление называется пост-упражнения гипотония.
• Пост-упражнения гипотония кажется более выраженной у людей с более высоким исходным артериальным давлением.
• Снижение артериального давления происходит после коротких сессий упражнений продолжительностью 3 минуты с интенсивностью 40% от VO2max.
• Морфологические адаптации сердца менее выражены у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями по сравнению с более молодыми и здоровыми людьми. ^[5]
  

Долгосрочные адаптации дыхательной системы

После длительных тренировок на выносливость увеличивается кровоток в верхних частях легких и частота дыхания увеличивается.

Абсолютные противопоказания к физическим нагрузкам

Нестабильные сердечно-сосудистые заболевания (периферийные и центральные):^[6][7] острый инфаркт миокарда или нестабильная стенокардия до стабилизации на протяжении как минимум 5 дней, отдышка в покое, перикардит, миокардит, эндокардит, симптоматический стеноз аорты, кардиомиопатия, нестабильная или острая сердечная недостаточность, неконтролируемая тахикардия.

• Температура: должна нормализоваться, чтобы избежать риска развития миокардита.
• Острая тромбоэмболия легочной артерии или инфаркт легкого. Чрезмерная или необъяснимая одышка при нагрузке.
• Любое острое тяжелое заболевание
• Серьезные травмы/проблемы опорно-двигательного аппарата^[6]
• Значительно сниженная когнитивная функция^[6]

Предосторожности при физической нагрузке

• Неконтролируемая или плохо контролируемая астма.
• ХОБЛ: пациенты должны быть стабильны перед тренировками, а уровень насыщения кислородом должен быть выше 88-90%.
• Рак или заболевания крови: когда лечение или болезнь приводит к снижению уровня лейкоцитов ниже 0,5 x109/л, гемоглобина ниже 60 г/л или тромбоцитов ниже 20 x 109/л.^[8] Если у пациента количество тромбоцитов <20 000, то рекомендуется только пассивная гимнастика и повседневная активность из-за повышенного риска кровотечения, 20 000-30 000: только легкая физическая нагрузка.^[9]
• Диабет: если уровень глюкозы в крови >13 ммоль/л или <5,5 ммоль/л, то его следует корректировать в первую очередь. Пациенты с тяжелой диабетической периферической или автономной нейропатией или язвами на ногах должны быть обследованы перед началом занятий спортом.^[10] Прекратите физическую активность при диабете в случае острого заболевания или инфекции.
• Гипертензия: если систолическое артериальное давление в покое >180 или диастолическое >100 или выше, то рекомендуется медикаментозное лечение до начала регулярной физической активности с особыми ограничениями на тренировки с тяжелыми весами, которые могут создать особую нагрузку.
• Остеопороз: избегайте активности с высоким риском падения.
• Необъяснимые приступы головокружения.

Неблагоприятные эффекты

Неблагоприятные эффекты на опорно-двигательный аппарат

Внезапное развитие силы или повторяющиеся движения могут привести к напряжению, разрыву или перелому опорно-двигательной системы.

Сердечно-сосудистые события

В эпидемиологическом исследовании изучалась частота внезапной остановки сердца (ВОС) в период с 2002 по 2013 годы и сравнивалась с медицинскими данными в США.

• Из 1 247 случаев ВОС, 63 произошли во время спортивных мероприятий.
• Затронутые лица были в возрасте 51.1 ±8.8 лет.
• Частота составляет 21.7 (95% -ДИ 8.1-35.4) на миллион в год и варьируется в зависимости от пола при спортивной ВОС.
• У мужчин коэффициент риска составляет 2.58 (95%-ДИ 2.12-3.13)

В другом исследовании изучался Национальный реестр внезапной смерти среди спортсменов в США. Они обнаружили

• Всего 2406 смертей в период с 1980 по 2011 годы.
• Молодые спортсмены были в возрасте 19 ±6 лет и занимались 29 различными видами спорта.
• Молодые мужчины были затронуты в 6.5 раза чаще, чем женщины.
• Наиболее частой причиной была гипертрофическая кардиомиопатия.

Ссылки