IES CONSELLERIA – DEPARTAMENT D’EDUCACIÓ FÍSICA Fundamentos biológicos y bases del entrenamiento deportivo – 1º TAFAD

RESPUESTAS Y ADAPTACIONES DE LOS SISTEMAS RESPIRATORIO Y CARDIOCIRCULATORIO AL EJERCICIO FÍSICO

ÍNDICE 1. Introducción 2. Adaptaciones del sistema respiratorio al ejercicio físico 2.1 Aumento de la ventilación pulmonar • Modificaciones del VMR en actividad física • Conceptos de Deuda de oxígeno, Umbral anaeróbico y Consumo de oxígeno 2.2. Movilización de los gases durante la actividad física: Difusión y Transporte 2.3. Regulación de la respiración durante el ejercicio físico 3. Consecuencias negativas del ejercicio en el aparato respiratorio 4. Respiración en condiciones especiales

5. Adaptación cardiovascular al ejercicio físico 5.1 VARAICIONES DEL GASTO CARDÍACO 5.2 VARIACIONES DE PRESIÓN ARTERIAL 5.3 VARIACIONES DEL FLUJO SANGUÍNEO 5.4 DIFERENCIA ARTERIO-VENOSA DE OXÍGENO / CONSUMO DE OXÍGENO

6. Adaptaciones permanentes del sistema cardiovascular que se manifiestan en reposo. 7. Adaptaciones del sistema cardiovascular frente al entrenamiento

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1. Introducción Cuando realizamos ejercicio físico se producen dos tipos de Adaptaciones: •

Adaptación aguda o Respuesta adaptativa: es la que tiene lugar en el transcurso cualquier tipo de actividad física.

•

Adaptación crónica: es la que se manifiesta por los cambios estructurales y funcionales de las distintas adaptaciones agudas (cuando el ejercicio es repetido y continuo), por ejemplo: o

aumento del número de mitocondrias musculares

o

agrandamiento cardíaco

o

incremento del consumo máximo de oxígeno (VO2)

o disminución de la frecuencia cardiaca en reposo o para un mismo nivel de trabajo físico o incremento de la capacidad oxidativa del músculo, etc. Una “Adaptación” es un cambio más o menos permanente de estructura y/o función que capacita al organismo para responder de una forma más fácil al siguiente estímulo • Las adaptaciones no se aprecian hasta pasadas varias semanas de entrenamiento • Casi todos los cambios en la función corporal producidos por el ejercicio o el entrenamiento tienden a mantener la HOMEOSTASIS • El feedback o retroalimentación negativa es el mecanismo de control para mantener la homeostasis Modelo general de respuesta al ejercicio físico EJERCICIO

Cambio en la estructura o medio químico: Temp, pH, O2, CO2

f e e d b a c Negativ k

Receptor Músculos, cerebro, páncreas....

Respuesta o adaptación Aumento de Fc, respiración, flujo sanguíneo...

Vías de respuesta Nerviosa, hormonal...

Órganos Corazón, pulmones.....

2. Adaptaciones del sistema respiratorio al ejercicio físico La actividad física determina sobre el aparato respiratorio un i n c r e m e n t o e n l a frecuencia de los ciclos respiratorios y en la amplitud o

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volumen pulmonar. Este aumento ocurre rápidamente una vez comenzada la actividad y a veces antes de iniciarla (sobre todo en deportistas entrenados) y depende de múltiples factores. Esta adaptación del sistema respiratorio nos indica una m a y o r f a c i l i d a d p a r a e l deportista en cuanto al intercambio respiratoria que mantiene con el medio que le rodea, lo que le facilita una mejora en sus capacidades para realizar el ejercicio físico, manifestado por una disminución de la frecuencia respiratoria en estado de reposo. En el siguiente cuadro podemos observar como existen otros factores implicados en la respuesta del organismo al ejercicio físico RESPUESTAS DEL SISTEMA RESPIRATORIO DURANTE LA ACTIVIDAD FÍSICA

Modificación en la movilización de gases

Aumento de la ventilación pulmonar (VMR)

F.Resp

V.corr

Difusión

regulacion de la respiración

Transp

2.1 Aumento de la ventilación pulmonar La ventilación pulmonar (Volumen Minuto Respiratorio o VMR) es la relación existente entre el volumen corriente y la Frecuencia respiratoria. Como puede apreciarse en el siguiente cuadro, existen grandes diferencias según la intensidad del ejercicio físico realizado REPOSO

F.Respiratoria

VOL CORR

ACTIVIDAD MODERADA

ACTIVIDAD INTENSA

ACTIVIDAD MUY INTENSA

12-16 25 30-40 40-50 ciclos/min ciclos / min Ciclos/min Ciclos/min REPOSO

ACTIVIDAD MODERADA

0,5 L

1,5 L

ACTIVIDAD ACTIVIDAD INTENSA MUY INTENSA

2,5 L

3L

Modificaciones del VMR en actividad física • Fase I: En los primeros 30/50’’ La ventilación pulmonar aumenta de forma brusca e inmediata como respuesta a una mayor demanda. En

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•

•

•

•

algunos casos (sujetos entrenados, prioritariamente) puede presentarse una respuesta anticipada a la actividad física. Constituiría una Fase 0 Fase II: Desde el fin de la fase I y hasta el 4/5’ Se produce un ajuste gradual (aumento lento) de la ventilación a la tasa que requiere el esfuerzo. Fase III: Desde el fin de la fase II y hasta el fin de la actividad. La ventilación se encuentra equilibrada con las demandas energéticas del organismo durante el esfuerzo Fase IV: Primeros 2’ tras el cese de la actividad. Fuerte y rápido descenso del Volumen Minuto Respiratorio (VMR) en los primeros momentos tras el cese de la actividad Fase V: Tras llevar un par de minutos parados y hasta la recuperación total. Descenso lento y sostenido del volumen minuto respiratorio (VMR)

I

II

III

IV

V

Concepos de Deuda de oxígeno, Umbral anaeróbico y Consumo de oxígeno a) Deuda de oxígeno. Íntimamente relacionado con lo que acabamos de ver, está el concepto de “Deuda de Oxígeno” Cuando se inicia un ejercicio, incluso ligero, y se mantiene de forma estable durante algún tiempo, el consumo de oxígeno aumenta de manera inmediata pero hasta que no transcurren unos minutos no se estaciona en el nivel que corresponde al del ejercicio que se está realizando. Durante este intervalo se incurre en lo que se denomina deuda de oxígeno o déficit de oxígeno ya que el consumo de oxígeno es insuficiente para los requerimientos metabólicos en ese periodo de tiempo. El valor de la deuda de oxígeno será la diferencia entre el consumo de oxígeno necesario para mantener la situación de ejercicio de manera estable y el consumo de oxígeno producido. Al finalizar el ejercicio se repara la deuda de oxígeno manteniendo el consumo de oxígeno por encima del necesario en reposo durante un cierto tiempo.

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Durante la fase inicial en la que el oxígeno inspirado no es suficiente para suplir el gasto energético se hace uso de otras fuentes de energía que son: a) Compuestos de alta energía almacenados en el músculo en actividad como ATP y fosfato de creatina (PC). b) Oxígeno almacenado en la sangre y en la mioglobina muscular. c) Glucógeno muscular y glucosa sanguínea que resintetizan compuestos de alta energía vía glicólisis anaerobia y por lo tanto sin requerir oxígeno. Esto dará lugar a la acumulación de ácido láctico que formará lactato e hidrogeniones que difundirán a la sangre aumentando los niveles de lactato y disminuyendo el pH (que es un potente estimulante de la ventilación) Al finalizar el ejercicio se repara la deuda de oxígeno ya que los almacenes de compuestos de alta energía se reponen, el glucógeno se resintetiza y el lactato entra en el ciclo del ácido cítrico oxidándose a CO2 y H2O. Todo esto explica el mantenimiento elevado del consumo de oxígeno durante la fase de reparación de la deuda de oxígeno. La deuda de oxígeno no se debe a que el sistema respiratorio sea incapaz de proporcionar oxígeno suficiente a los tejidos ya que ocurre incluso con ejercicio ligero. De hecho, incurrir en deuda es el mecanismo para incrementar el consumo de oxígeno y éste permanece elevado hasta que se repara la deuda.

b) Umbral anaeróbico. El consumo de oxígeno aumenta con la intensidad del ejercicio y mientras éste no sobrepase cierta intensidad se llega a una situación estable en la que el sistema respiratorio y cardiovascular aportan el oxígeno necesario a los tejidos (gracias a que aumentan su funcionamiento). Cuando la intensidad del ejercicio es muy alta llega un momento en que el sistema de transporte de oxígeno es incapaz de proporcionar todo el oxígeno que requiere el metabolismo aerobio y

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entonces se produce un incremento del metabolismo anaerobio que se detecta por el incremento en la producción de ácido láctico (aumentan los niveles de lactato en sangre). Cuando esto ocurre se dice que se ha alcanzado el “umbral anaeróbico” en el ejercicio. El momento en que esto ocurre depende no sólo de la intensidad del ejercicio sino de factores como la altitud, temperatura ambiente y nivel de entrenamiento del sujeto que hace el ejercicio. Conforme el ejercicio aumenta de intensidad (>200 W) los niveles de lactato en sangre van aumentando hasta que se llega a un nivel (>1g/l) que provoca suficiente malestar como para tener que interrumpir el ejercicio. Tanto la intensidad del ejercicio como la tolerancia al incremento de lactato en sangre dependen del nivel de entrenamiento.

VMR l/min 150 130 110

U. Anaerob

La oxidación del lactato que tiene lugar después de cesar el ejercicio forma parte del pago de la deuda de oxígeno.

90 70

Intensidad de la actividad

c) Consumo de oxígeno. La relación entre el consumo de oxígeno y el ejercicio es prácticamente lineal con una intercepción para el nivel de reposo (ejercicio=0) de 200-250 ml/min Los límites para sujetos jóvenes y no entrenados están alrededor de los 3 l/min que es lo que se denomina consumo de oxígeno máximo ( VO2 max). El sedentarismo puede reducir la cifra a la mitad, mientras que el entrenamiento permite llegar a valores del doble.

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En relación a la regulación de la ventilación durante la actividad física debemos tener en cuenta que: • Mientras se trabaja por debajo del 75% del VO2 máx. los valores de VMR son directamente proporcionales a la intensidad del esfuerzo. A partir de ahí la relación entre VMR e intensidad de esfuerzo deja de ser proporcional y se convierte en exponencial (Umbral anaeróbico) •

El incremento repentino de la ventilación durante el ejercicio creciente es un indicador sencillo del inicio de la formación y acumulación del ácido láctico

2.2. Movilización de los gases durante la actividad física: Difusión y Transporte MOVILIZACIÓN DE LOS GASES DIFUSIÓN

PULMONES

TRANSPORTE

MÚSCULO Difusión tisular

Difusión alveolo-capilar

La difusión Es el paso de los gases a través de una membrana desde un lugar con mayor presión a otro con menor presión

Sangre venosa O2 40 mm Hg CO2 46 mm Hg

Sangre arterial O2 95 mm Hg CO2 40 mm Hg

Difusión alveolo-capilar En la sangre venosa hay mayor P CO2 que en el interior del alveolo, así pues el CO2 pasa del capilar al alveolo. En la sangre arterial hay menor P O2 que en el interior del alveolo, así pues el O2 pasará del alveolo al capilar

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Transporte de gases en la sangre: Transporte de oxígeno El oxígeno no se disuelve con facilidad en el agua, por lo que la cantidad que es transportada de esta forma en el plasma sanguíneo acuoso es muy escasa (1´5%). El resto de O2, es decir, un 98´5% es transportado unido a la hemoglobina (principal molécula transportadora de oxígeno) Cada gr. de hemoglobina (Hb) puede combinarse con 1.34 ml. de O2, por lo que si se conoce la Hb en sangre se puede calcular su capacidad transportadora de oxigeno. Sabemos que en los hombres por término medio hay de 15 a 16 gr de Hb por 100ml. de sangre. Al producirse la unión del oxígeno con la hemoglobina, la presión de este gas en la sangre disminuye y puede pasar al plasma mayor cantidad de oxígeno desde los alvéolos. Al final, todas las moléculas de hemoglobina se han combinado con oxígeno, igualándose la presión de este gas en los alvéolos y en el plasma, abandonando la sangre los pulmones, saturada de O2. La unión del oxígeno con la hemoglobina, para producir oxihemoglobina, es reversible, de forma que cuando la sangre llega a las células, la oxihemoglobina se descompone y el oxígeno se desplaza hacia las células. Transporte de anhídrido carbónico El anhídrido carbónico es transportado de tres formas: • a) Disuelto en el plasma el 7%. • b) Unido a la hemoglobina 23%. • c) En forma de iones de carbonato 70% (transportado en el plasma). Este anhídrido carbónico es liberado al llegar a los pulmones para ser eliminado en la espiración. Transporte de gases a nivel tisular Con el aumento del metabolismo: •

se gasta O2 en el tejido muscular y esto permite que el O2 pase de la sangre al músculo para recargar lo que se ha gastado.

•

aumenta la cantidad de CO2 en el tejido muscular

El intercambio de gases en el tejido muscular está favorecido por • Aumento del transporte de O2 por la Hemoglobina • Disminución del pH (más CO2 = más ácido carbónico; ácido láctico; ácido pirúbico...) • Aumento de la temperatura local

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2.3. Regulación de la respiración durante el ejercicio físico Los mecanismos de regulación de la respiración durante el ejercicio físico son de diversa naturaleza: • Regulación nerviosa: En el bulbo raquídeo que recibe información del córtex y de la médula (modificaciones de la concentración de CO2, O2, pH....) Se envía información a los músculos implicados en la respiración. • Regulación química: Variaciones de concentración de CO2, O2, provocan un descenso del pH detectado por quimiorreceptores.

3. Consecuencias negativas del ejercicio en el aparato respiratorio Son adaptaciones fisiológicas que pueden suceder en cualquier momento de un trabajo intenso. Al iniciar una actividad física puede haber sensaciones de d i s t i n t o t i p o e i n t e n s i d a d : mareos, respiración rápida e irregular, taquicardia arrítmica, opresión torácica, pulsaciones en el cráneo, fatiga y dolor muscular (sobre todo en los miembros inferiores) sin embargo el síntoma predominante es la disnea o sensación de falta de aire. Si el individuo resiste este primer mal momento y continúa la actividad comienza a sentirse mejor, y el aparato respiratorio y el circulatorio empiezan a trabajar más regularmente apareciendo una transpiración profusa que regula la temperatura y determina un alivio. Se cree que los malestares previos se deben a un reflejo o r i g i n a d o p o r e l i n t e n s o estímulo de los centros respiratorios, debido a la acumulación de metabolitos celulares en los músculos activos y en la sangre, como consecuencia del deficiente transporte de oxígeno. El alivio posterior podría deberse a una mejoría del transporte por la mejora del rendimiento del sistema respiratorio y circulatorio.

4. Respiración en condiciones especiales Las condiciones ambientales tienen una gran importancia en las respuestas y adaptaciones del organismo a las actividades cotidianas y por supuesto a la actividad física. Actividad física y altura A grandes alturas, la presión parcial de oxígeno es menor, con lo cual el oxígeno que capta la sangre también es menor. Cuando se realizan actividades en altura es necesario un periodo de adaptación que dependerá de lo drástico de la nueva situación.

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Sin embargo hay poblaciones como los Quechuas y Aymarás en los Andes y los Tibetanos y Sherpas en el Himalaya que viven y se reproducen en cotas cercanas a los 5.000 metros por lo que presentan adaptaciones permanentes a este medio físico.

El organismo humano logra adaptarse a la altura gracias a un complicado proceso que exige lentitud y progresión. Si no se respetan estas pautas se pueden producir lesiones muy graves a diferentes niveles. LUGAR

P O2 (20% de la atm) Nivel mar 0 760 mm 159 mm Hg Hg 3000 526 mm 110 mm Cumbres pirineos Hg Hg Kilimanjaro 5861 360 mm 72 mm Hg Hg Everest 8830 230 mm 46 mm Hg Hg Cuando se permanece en altura durante mucho tiempo el organismo desencadena múltiples respuestas adaptativas entre las que podemos citar: • • • • •

ALTURA

P. ATM.

Aumento de la ventilación pulmonar. Aumento de la hemoglobina de la sangre. Elevación de la capacidad difusora de los pulmones. Incremento de la riqueza vascular de los tejidos. Aumento de la capacidad de las células para utilizar oxígeno a pesar de una presión baja de éste.

Submarinismo con botella En el submarinismo con botella hay que prestar especial atención al problema que supone el N2. Hemos visto que el N2 representa casi el 80% del aire que respiramos. Es un gas que no utilizamos, como ocurre con el O2, así que en condiciones normales, lo inspiramos y lo espiramos sin más.

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Aún así, tenemos un nivel de saturación de este gas en nuestros tejidos, de tal manera que al disminuir el volumen que ocupa dicho gas cuando se realiza una inmersión, del aire respirado de la botella nos quedaremos con “más nitrógeno” al haber sitio en nuestros tejidos para él. Al volver a la superficie la menor presión atmosférica hará que el nitrógeno vuelva a ocupar todo el sitio que le corresponde y el exceso no puede disolverse así que se forman microburbujas que a su vez formarán burbujas más grandes que pueden ocasionar graves problemas (es el llamado accidente de descompresión). Submarinismo a pulmón libre o apnea Es propio de actividades como la pesca submarina, el “esnórquel” o las inmersiones de profundidad. Estas actividades no están exentas de riesgos. Uno de los principales riesgos se presenta durante el ascenso de los practicantes desde profundidades alrededor de los 20 metros o más, lo que produce una expansión de los pulmones a su volumen natural, expandiendo el CO2 disuelto en sangre y por lo tanto, esta situación puede llevar a un síncope con perdida total o parcial de la consciencia por lo que si no se está acompañado, pueden derivar en accidentes mayores o la muerte. Estos accidentes suelen suceder en los últimos diez metros, ya que a partir de esa profundidad es donde se produce una expansión más rápida. El entrenamiento y cualidades especiales de algunos deportistas han conseguido records asombrosos: Apnea dinámica con aletas - Masculino: 265 m / Dave Mullins / 25-9-2010 /Lugar: Wellington Nueva Zelanda - Femenino: 225 m / Natalia Molchanova / 25-4-2010 / Lugar: Moscow, Russia Apnea estática - Masculino: 17 min 28 s / Tom Sietas / 30-12-2008 /Lugar: Madrid, España - Femenino: 8 min 23 s / Natalia Molchanova / 21-8-2009 / Lugar : Aarhus, Denmark

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5. Adaptación cardiovascular al ejercicio físico 5.1.Variaciones del gasto cardiaco (Q) Se denomina gasto cardíaco al volumen sistólico por la frecuencia cardíaca en un minuto. Los valores del gasto cardiaco varían considerablemente en función de la actividad que se esté realizando y de las condiciones de ésta (intensidad, duración….) así como de condicionantes ambientales (temperatura, humedad….) Podemos hablar de un gasto cardiaco de unos 5 l/m en reposo a más de 25 l/m en actividad física. Variaciones de FC A medida que aumenta la intensidad de la actividad se produce un aumento paulatino de la FC hasta un nivel por encima del cual ya no se puede seguir aumentando. En actividades de larga duración, la FC tiende a estabilizarse en determinado rango lo cual dependerá de la intensidad del ejercicio (este aspecto estará relacionado con el entrenamiento de cada persona y será diferente en cada caso)

Variaciones de Vs El Vs de reposo es por término medio de unos 70-80 ml aproximadamente. En esfuerzos de alta intensidad puede llegar a ser de más del doble. En ello colaboran diversos factores, tanto químicos como mecánicos: – Masaje de los músculos que actúan sobre las venas – Acción de la adrenalina y noradrenalina sobre la intensidad del volumen de expulsión. – Etc...

5. 2. Variaciones de la presión arterial La presión arterial es la presión que ejerce la sangre contra la pared de las arterias. Esta presión es imprescindible para que circule la sangre por los vasos sanguíneos y aporte oxígeno y nutrientes a todos los órganos del cuerpo para que puedan funcionar. Al hablar de presión arterial nos referimos a dos valores: la presión sistólica y la presión diastólica •

Presión arterial sistólica: corresponde al valor máximo de la tensión arterial en sístole (cuando el corazón se contrae).

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•

Presión arterial diastólica: corresponde al valor mínimo de la tensión arterial cuando el corazón está en diástole.

Cuando se expresa la tensión arterial, se escriben dos números separados por un guión donde el primero es la presión sistólica y el segundo la presión diastólica. Los valores normales suelen ser los que se indican en el siguiente gráfico: Reposo

Actividad

Presión sistólica : 110 – 130 mm Hg

más de 200 mm Hg

Presión diastólica : 60 – 90 mm Hg

70-80 mm Hg

* Importante mantenerse con cierto nivel de actividad al finalizar los ejercicios de alta intensidad o duración por el descenso brusco de la P. Arterial (mareos, vértigos....)

5. 3. Redistribución de flujo sanguíneo durante el ejercicio Cuando realizamos alguna actividad física, el volumen de sangre circulante aumenta, de unos 5-6 l/m a unos 25-30 l/m, ya que el sistema se acelera, pero también se produce una redistribución del flujo en función de las necesidades que la actividad física plantea. Flujo sanguíneo por el ejercicio Aumentado Músculos que trabajan Músculos que no trabajan Piel

X

Circ. Coronaria

X

Sin Disminuido cambio

X X

Riñones

X

Hígado

X

Tracto gastrointestinal Pulmones

X

Cerebro

X X

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Como consecuencia del mayor volumen circulante casi todas las estructuras recibirán mayor cantidad de sangre por minuto, aunque el porcentaje para esa estructura u órgano se reduzca respecto a la situación de reposo. Todo esto ocurre porque los capilares sanguíneos de los órganos donde no se necesita tanta sangre se contraen y los capilares sanguíneos de donde sí es necesaria, se dilatan para surtir de oxígeno y nutrientes a los músculos.

5.4. Diferencia arterio-venosa de oxígeno / Consumo de oxígeno La sangre arterial va cargada de oxígeno y a medida que recorre órganos y tejidos, va cediendo el oxígeno y captando el CO2, a la diferencia entre la cantidad de oxígeno en arterias y venas se le llama DIFERENCIA ARTERIOVENOSA DE OXÍGENO (Dif a-vO2) y nos indica la cantidad de oxígeno que los músculos son capaces de extraer y utilizar. Cuanto más oxígeno sean capaces de extraer los músculos, mayor será la diferencia, lo cual es favorable y ocurre durante el ejercicio. La relación entre el volumen sistólico (Vs), la frecuencia cardiaca (Fc) y la diferencia arteriovenosa (Dif a-vO2) nos da lo que se llama CONSUMO DE OXÍGENO (VO2) que es diferente para cada actividad.

VO2 = Vs x Fc x Dif a-v O2 = Q x Dif a-v O2

EL VO2 representa la capacidad que tiene el organismo de utilización de oxígeno. Aproximadamente el valor de consumo de oxígeno en reposo es de 300 ml/min de oxígeno El consumo de oxígeno se puede expresar de forma absoluta y también se puede expresar en valores relativos, en relación el peso corporal del deportista, esto se hace dividiendo el absoluto por el peso del deportista y se expresa en ml/Kg./min. Esta forma de expresarlo es mucho más útil para conocer las diferencias entre deportistas. En deportistas de resistencia, el consumo de oxígeno máximo suele ser igual o mayor de 65 ml/Kg./min, mientras que en personas no entrenadas no se suele pasar de 45-50 ml/Kg./min. En casos especiales pueden llegarse a valores de 8 0ml/Kg./min o más (maratonianos de élite mundial, ciclistas…) Para las mujeres, los valores son algo inferiores en todos los casos.

T6. Adaptaciones permanentes del sistema cardiovascular que se manifiestan en reposo • • • • •

Incremento del tamaño cardíaco Disminución de la FC basal Incremento del VS en los entrenados en resistencia Aumento del volumen sanguíneo y de la hemoglobina Descenso de la presión arterial en sujetos con cifras de presión arterial en los límites de la normalidad o con hipertensión moderada

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• Ligero aumento de la diferencia arteriovenosa de O2 • adaptaciones mitocondriales, mayores concentraciones de mioglobina y/o aumento en la densidad capilar de los músculos

7. Adaptaciones del sistema cardiovascular frente al entrenamiento • Adaptaciones morfológicas – Hipertrofia cardiaca • Adaptaciones funcionales – Aumento del Q (principalmente por Vs) – Disminución de Fc a misma intensidad Diferentes tipos de hipertrofia

CORAZÓN NORMAL

Sobrecargas en intensidad

Hipertrofia en deportistas de potencia

Sobrecargas en volumen

Hipertrofia en deportistas de resistencia