Fizjologia wysiłku kluczem do lepszego życia w starszym wieku? Tajemnice wydolności mięśni odkryte

Eksperci uważają, że wiedza o fizjologii wysiłku fizycznego jest kluczem do lepszego planowania treningu zarówno dla sportowców, jak i osób starszych. Jak działają nasze mięśnie podczas wysiłku? Dlaczego osoba po 80. roku życia czuje się tak zmęczona wchodząc po schodach, jak sportowiec po biegu na 400 m? I jakie tajemnice kryją się za sukcesami w sporcie wyczynowym? O tym opowiada w wywiadzie prof. Jerzy Żołądź.

Prof. Jerzy Żołądź, to współtwórca sukcesu Adama Małysza, profesor Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego, członek zwyczajny The Physiological Society (London).

Zgodzi się pan, że wiedza o fizjologii wysiłku może pomóc nie tylko zawodnikom osiągać wyższy poziom sportowy, ale też osobom starszym zwiększać tolerancję wysiłku i hamować proces starzenia? 

Tak, jak najbardziej. Trudno byłoby mi sobie wyobrazić obecnie planowanie treningu sportowego bez solidnej wiedzy o fizjologii i biochemii wysiłku fizycznego. Uważam, że wiedza ta jest niezbędna zarówno w przypadku planowania treningu sportowego jak i w planowaniu treningu dla osób rozpoczynających aktywność fizyczną na poziomie rekreacyjnym. Zaryzykuję stwierdzenie, że planowanie treningu fizycznego dla osób o niższej wydolności fizycznej wymaga więcej precyzji w dobrze obciążeń treningowych - częstotliwość, intensywność i czas trwania wysiłku - aniżeli w przypadku sportowców wyczynowych.   

Dlaczego? 

Przedawkowanie obciążeń treningowych sportowca wyczynowego ma, oczywiście, ogromne negatywne skutki, gdyż prowadzi najczęściej do obniżenia, zamiast wzrostu formy sportowej, przetrenowania, urazów sportowych oraz często do zakończenia kariery sportowej. W przypadku zastosowania nadmiernych obciążeń treningowych dla osób o niższej wydolności fizycznej w tym pacjentów, konsekwencje mogą być jeszcze poważniejsze, gdyż skutkować mogą szeregiem komplikacji zdrowotnych.

Brzmi groźnie. Czyli trzeba by ustalić fizjologiczne kryteria dozowania właściwych obciążeń treningowych dla osób starszych. A może one już są?

Pewne kryteria już są, ale nie wszyscy są świadomi ich istnienia. Nie ma powszechnie stosowanych badań oceniających zdolność wysiłkową osób zdrowych czy pacjentów. Niestety, najczęściej aktywność fizyczna osób w młodym wieku jak i osób starszych daleka jest od optymalnej dla danej osoby.

Co może osoba w wieku 70 plus? Użył pan kiedyś porównania, że na przykład wchodzenie po schodach na 1-2 piętro, u większości osób po 80. roku życia, powoduje podobne zmęczenie mięśni, jak bieg zawodnika na 400 m.

Wydolność fizyczna człowieka już po przekroczeniu 25 roku życia, stopniowo maleje. Najwcześniej widoczne jest pogorszenie maksymalnej szybkości skracania się mięśni oraz ich mocy maksymalnej – zdolności do wysiłków sprinterskich, a nieco później pogorszenie wytrzymałości mięśni – zdolności do wysiłków długotrwałych. Zatem z początkiem procesu starzenia się mięśni mamy do czynienia już w relatywnie młodym wieku. Związana z wiekiem postępująca utrata zdolności wysiłkowych człowieka przebiega u różnych osób w różnym tempie. Istotny wpływ na jej przebieg mają takie czynniki jak: poziom aktywności fizycznej, podłoże genetyczne, higiena życia, występowanie chorób. Na przykład dla wielu osób nawet po przekroczeniu 80 roku życia, wejście po schodach na trzecie piętro nie jest wielkim stresorem, ale dla osób w podobnym wieku, lecz o niskiej wydolności fizycznej, zadanie to jest tak dużym wysiłkiem jak bieg sprinterski dla sportowca. Wysiłek taki skutkuje bowiem podobnym poziomem bolesności mięśni oraz wielkości zaburzeń statusu metabolicznego w mięśniach jak bieg sprinterski na 400 m w wykonaniu sportowca. Co ciekawe, trening fizyczny w istotny sposób zmniejsza negatywny wpływ wieku na wydolność fizyczną człowieka. Dlatego trening osób starszych jest pożyteczny i wskazany w budowaniu rezerwy funkcjonalnych mięśni i układu krążenia. Chodzi głównie o zbudowanie wystarczającej rezerwy siły, mocy i wytrzymałości, aby bez zmęczenia wykonać czynności fizyczne dnia codziennego.

Powiedzmy jeszcze coś o produkcji energii w mięśniach szkieletowych i przyczynach ich zmęczenia oraz, co chyba trudne, poproszę o odpowiedź na pytanie, który czynnik lub czynniki spośród wielu badanych "wyłączają" pracę mięśni szkieletowych i sercowego?

Mięśnie szkieletowane wytwarzają energię w postaci ATP (adenozyno-5′-trifosforan), którą w około 1/5 zamieniają na pracę mechaniczną, reszta wytworzonej energii rozpraszana jest w postaci ciepła. W mięśniach szkieletowych funkcjonują trzy głównie systemy wytwarzania energii: fosforylacja oksydacyjna, glikoliza beztlenowa oraz reakcja kinazy kreatynowej. Fosforylacja oksydacyjna to w uproszczeniu szereg reakcji w mitochondriach komórek w celu wytworzenia ATP - system niskich mocy produkcji energii. Niezbędny do zasilania organizmu w energię w spoczynku oraz podczas wysiłków długotrwałych o umiarkowanej intensywności np. w biegu maratońskim.

Reakcją dostarczającą ATP w najszybszym tempie, np. w czasie biegów sprinterskich, gdzie zużycia energii są bardzo duże, jest reakcja kinazy kreatynowej. Pośrednią tj. posiadającą większą moc produkcji ATP (mM ATP/s) niż fosforylacja oksydacyjna a mniejszą niż reakcja kinazy kreatynowej jest proces glikolizy beztlenowej. Trening fizyczny usprawnia wszystkie te reakcje/procesy. Dla potrzeb dnia codziennego najważniejsza jest fosforylacja oksydacyjna. Przekroczenie maksymalnej mocy produkcji ATP w procesie fosforylacji oksydacyjnej skutkuje zaburzeniem statusu metabolicznego mięśni, w tym wzrostem stężenia w mięśniu szkieletowym jak i w sercu takich metabolitów jak Pi, ADP oraz H+. Czynników - najpierw ograniczających, a przy maksymalnych ich stężeniach „wyłączających” pracę mięśni szkieletowych lub pracę serca. Zarówno maksymalna moc jak i sprawność energetyczna fosforylacji oksydacyjnej wzrasta w procesie treningu. Dobrze zaplanowany trening skutkuje przesunięciem mocy krytycznej (ang. critical power) w prawo, tj. w kierunku wyższych mocy czy prędkości biegu. W przypadku osoby w starszym wieku wiąże się to ze wzrostem prędkości marszu bez uczucia zmęczenia, a w przypadku sportowca - poprawą wyniku sportowego w konkurencjach wytrzymałościowych, np. w biegu maratońskim.  

Był pan redaktorem i współautorem dwóch rozdziałów wydanego w Stanach Zjednoczonych podręcznika na temat energetyki, siły, mocy, wytrzymałości, jak i przyczyn zmęczenia mięśni. No właśnie, jakie są przyczyny zmęczenia mięśni? 

Zachęcam do lektury wspomnianego opracowania, które dostępnie jest także w naszym kraju: Muscle and Exercise Physiology - 1st Edition (elsevier.com)., tam czytelnik znajdzie pełną odpowiedź na to pytanie.

Tymczasem, w pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że przyczyny zmęczenia organizmu człowieka w wysiłku fizycznym dzielimy na dwie grupy: czynniki odpowiedzialne za zmęczenie ośrodkowe, czyli mózgowe, procesy metaboliczne działające na poziomie mózgu, prowadzące do osłabienia/wyłączenia motywacji do kontynuowania wysiłku. Ten rodzaj zmęczenia dotyczy najczęściej wysiłków długotrwałych.

Drugi rodzaj zmęczenia  zwany zmęczeniem obwodowym zlokalizowany jest w mięśniach, a u jego podłoża leżą takie czynniki jak: osiągnięcie krytycznych stężeń metabolitów w mięśniu: fosforan nieorganiczny, adenozynodifosforan, jony wodorowe. Istotną rolę w zmęczeniu mięśni i całego organizmu może odgrywać także zaburzenie gospodarki wodno-elektrolitowej organizmu. Ważną rolę w zmęczeniu mięśni odgrywa również wyczerpanie substratów energetycznych, głównie fosfokreatyny i glikogenu w całym mięśniu albo w poszczególnych włóknach mięśniowych decydujących o określonym działaniu.

Pewną rolę w zmęczeniu mięśni przypisuje się także reaktywnym formom tlenu (ROS). Tu ukłon w kierunku nieżyjącego już, wybitnego polskiego biochemika prof. dr hab. Jerzego Popinigisa, pioniera badań w naszym kraju nad znaczeniem produkcji wolnych rodników w warunkach wysiłkowych. Pomimo długiej historii badań w tym obszarze, nasza wiedza zarówno w kwestii mechanizmów produkcji jak i znaczenia ROS w zmęczeniu mięśni jest wciąż niewystraczająca i wymaga dalszych badań.

Na koniec nie mogę nie zapytać, czy nie tęskni pan za sportem wyczynowym? Mam na myśli niezapomniane sukcesy Adama Małysza i jego bułkę z bananem.

Sport wyczynowy bardzo lubię i uważnie śledzę. Często odpowiadam na pytania wielu trenerów różnych specjalności, zwłaszcza dotyczące optymalizacji treningu oraz przekraczania kolejnych granic możliwości sportowych ich zawodników. Jeśli chodzi o trening Adama Małysza, najważniejszą kwestią z mojego punktu widzenia było opracowanie nowego, niestosowanego wcześniej na świecie programu mocy i wytrzymałości mięśni skoczka narciarskiego. Program ten oparty był na najnowszych osiągnieciach fizjologii wysiłku i fizjologii mięśni, które miałem przyjemność poznawać w czasie licznych staży/wizyt naukowych w uniwersytetach Holandii, Wielkiej Brytanii czy Danii. Generalnie celem tego programu było wytrenowanie mięśni Adama tak, aby jego reakcje metaboliczne, czyli reakcja kinazy kreatynowej i paradoksalnie fosforylacja oksydacyjna były w stanie sprostać najwyższym wymogom tej konkurencji. Jak pamiętamy, było to możliwe. Chodziło o osiąganie największej mocy maksymalnej mięśni kończyn dolnych w relacji do masy ciała oraz zbudowanie dużej odporność na zmęczenie, pozwalającej na rywalizację na światowym poziomie przez cały sezon. Tak zbudowana wydolność fizyczna Adama Małysza otworzyła przestrzeń do nowej techniki skakania, co w połączeniu z treningiem psychologicznym zbudowało znaczącą przewagę nad konkurencją światową. Specjalna dieta, w tym zapamiętana przez wielu „bułka z bananem”, były częścią tego programu.

Mówiąc krótko, profesor Żołądź wybrał naukę. 

Bezwzględnie tak. Bez nauki nie ma mowy o postępie w żadnej wymiernej dziedzinie życia. Sport wyczynowy jest dużym polem zastosowań wielu osiągnieć nauki.  

Prof. Jerzy Andrzej Żołądź, 

stopień doktora otrzymał w Frije Universiteit Amsterdam (Holandia), członek zwyczajny The Physiological Society (London). Pracuje na Wydziale Nauk o Zdrowiu Collegium Medicum UJ. Pełni funkcję kierownika Katedry Fizjologii Wysiłku i Bioenergetyki Mięśni. Interesuje się fizjologią wysiłku, fizjologią sportu, ze szczególnym uwzględnieniem energetyki i przyczyn zmęczenia mięśni. Współtwórca sukcesu Adama Małysza. Członek Polskiej Akademii Nauk - Komitet Rehabilitacji, Kultury Fizycznej i Integracji Społecznej. Autor wielu artykułów naukowych. Przez trzy lata pracował z 60-osobowym zespołem światowych ekspertów nad podręcznikiem „Muscle and Exercise Physiology”, prezentującym największe dokonania z fizjologii mięśni i wysiłku fizycznego. Podręcznik ten wydany przez Academic Press, Elsevier, London, dystrybuowany jest do wszystkich ważniejszych uniwersytetów na świecie. Recenzent prac habilitacyjnych i doktoratów. Ostatnio na temat mięśni mówił w czasie „Free Radicals in Biology, Medicine, Sport and Nutrition” („Wolne rodniki w biologii, medycynie, sporcie i żywieniu”), największej w Europie środkowo-wschodniej konferencji o wolnych rodnikach i biochemii wysiłku fizycznego, która odbyła się na terenie Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego.