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. Choć metabolizm tlenowy jest bardziej wydajny niż beztlenowy (tj. produkuje większą ilość ATP na mol substratu), wytwarzanie energii poprzez metabolizm beztlenowy pozwala na uzyskanie dużej ilości energii w bardzo krótkim czasie. Może to mieć decydujące znaczenie w każdej sytuacji wymagającej niezwykle szybkich ruchów.
Każda dyscyplina sportowa posiada specyficzne cechy w zakresie sprawności ruchowej, które generują unikalne wymagania fizjologiczne i metaboliczne charakterystyczne dla danej dyscypliny. Najważniejszym aspektem zapotrzebowania metabolicznego jest względny udział poszczególnych systemów energetycznych w całkowitej energii wymaganej do wykonania danej aktywności. Określenie specyficznych wymagań każdej dyscypliny sportowej jest kluczowe dla opracowania zoptymalizowanych modeli treningowych, strategii żywieniowych oraz środków ergogennych, które mogą zmaksymalizować osiągnięcia 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. Sporty te składają się z przewidywalnych ruchów, dzięki czemu są łatwe do zbadania. Przy użyciu prostego sprzętu można dość dokładnie odwzorować ruchy, które sportowcy wykonują w rzeczywistych sytuacjach, takich jak treningi i zawody. W rzeczywistości dyscypliny te były szerzej badane przez naukowców zajmujących się fizjologią wysiłku, co przełożyło się na powstanie bardziej kompletnej i wiarygodnej literatury naukowej.
Z drugiej strony, liczba dyscyplin sportowych, których znacznie trudniej odtworzyć w warunkach laboratoryjnych, jest spora. Sporty te są nieprzewidywalne i zależne od działań partnerów oraz przeciwników. Prowadzi to do niemożności dokładnego odtworzenia warunków rywalizacji w laboratorium oraz braku możliwości oceny tych sportowców w terenie, zarówno podczas treningu, jak i zawodów. Być może ze względu na te problemy, dyscypliny te poświęcały naukowcy znacznie mniej uwagi. Dotyczy to większości sportów zespołowych 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 odwzorowania 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 spoczynku
- Zmierz masę ciała sportowca przed rozpoczęciem ćwiczeń.
- Przed rozpoczęciem ćwiczeń pobierz niewielką 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 bezruchu, stojąc na nogach (jeśli ćwiczenia będą wykonywane w pozycji stojącej) lub siedząc na urządzeniu, które będzie wykorzystywane (jeśli ćwiczenia będą wykonywane na cykloergometrze lub innym podobnym urządzeniu).
2. Pomiary fizjologiczne podczas wysiłku fizycznego
- Po pobraniu próbki krwi spoczynkowej i pomiarze spoczynkowego poboru tlenu, można poprosić sportowca o rozpoczęcie konkretnego ćwiczenia będącego przedmiotem badania. Przenośny analizator gazowy należy umieścić w pozycji, która nie będzie przeszkadzać w wykonywaniu ćwiczenia i która zapobiegnie uszkodzeniu sprzętu podczas jego trwania. Należy kontynuować pomiar poboru tlenu przez cały okres trwania ćwiczenia.
3. Pomiary fizjologiczne po wysiłku
- Po zebraniu danych dotyczących poboru tlenu podczas wysiłku, należy kontynuować pomiary poboru tlenu przez dziesięć minut przed wyłączeniem urządzenia. Zawsze należy ponownie skalibrować analizator gazów, jeśli tego samego dnia ocenianych jest więcej niż jeden sportowiec.
- W celu zidentyfikowania szczytowego stężenia mleczanu w osoczu po wysiłku, należy pobrać małe próbki krwi bezpośrednio po wysiłku oraz w trzeciej, piątej i siódmej minucie po jego zakończeniu. Próbki należy przechowywać w lodzie do momentu analizy.
4. Przetwarzanie próbek krwi i oznaczenie szczytowego stężenia mleczanu 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 gromadzenia danych należy oddzielić osocze od erytrocytów poprzez wirowanie próbek przez 5 minut przy 2000 g w temperaturze 4°C.
- Poziom mleczanów 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 wygenerowaną 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 s bazowego spożycia tlenu przez całkowity czas trwania wysiłku. Następnie, oblicz pole pod krzywą spożycia tlenu podczas wysiłku, stosując metodę trapezową. Na koniec odejmij spożycie tlenu w spoczynku od spożycia tlenu podczas wysiłku.
- Wkład beztlenowego metabolizmu alaktycznego (tj. ścieżki ATP-CP) można uznać za szybki komponent nadmiarowego spożycia tlenu po wysiłku4-6, co zilustrowano na Rysunku 1. Oblicz energię wytworzoną 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 bieksponencjalną na podstawie modelu, który najlepiej pasuje do Twojego zestawu danych (tj. najniższa wartość residuum). Następnie wykorzystaj składniki dostarczone przez dopasowane równanie (Równanie 1), aby obliczyć wkład alaktyczny zgodnie z Równaniem 2.
Rysunek 1. Schematyczna ilustracja 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 bazowego, A to amplituda, δ to opóźnienie czasowe, τ to stała czasowa, a 1 i 2 oznaczają odpowiednio komponenty szybki i wolny. - Aby obliczyć wkład beztlenowego 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, a następnie 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, po czym można obliczyć względny wkład każdego z systemów.
6. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 2 przedstawia reprezentatywną krzywą zużycia tlenu w spoczynku, podczas wysiłku oraz po jego zakończeniu. 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 oceniano wspinaczy halowych o różnym poziomie zaawansowania (tj. rekreacyjnych i elity) podczas pokonywania trasy o niskim stopniu trudności. Przedstawiono wyniki indywidualne jednego sportowca z grupy elity oraz jednego sportowca 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 bezmleczanowy (%) | Suma (kJ) | Suma (kJ/s) |
| Elitarny | 40 | 8 | 52 | 70.4 | 1.00 |
| Rekreacyjny | 40 | 15 | 45 | 96.1 | 1.15 |
Tabela 2. Reprezentatywne dane indywidualne dotyczące całkowitego wydatku energetycznego oraz udziału systemów energetycznych podczas wspinaczki na drogę o niskim stopniu 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
