Niniejszy protokół umożliwia badaczom zajmującym się naukami o sporcie i wysiłku fizycznym określenie względnego udziału trzech różnych systemów energetycznych w całkowitym wydatku energetycznym podczas szerokiej gamy ćwiczeń.
Artykuł metodologiczny
Wyznaczanie udziału systemów energetycznych podczas wysiłku fizycznego
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Jednym z najważniejszych aspektów zapotrzebowania metabolicznego jest wzgludej wkład poszczególnych systemów energetycznych w całkowitą energię wymaganą do wykonania danej aktywności fizycznej. Chociaż niektóre dyscypliny sportowe są stosunkowo łatwe do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych (np. bieganie i jazda na rowerze), wiele innych jest znacznie trudniejszych do zreprodukowania i zbadania w kontrolowanych warunkach. Niniejsza metoda przedstawia sposób oceny zróżnicowanego wkładu systemów energetycznych w dyscyplinach sportowych, które trudno jest odwzorować w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Przedstawione tutaj koncepcje można dostosować do niemal każdego sportu.
Konieczne będą następujące zmienne fizjologiczne: pobór tlenu w spoczynku, pobór tlenu podczas wysiłku, pobór tlenu po wysiłku, stężenie mleczanu w osoczu w spoczynku oraz szczytowe stężenie mleczanu w osoczu po wysiłku. Aby obliczyć wkład metabolizmu tlenowego, potrzebny będzie pobór tlenu w spoczynku oraz podczas wysiłku. Korzystając z metody trapezów, należy obliczyć pole pod krzywą poboru tlenu podczas wysiłku, odejmując od niego pole odpowiadające poborowi tlenu w spoczynku. Aby obliczyć wkład beztlenowego metabolizmu alaktycznego, krzywą poboru tlenu po wysiłku należy dopasować do modelu mono- lub biekspoencjalnego (wybierz model, który lepiej pasuje do danych). Następnie, wykorzystując składniki dopasowanego równania, oblicz metabolizm beztlenowy alaktyczny według wzoru: metabolizm ATP-CP = A1 (mL . s-1) x t1 (s). Na koniec, aby obliczyć wkład beztlenowego systemu laktatycznego, pomnóż szczytowe stężenie mleczanu w osoczu przez 3 oraz przez masę ciała sportowca (wynik w mL należy następnie przeliczyć na L, a potem na kJ).
Metoda ta może być stosowana zarówno w przypadku wysiłku ciągłego, jak i przerywanego. Jest to bardzo interesujące podejście, ponieważ można je dostosować do ćwiczeń i dyscyplin sportowych, których trudno jest odwzorować w kontrolowanych warunkach. Ponadto jest to jedyna dostępna metoda zdolna do rozróżnienia udziału trzech różnych systemów energetycznych. Dzięki temu metoda ta pozwala na badanie sportów w sposób wysoce zbliżony do sytuacji rzeczywistych, zapewniając badaniu pożądaną trafność ekologiczną.
Protokół
Wstęp
Energia niezbędna do podtrzymania wysiłku fizycznego pochodzi z dwóch źródeł metabolicznych: metabolizmu tlenowego i beztlenowego. Chociaż metabolizm tlenowy jest wydajniejszy od beztlenowego (tj. produkuje większą ilość ATP na mol substratu), wytwarzanie energii w procesach beztlenowych pozwala na uzyskanie dużej ilości energii w bardzo krótkim czasie. Może to mieć kluczowe znaczenie w sytuacjach wymagających ekstremalnie szybkich ruchów.
Każda dyscyplina sportowa charakteryzuje się specyficznymi umiejętnościami motorycznymi, które wiążą się z unikalnymi wymaganiami fizjologicznymi i metabolicznymi dla danej dyscypliny. Najważniejszym aspektem zapotrzebowania metabolicznego jest wzglбиy wkład poszczególnych systemów energetycznych w całkowitą energię wymaganą do podjęcia danej aktywności. Określenie specyficznego zapotrzebowania każdej dyscypliny sportowej jest kluczowe dla opracowania zoptymalizowanych modeli treningowych, strategii żywieniowych oraz środków ergogennych, które mogą zmaksymalizować wyniki sportowe.
Niektóre dyscypliny sportowe są stosunkowo łatwe do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych, co umożliwia stworzenie kontrolowanego środowiska do oceny sportowców. Dotyczy to na przykład biegania i kolarstwa. Dyscypliny te składają się z przewidywalnych ruchów, dzięki czemu są łatwe do przebadania. Wykorzystując proste wyposażenie, można dość dokładnie odwzorować ruchy, jakie sportowcy wykonują w rzeczywistych sytuacjach, takich jak treningi i zawody. W rezultacie dyscypliny te były szerzej badane przez naukowców zajmujących się fizjologią wysiłku, co zaowocowało powstaniem bardziej kompletnej i wiarygodnej literatury naukowej.
Z drugiej strony, w przypadku wielu dyscyplin sportowych znacznie trudniej jest odtworzyć warunki laboratoryjne. Sporty te są nieprzewidywalne i zależne od działań partnerów oraz przeciwników. Prowadzi to do niemożności dokładnego odwzorowania warunków rywalizacji w laboratorium, a także do braku możliwości oceny tych sportowców w terenie podczas treningów lub zawodów. Być może z powodu tych problemów dyscypliny te poświęcano znacznie mniej uwagi w badaniach naukowych. Dotyczy to większości sportów drużynowych oraz wielu sportów indywidualnych1.
Biorąc pod uwagę te aspekty, naszym celem było opisanie sposobu oceny zróżnicowanego wkładu systemów energetycznych w dyscyplinach sportowych, które są trudne do odtworzenia w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Ponieważ judo jest sportem bardzo złożonym i nieprzewidywalnym, posłużymy się nim jako przykładem. Przedstawione tutaj koncepcje mogą być jednak dostosowane do wielu różnych dyscyplin sportowych.
1. Pomiary fizjologiczne w stanie spoczynku
- Zmierz masę ciała sportowca przed rozpoczęciem ćwiczeń.
- Przed rozpoczęciem ćwiczeń pobierz małą próbkę krwi spoczynkowej z płatka ucha lub opuszki palca i przechowuj ją w lodzie do zakończenia całej procedury eksperymentalnej.
- Następnie umieść skalibrowany przenośny analizator gazów w najdogodniejszej pozycji, zależnie od ruchów, które będzie wykonywać sportowiec, i zarejestruj spoczynkowe lub bazowe zużycie tlenu przez pięć minut. Podczas pomiaru bazowego sportowiec musi pozostać w ciszy, stojąc na nogach (jeśli ćwiczenia będą wykonywane w pozycji stojącej) lub siedząc na urządzeniu, które zostanie wykorzystane (jeśli ćwiczenia będą wykonywane na cykloergometrze lub innym podobnym urządzeniu).
2. Pomiary fizjologiczne podczas wysiłku
- Po pobraniu próbki krwi spoczynkowej i pomiarze spoczynkowego zużycia tlenu, można poprosić sportowca o rozpoczęcie konkretnego ćwiczenia będącego przedmiotem badania. Przenośny analizator gazów należy umieścić w pozycji, która nie będzie utrudniać wykonywania ćwiczeń i nie doprowadzi do uszkodzenia sprzętu. Kontynuuj pomiar zużycia tlenu przez cały okres trwania ćwiczenia.
3. Pomiary fizjologiczne po wysiłku
- Po zebraniu danych dotyczących zużycia tlenu podczas wysiłku, kontynuuj pomiar zużycia tlenu przez dziesięć minut przed wyłączeniem urządzenia. Zawsze rekalibruj analizator gazów, jeśli w tym samym dniu ocenianych jest więcej niż jeden sportowiec.
- W celu zidentyfikowania szczytowego stężenia mleczanu w osoczu po wysiłku, pobierz małe próbki krwi bezpośrednio po wysiłku oraz w trzeciej, piątej i siódmej minucie po zakończeniu ćwiczeń. Przechowuj je w lodzie do czasu analizy.
4. Przetwarzanie próbek krwi i oznaczenie szczytowego stężenia mleczanów w osoczu
- Wszystkie próbki krwi należy umieścić w mikroprobówkach zawierających analogiczną objętość 2% roztworu NaF (np. jeśli pobierane jest 25 μL krwi, należy umieścić ją w 25 μL 2% NaF).
- Po zakończeniu zbierania danych należy oddzielić osocze od erytrocytów, wirując próbki przez 5 minut przy 2000 g w temperaturze 4°C.
- Stężenie mleczanu w osoczu można oznaczyć za pomocą różnych metod2,3. W naszym laboratorium stosujemy metodę elektrochemiczną z wykorzystaniem zautomatyzowanego analizatora mleczanów (Yellow Springs 1500 Sport, Ohio).
5. Obliczenia
- Oblicz netto energię generowaną przez metabolizm tlenowy, odejmując spożycie tlenu w spoczynku od spożycia tlenu podczas wysiłku. Spożycie tlenu w spoczynku uzyskuje się poprzez pomnożenie średniej z ostatnich 30 sekund bazowego spożycia tlenu przez całkowity czas trwania wysiłku. Następnie oblicz pole pod krzywą spożycia tlenu podczas wysiłku, stosując metodę trapezów. Na koniec odejmij spożycie tlenu w spoczynku od spożycia tlenu podczas wysiłku.
- Wkład anaerobowego metabolizmu alaktycznego (tj. szlaku ATP-CP) można uznać za szybką składową nadmiarowego spożycia tlenu po wysiłku4-6, co przedstawiono na Rysunku 1. Oblicz energię wyprodukowaną przez system alaktyczny, dopasowując kinetykę spożycia tlenu po wysiłku do krzywej bi- lub monoeksponencjalnej. Można to zrobić za pomocą oprogramowania matematycznego (np. Microcal Origin wersja 7.0). Wybierz krzywą mono- lub bi-eksponencjalną na podstawie modelu, który najlepiej pasuje do Twojego zestawu danych (tj. wykazuje najniższy residuum). Następnie wykorzystaj człony dostarczone przez równanie dopasowania (Równanie 1), aby obliczyć wkład alaktyczny zgodnie z Równaniem 2.
Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie typowej krzywej spożycia tlenu uzyskanej w spoczynku, podczas i po wysiłku.
Równanie 1:
Równanie 2:
gdzie VO2(t) to pobór tlenu w czasie t, VO2baseline to pobór tlenu w stanie bazowym, A to amplituda, δ to opóźnienie czasowe, τ to stała czasowa, a 1 i 2 oznaczają odpowiednio składową szybką i wolną. - Aby obliczyć wkład anaerobowego systemu laktycznego, przyjmuje się, że 1 mM mleczanu powyżej wartości spoczynkowych odpowiada 3 mL tlenu zużytego na kilogram masy ciała7. Zatem oblicz deltę szczytowego stężenia mleczanu w osoczu (tj. szczytowe stężenie mleczanu w osoczu minus stężenie mleczanu w osoczu w spoczynku), a następnie pomnóż tę wartość przez 3 oraz przez masę ciała sportowca. Uzyskaną wartość tlenu w mL przelicz następnie na L i na energię (kJ), przyjmując, że każde 1 L O2 jest równe 20.92 kJ.
- Na koniec sumuje się wyniki uzyskane dla każdego systemu energetycznego, aby otrzymać całkowity wydatek energetyczny podczas aktywności, co pozwala na obliczenie względnego wkładu każdego z systemów.
6. Reprezentatywne wyniki
Rycina 2 przedstawia reprezentatywną krzywą zużycia tlenu w spoczynku, podczas wysiłku oraz po wysiłku. W zastosowanym tutaj przykładzie sportowcy wykonywali trzy różne techniki judo (o-uchi-gari, harai-goshi oraz seoi-nage) przez pięć minut (jeden rzut co 15 s)8. Jest to typowa reakcja na wysiłek przerywany. Po obliczeniach otrzymaliśmy końcowe wyniki dotyczące udziału systemów energetycznych podczas ćwiczeń judo (Tabela 1).
Dodatkowe reprezentatywne wyniki przedstawiono w Tabeli 2. W tym przykładzie oceniono wspinaczy halowych o różnym poziomie zaawansowania (tj. rekreacyjnych i elitarnych) podczas wspinaczki na trasie o niskim stopniu trudności. Przedstawiono wyniki indywidualne dla jednego zawodnika elitarnego oraz jednego zawodnika rekreacyjnego (Tabela 2).
| Seoi-nague | Harai-goshi | O-uchi-gari | ||||
| kJ | % | kJ | % | kJ | % | |
| Beztlenowy alaktyczny | 46 ± 20 | 16.3 ± 2.8 | 43 ± 21 | 16.1 ± 2.7 | 36 ± 22 | 14.6 ± 2.8 |
| Tlenowy | 223 ± 66 | 82.2 ± 2.9 | 211 ± 66 | 82.3 ± 3.8 | 196 ± 74 | 84.0 ± 3.8 |
| Beztlenowy laktyczny | 4 ± 2 | 1.5 ± 0.7 | 5 ± 5 | 1.6 ± 1.4 | 4 ± 4 | 1.5 ± 1.1 |
| Suma | 273 ± 86 | - | 259 ± 91 | - | 237 ± 99 | - |
| Suma (kJ/min) | 51.9 ± 8.7 | - | 49.4 ± 8.9 | - | 45.3 ± 19.6 | - |
Tabela 1. Reprezentatywne wyniki całkowitego wydatku energetycznego oraz udziału systemów energetycznych podczas trzech różnych ćwiczeń judo.
| Poziom rywalizacji | Tlenowy (%) | Beztlenowy mleczanowy (%) | Beztlenowy alaktyczny (%) | Suma (kJ) | Suma (kJ/s) |
| Elita | 40 | 8 | 52 | 70.4 | 1.00 |
| Rekreacyjny | 40 | 15 | 45 | 96.1 | 1.15 |
Tabela 2. Reprezentatywne indywidualne dane dotyczące całkowitego wydatku energetycznego oraz udziału systemów energetycznych podczas wspinaczki na drogę o niskiej trudności.
Rysunek 2. Reprezentatywne wyniki uzyskane podczas 5-minutowego ćwiczenia judo.
Dyskusja
Przedstawiona tutaj metoda może być stosowana zarówno w przypadku wysiłku ciągłego, jak i przerywanego. Ogromną zaletą tej metody jest możliwość jej adaptacji do ćwiczeń i dyscyplin sportowych, które trudno odtworzyć w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Ponadto jest to jedyna dostępna metoda pozwalająca na rozróżnienie wkładu trzech różnych systemów energetycznych. Dzięki temu metoda ta umożliwia badanie dyscyplin sportowych w warunkach bardzo zbliżonych do rzeczywistych, zapewniając badaniu pożądaną trafność ekologiczną9. Na przykład niedawne badanie przeprowadzone przez Mello et al.10 wykazało, że wkład glikolityczny w wyścigu wioślarskim na wodzie na dystansie 2000 m wynosi zaledwie 7%, co oznacza, że wynik w wioślarstwie zależy głównie od metabolizmu tlenowego. Podobnie badanie Beneke et al.4 potwierdziło, że głównym źródłem energii podczas jednego z najczęściej stosowanych testów beztlenowych, testu Wingate, jest metabolizm beztlenowy (20% tlenowy; 30% alaktyczny i 50% glikolityczny). W niedawnych badaniach przeprowadzonych przez nasz zespół scharakteryzowano również wkład energetyczny w wspinaczce halowej6 oraz judo8, co opisano w tym przykładzie. W rzeczywistości wiedza na temat wkładu energetycznego jest kluczowa dla opracowywania strategii ergogennych, organizacji treningów, a nawet walidacji testów.
Metoda ta posiada pewne ograniczenia. Po pierwsze, koszt sprzętu jest dość wysoki i wymagany jest wyspecjalizowany, przeszkolony personel. Po drugie, choć za pomocą tej techniki można odwzorować większość dyscyplin sportowych, nie każdy rodzaj ćwiczeń może być badany przy użyciu przenośnego analizatora gazów. Wreszcie, ponieważ poziom mleczanu w osoczu nie odzwierciedla dokładnie całkowitej ilości mleczanu produkowanego przez mięśnie szkieletowe podczas aktywności, wyniki uzyskane w tej procedurze należy traktować jako szacunek zapotrzebowania metabolicznego podczas wysiłku, a nie jako precyzyjne ilościowe określenie wkładu energetycznego. Niemniej jednak, jest to jedyna dostępna zwalidowana metoda11 zdolna do rozróżnienia wkładu trzech różnych systemów energetycznych.
Oświadczenia
Autorzy oświadczają, że nie występuje konflikt interesów w związku z niniejszym badaniem.
Podziękowania
Dziękujemy Fabianie Benatti za uprzejmą współpracę przy nagraniu filmu. Dziękujemy również FAPESP (#2007/51228-0) oraz CNPq (#300133/2008-1) za wsparcie naszych badań w tej dziedzinie.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| YSI 1500 Sport | Yellow Springs | Urządzenie to umożliwia szybkie i łatwe oznaczenie mleczanu w osoczu | |
| K4 b2 | Cosmed | Urządzenie to jest niezbędne do pomiaru poboru tlenu podczas wysiłku | |
| Oprogramowanie Microcal 6.0 | OriginLab | To oprogramowanie (lub każde inne o podobnych możliwościach) będzie przydatne do obliczeń |
Bibliografia
- Franchini, E., Del Vecchio, F. B., Matsushigue, K. A. Physiological profiles of elite judo athletes. Sports Med. 41, 147-166 (2011).
- Bergmeyer, H. U., Bergmeyer, J., Grassl, M. Methods of enzymatic analysis. , Academic Press. New York. (1983).
- Passonneau, J. V., Lowry, O. H. Enzymatic Analysis. A Practical Guide. , Humana Press. Totowa, New Jersey. (1993).
- Beneke, R., Pollmann, C., Bleif, I. How anaerobic is the Wingate Anaerobic Test for humans. Eur. J. Appl. Physiol. 87, 388-392 (2002).
- Beneke, R., Beyer, T., Jachner, C. Energetics of karate kumite. Eur. J. Appl. Physiol. 92, 518-523 (2004).
- Bertuzzi, R. C. D., Franchini, E., Kokubun, E. Energy system contributions in indoor rock climbing. Eur. J. Appl. Physiol. 101, 293-300 (2007).
- di Prampero, P. E., Ferretti, G. The energetics of anaerobic muscle metabolism: a reappraisal of older and recent concepts. Respir. Physiol. 118, 103-115 (1999).
- Franchini, E., Bertuzzi, R. C. D., Degaki, E. Energy Expenditure in Different Judo Throwing Techniques. Proceedings of first joint international pre-Olympic conference of sports science and sports engineering, vol II. Bio-mechanics and sports engineering. , 55-60 (2008).
- Calmet, M. Developing ecological research in judo. Percept. Mot. Skills. 105, 646-648 (2007).
- Mello, F. D., Bertuzzi, R. C., Grangeiro, P. M. Energy systems contributions in 2,000 m race simulation: a comparison among rowing ergometers and water. Eur. J. Appl. Physiol. 105, 615-619 (2009).
- Bertuzzi, R. C., Franchini, E., Ugrinowitsch, C. Predicting MAOD using only a supramaximal exhaustive test. Int. J. Sports Med. 31, 477-481 (2010).
Przedruki i uprawnienia
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie