Sistemul cardiovascular in timpul efortului fizic

Sistemul cardiovascular in timpul efortului fizic

Sistemul cardiovascular este alcatuit din doua componente principale:

Inima ce actioneaza ca o pompa aspiro-respingatoare

Vase sanguine prin care circula sangele

Pompa cardiaca pompeaza sangele in doua sisteme de vase sanguine separate anatomic:

Circulatia pulmonara

Circulatia sistemica

Partea dreapta a inimii pompeaza sangele catre plamani (prin intermediul circulatiei pulmonare) unde are loc schimbul de gaze respiratorii (CO2 iese din sange si trece in plamani iar O2 trece din plamani in sange).

Partea stanga a inimii pompeaza sangele catre toate celulele din organism asigurand un schimb optim de gaze respiratorii si substante nutritive necesare metabolismului celular (O2 este cedat tesuturilor si CO2 este preluat de sange pentru a fi transportat catre plamani).

Fig. 1 Circulatia pulmonara si sistemica

Scopul final al activitatii cardiovasculare in timpul efortului este de a furniza oxigen si alte substante nutritive muschilor. In acest sens, fluxul de sange catre muschi creste foarte mult. De exemplu:

Flux sanguin de repaus . . . . . . . . . . ..3,6 ml sange / 100 g muschi / minut

Flux sanguin in timpul efortului maximal . . . .90 ml sange / 100 g muschi / minut

Asadar, in timpul celui mai intens efort fluxul de sange catre muschi poate creste de maxim 25 de ori. Aproape jumatate din aceasta crestere a fluxului se datoreaza dilatarii vaselor (vasodilatatiei) de sange de la nivel muscular produsa de efectele directe ale cresterii metabolismului muscular iar cealalta jumatate rezulta din factori multipli dintre care cel mai important este cresterea presiunii arteriale ce apare la efort, cu o crestere de obicei de 30%. Cresterea presiunii nu numai ca impinge mai mult sange in vase dar destinde si peretii arteriolelor si scade si mai mult rezistenta periferica (rezistenta pe care o intampina sangele la nivelul vaselor de sange). Prin urmare, o crestere de 30% a presiunii arteriale poate adesea dubla fluxul de sange; acesta se adauga cresterii importante a fluxului deja produsa de vasodilatatia metabolica.

Lucrul mecanic, consumul de oxigen si debitul cardiac in timpul efortului fizic

Fig. 2 Relatia dintre debitul cardiac si lucrul mecanic (linia continua) si intre consumul de oxigen si lucrul mecanic efectuat (linia punctata) pentru diferite grade de efort (dupa Guyton, Jones and Coleman: Circulatory Physiology: Cardiac Output and Its Regulation.Philadelphia, W.B.Saunders Co., 1973)

Dupa cum se vede din fig. 2, toti acesti parametri sunt direct proportionali intre ei, deoarece lucrul mecanic muscular creste consumul de oxigen, iar consumul de oxigen dilata vasele de sange de la nivel muscular crescand intoarcerea venoasa si debitul cardiac.

Debite cardiace in functie de gradul de efort

Barbat tanar de talie medie, in repaus . . . . . . . .5,5 l/min

Debit maxim in timpul efortului la un tanar neantrenat . .23 l/min

Debit maxim in efort la un barbat maratonist . . . . . .30 l/min

Asadar, o persoana normala neantrenata isi poate creste debitul cardiac de 4 ori iar un sportiv bine antrenat isi poate creste debitul cardiac de 6 ori. Unor maratonisti li s-a masurat un debit cardiac chiar si de 35-40 l/min.

Tabel 1. Comparatia debitului cardiac intre un maratonist si un nesportiv

Efectul antrenamentului asupra hipertrofiei cardiace si asupra debitului cardiac

Din datele anterioare este evident ca maratonistii pot realiza un debit cardiac maximal cu aprox. 40% mai mare decat persoanele neantrenate. Aceasta duce la marirea cavitatilor inimii la un maratonist cu aprox. 40%. De asemenea masa inimii creste cu 40%. Deci, in timpul antrenamentului se hipertrofiaza nu numai muschii scheletici ci si inima. Totusi, marirea inimii si cresterea capacitatii de pompa apar numai la antrenamentul de rezistenta, nu si la antrenamentul de sprint.

Desi inima unui maratonist este mai mare decat a unui individ normal, debitul cardiac de repaus este aproape exact acelasi ca si la individul normal. Acest debit cardiac normal este realizat printr-un debit sistolic mare si o frecventa cardiaca redusa (Tab.1). Eficienta de pompa a fiecarei batai este cu 40-50% mai mare la sportivul bine antrenat decat la o persoana neantrenata, dar exista si scaderea corespunzatoare a frecventei cardiace in repaus.

Rolul debitului sistolic si al frecventei cardiace in cresterea debitului cardiac

Debitul cardiac reprezinta volumul de sange pompat de fiecare din cele 2 ventricule in timp de un minut. Valoarea normala de repaus se situeaza intre 5 - 8 l de sange pe minut.

DC = FRECVENTA CARDIACA X DEBITUL SISTOLIC

FRECVENTA CARDIACA DE REPAUS = 70 - 80 / MIN

DEBITUL SISTOLIC DE REPAUS = 70 - 90 ML SANGE / SISTOLA

DC_REPAUS= 5 - 8 l sange / min

Dupa cum reiese si din lucrarea practica "Adaptarea aparatului cardiovascular la efort" debitul cardiac creste in efort in mod diferit la persoanele antrenate fata de cele neantrenate.

Astfel, la sportivi debitul cardiac creste mai mult pe seama cresterii marcate a debitului sistolic spre deosebire de cei neantrenati unde debitul cardiac creste pe seama cresterii frecventei cardiace. Acest lucru se explica prin faptul ca la sportivi, efortul fizic practicat in mod constant duce la o hipertrofiere fiziologica a muschiului inimii (miocardului) ceea ce duce la o crestere importanta a volumului de sange pompat de fiecare din cei doi ventriculi per sistola.

DC _{EFORT ↑ =} DS ↑↑↑ x FC ↑

La persoanele neantrenate cresterea debitului cardiac are loc mai ales pe seama cresterii frecventei cardiace deoarece muschiul cardiac nu poate pompa o cantitate asa de mare la o contractie cum se intampla la cei antrenati.

DC _{EFORT ↑ =} DS ↑ x FC ↑↑↑

Efectul bolilor de inima si al varstei inaintate asupra performantei sportive

Datorita limitei critice pe care sistemul cardiovascular o plaseaza in calea performantei sportive la sporturile de rezistenta, este usor de inteles de ce orice tip de boala cardiaca care reduce debitul cardiac maxim va produce o scadere aproape proportionala in puterea musculara care poate fi atinsa. Prin urmare, o persoana cu insuficienta cardiaca congestiva are adesea dificultati in realizarea puterii musculare necesare chiar coborarii din pat, si nici macar nu poate traversa camera.

Si debitul cardiac al persoanelor in varsta scade considerabil - exista o scadere de pana la 50% intre adolescenta si varsta de 80 de ani.

Adaptarea muschiului striat la efortul fizic sportiv

Muschii striati sunt de 2 tipuri:

a)     Striat de tip scheletic

b)     Striat de tip cardiac

Muschii striati de tip scheletic au origine si punct de insertie la nivelul oaselor. Forta unui muschi este determinata in principal de marimea sa cu o forta contractila maxima intre 3 si 4 kg/cm2 de sectiune transversala a muschiului. Din acest punct de vedere nu exista diferente intre barbati si femei, doar ca barbatii au un procent suplimentar de muschi si o cantitate mai mare de testosteron (hormon secretat de corticosuprarenala si testicul si are un pronuntat efect anabolic crescand cantitatea de proteine in tot corpul si mai ales in muschi). Forta si masa musculara pot fi crescute printr-un antrenament fizic practicat constant. Pentru a intelege mai bine ce este forta musculara putem aminti ca un halterofil de talie mondiala poate avea un muschi cvadriceps (muschiul anterior al coapsei) cu o sectiune transversala de 150 cm2 ceea ce inseamna o forta maxima de contractie de 525 kg cu toata forta aplicata pe tendonul rotulian.

150 cm² X 3,5 kg/cm² = 525 kg

Este lesne de inteles cum uneori in contractii maximale ajunge ca acest tendon sa se rupa sau pur si simplu sa se smulga de pe insertia sa pe tuberozitatea tibiala anterioara. Se pot produce de asemenea leziuni ale suprafetelor articulare, ligamentelor, tendoanelor sau fracturi prin compresiune in cazul unor contractii musculare prelungite si la intensitate mare.

Forta izometrica a muschilor este mai mare cu aprox 40% decat forta de contractie izotonica (cu scurtarea muschiului). De exemplu, daca un muschi este deja contractat si o alta forta incearca sa intinda muschiul, ca de exemplu la aterizarea dupa o saritura, atunci e nevoie de aprox 40% mai multa forta decat poate fi realizata printr-o contractie izotonica.   Rezulta ca forta de 525 kg calculata mai sus pentru tendonul rotulian devine 525 X 40% = 735 kg ! In asemenea cazuri se pot produce ruperi interne ale muschiului. Cu aparitia unor dureri musculare atroce. De fapt, intinderea unui muschi contractat maximal este una din cele mai bune cai pentru a provoca cel mai mare grad de durere musculara.

Puterea contractiei musculare nu este totuna cu forta musculara deoarece puterea este o masura a lucrului mecanic total pe care muschiul il poate realiza intr-o perioada de timp data. Puterea muschiului se exprima in kilogram-metru (kg-m) pe minut.

Un muschi care dezvolta o putere de 1 kg-m/min inseamna ca poate ridica o greutate de 1 kg la inaltimea de 1 m sau poate deplasa un obiect oarecare lateral impotriva unei forte de 1 kg pe o distanta de 1 m intr-un minut.

Exemple:

Puterea maxima ce poate fi dezvoltata de toti muschii corpului unui sportiv bine antrenat ce-si pune in contractie toti muschii este aproximativ urmatoarea:

Rezulta ca un individ poate dezvolta o putere maxima pentru o perioada scurta de timp, cum ar fi la 100 metri sprint, care poate fi terminata in primele 10 secunde in vreme ce la probele de rezistenta de lunga durata puterea muschilor este de numai un sfert din valoarea maximului de putere initial.

Cel mai important lucru al performantei musculare este rezistenta. Aceasta depinde in mare masura de suportul nutritiv al muschilor si anume de stocurile de energie pe care si le face muschiul inainte de efort. Aceste stocuri de energie musculara sunt reprezentate de glicogen. Glicogenul reprezinta forma de depozit musculara dar si hepatica de glucoza.

O persoana cu o dieta bogata in glucide stocheaza cu mult mai mult glicogen in muschi decat persoana fie cu dieta mixta, fie cu o dieta bogata in lipide. Prin urmare, rezistenta este foarte mult crescuta de o dieta bogata in glucide. Cand atletii alearga cu o viteza specifica maratonului, rezistenta lor este masurata prin timpul cat pot sustine cursa pana la completa epuizare, astfel:

Cantitatile de glicogen corespunzatoare stocate in muschi sunt urmatoarele:

Efectul antrenamentului sportiv asupra muschilor si a performantei musculare

Ca urmare al antrenamentului efectuat zilnic muschii au capacitatea de a se hipertrofia. Hipertrofia musculara reprezinta marirea diametrului fiecarei fibre musculare si nu cresterea numarului de fibre musculare cum am fi tentati sa credem. Muschii care functioneaza fara nici o sarcina, chiar daca sunt pusi in functie timp indelungat isi cresc foarte putin forta. In schimb, muschii care se contracta la forta maximala sau aproape de aceasta, isi vor dezvolta forte rapid forta chiar daca aceste contractii se fac doar de cateva ori pe zi. Pe baza acestui principiu, experimentele legate de dezvoltarea muschilor au demonstrat ca 6 contractii musculare maximale sau aproape maximale, efectuate in 3 reprize separate, 3 zile pe saptamana, ofera cresterea optima a fortei musculare, fara a produce oboseala musculara cronica. Odata cu cresterea fortei musculare se observa si cresterea masei musculare prin procesul de hipertrofiere. Hipertrofia musculara este determinata in principal de ereditate si de nivelul de secretie al hormonului numit testosteron. Testosteronul este un hormon prin excelenta masculin ce determina aparitia caracterelor secundare masculine si cresterea masei musculare prin fenomenul de incorporare a proteinelor in muschi. Asa se explica pe de o parte masa musculara considerabil mai mare la barbati de cat la femei. Prin antrenament, muschii se pot hipertrofia cu inca 30 pana la 60%. Modificarile ce apar in interiorul fibrelor musculare hipertrofiate sunt:

Cresterea numarului de miofibrile proportional cu gradul de hipertrofie

Cresterea enzimelor mitocondriale

O crestere de 60-80% a componentelor sistemului metabolic al fosfatilor din cadrul ATP-ului si fosfocreatina (sisteme intracelulare ce inmagazineaza energie)

O crestere de 50% a glicogenului depozitat

O crestere de 75-100% a trigliceridelor stocate (grasimi - rol energetic)

Creste eficacitatea sistemului metabolismului oxidativ cu 45% (oxigenul este utilizat mai eficient)

Fibre musculare rapide si lente

Muschii striati la om poseda procente variabile de fibre musculare rapide si lente. Muschiul gastrocnemian (muschiul posterior al gambei situat superficial), de exemplu are mai multe fibre musculare rapide ceea ce ii ofera capacitatea unor contractii rapide si puternice de tipul celor utilizate la sarituri. Muschiul solear (muschiul posterior al gambei situat profund) are mai multe fibre de tip lent fiind utilizat pentru activitatea musculara pe timp indelungat a piciorului.

Diferentele intre fibrele rapide si cele lente sunt urmatoarele:

Fibrele rapide sunt mai mari in diametru ( de 2 ori)

Fibrele lente sunt in principal pentru rezistenta mai ales pentru generarea energiei obtinute pe cale aeroba (prin utilizarea oxigenului)

Fibrele lente au mai multe mitocondrii decat fibrele rapide si mai multa mioglobina

Numarul de capilare raportat la masa de tesut muscular este mai mare in apropierea fibrelor lente fata de cele rapide.

Enzimele care favorizeaza eliberarea rapida a energiei din sistemele energetice musculare sunt de 2-3 ori mai active in fibrele rapide decat in fibrele lente facand ca puterea maxima dezvoltata de fibrele rapide sa fie de 2 ori mai mare fata de fibrele lente.

Deci, fibrele rapide pot furniza o mare putere timp de cateva secunde pana la un minut. Fibrele lente asigura rezistenta furnizand o forta a contractiei prelungita pe minute sau chiar ore.

S-a constatat ca unele persoane au mai multe fibre musculare rapide decat lente iar altii invers. Aceasta poate sa determine capacitatile sportive ale diversilor sportivi. Din nefericire, antrenamentul sportiv nu poate sa modifice procentele de fibre musculare si oricat s-ar stradui un sportiv sa-si dezvolte un tip de aptitudine sportiva in defavoarea alteia nu va reusi. Aceste proportii sunt determinate de ereditate si ajuta la recomandarea domeniului sportiv cel mai potrivit fiecarei persoane. Astfel, unii sunt nascuti sa fie maratonisti, altii sa fie sprinteri ti saritori.

Mai jos in tabel, se pot observa diferite procente de fibre rapide si lente la nivelul muschiului cvadriceps (muschiul anterior al coapsei) la diferite tipuri de sportivi:

Implicarea sistemului endocrin in efortul fizic sportiv

Diferentele hormonale dintre femei si barbati sunt responsabile de majoritatea diferentelor in performanta sportiva.

Testosteronul secretat de testicule are efect anabolic puternic producand o depunere crescuta de proteine in tot corpul dar mai ales in muschi. De fapt, chiar un barbat care nu efectueaza activitati sportive dar care are o secretie adecvata de testosteron va avea masa musculara cu 40% mai mare (cu o crestere corespunzatoare a fortei) decat ai unei femei ce efectueaza activitati sportive medii.

Hormonii sexuali feminini - estrogenii - cresc depozitele de grasimi la femei mai ales la nivelul sanilor, coapselor si tesutului subcutanat. De aceea, procentul total de grasime raportat la greutatea corporala este mai mare in cazul femeilor (27%) fata de barbat (15%). Acest lucru defavorizeaza femeile in domeniul sportiv in acele situatii in care performanta depinde de viteza sau de forta corpului, sau din contra, le avantajeaza in probele sportive de mare rezistenta care necesita grasime pentru energie. Se stie ca grasimea are o mare putere de stocare a energiei 1g eliberand 9 kcal spre deosebire de glucide care elibereaza la aceeasi cantitate doar 4 kcal.

Un alt efect al hormonilor sexuali este cel asupra temperamentului. Astfel, testosteronul stimuleaza agresivitatea spre deosebire de estrogeni ce imprima un caracter mai domol. In sporturile competitionale, spiritul agresiv este cel care indeamna o persoana la efort maximal in detrimentul unei analize pragmatice.

Alti hormoni care sunt implicati in efort sunt adrenalina, noradrenalina, glucagonul, glucocorticoizii etc.

Drogurile si sportivii

Cofeina - continuta in boabele de cafea, unele ciocolate poate creste performanta sportiva. Intr-un experiment pe un alergator de maraton ce a consumat cafea (1-3 cesti de cafea) s-a constatat ca timpul obtinut a fost imbunatati cu aproximativ 7%.

Utilizarea derivatilor de hormoni androgeni (testosteron) pentru a creste forta si masa musculara mai ales la femei si la barbatii dotati cu o secretie saraca de testosteron mai este cunoscuta in sport si sub numele de dopaj. Din pacate, abuzul de aceste medicamente pot produce leziuni hepatice sau chiar cancer hepatic. La barbati, ca efecte secundare a abuzului de derivati analogi de testosteron pot duce la scaderea functiei testiculare (prin inhibitie) , la scaderea spermatogenezei, scaderea secretiei proprii de testosteron afectand capacitatea de procreare, efecte ce dureaza multe luni si probabil tot restul vietii. La femei pot apare efecte secundare deoarece femeile nu sunt in mod normal adaptate la asemenea cantitati de hormoni sexuali masculini, astfel ele pot prezenta hirsutism (par pe fata), o voce groasa, incetarea menstrelor.

Amfetaminele si cocaina - sunt cunoscute ca stimulatoare a performantelor sportive. Luate in mod excesiv pot duce la scaderea performantelor sportive. Efectul se datoreaza stimularii psihice si nu fizice. Unii sportivi au murit in timpul probelor sportive ca urmare a interactiunilor dintre aceste droguri si adrenalina si noradrenalina secretate de sistemul nervos simpatic in timpul efortului. (acestea au determinat hiperexcitabilitate cardiaca rezultand in final fibrilatie ventriculara si deces)

Termoreglarea

Aproape toata energia eliberata de metabolismul organismului din principiile nutritive este in cele din urma convertita in caldura. Randamentul energetic muscular este de 20-25% (energie transformata efectiv in lucru mecanic). Restul din energia hranei este convertita in caldura in cursul reactiilor chimice intracelulare.

Implicarea sistemului nervos vegetativ in efortul fizic sportiv

Sistemul nervos vegetativ este compus din:

Sistemul nervos vegetativ simpatic

Sistemul nervos vegetativ parasimpatic

Activarea sistemului nervos vegetativ simpatic are un rol important in efortul fizic si duce la descarcarea de adrenalina si noradrenalina. Acesta este dominant in situatii de stres care includ frica, anxietate dar si in efort.

Activarea lui "pregateste" organismul pentru situatii de criza (fuga sau atac) astfel:

Creste forta de contractie a inimii

Creste frecventa cardiaca (tahicardie)

Determina vasodilatatie coronariana (suplimenteaza cantitatea de oxigen si nutrimente ce ajunge la muschiul cardiac)

Determina vasodilatatie in muschii striati scheletici astfel favorizand o mai buna oxigenare a lor

Bronhodilatatie (creste cantitatea de aer care ajunge in alveolele pulmonare)

Stimuleaza glicogenoliza hepatica - adica desface forma de depozit a glucozei - glicogenul - de la nivel hepatic suplimentand cantitatea de glucoza din sange (creste glicemia)

Scade secretiile digestive si scade motilitatea intestinala (acestea nu sunt importante in efort)

Vasoconstrictie periferica si la nivelul anumitor viscere asigurand flux de sange marit la nivelul muschilor scheletici, cord si creier.

Prin situatia de stres care se induce atletului aflat la linia de start intr-o competitie, corpul este pregatit pe aceasta cale pentru efortul care va urma.