ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Σχέση V̇Ο2 - V̇CO2

 

Η φυσιολογία της ανταλλαγής αερίων. Κατά τη διάρκεια της ασκήσεως, η κίνηση του σώματος βασίζεται στις συσπάσεις αρμόδιων μυϊκών ομάδων, και το μεταβολικό κόστος της ασκήσεως σχετίζεται με το εξωτερικό έργο που συντελείται, στη μονάδα χρόνου (ρυθμός έργου), που εκφράζεται σε watts. Αυξήσεις στο ρυθμό έργου μπορούν με ακρίβεια να μετρηθούν για μερικά είδη ασκήσεων, όπως οι κινήσεις των χεριών ή των ποδιών, με τη βοήθεια ενός εργοποδηλάτου. Εκτίμήσεις του ρυθμού έργου μπορεί να διενεργηθούν και με άλλες μορφές ασκήσεως, αλλά οι πολύπλοκες εργονομικές σχέσεις της βαδίσεως, π.χ., καθιστούν τις εκτιμήσεις αυτές λιγότερο ακριβείς. Παρ΄ όλο ότι δεν στερείται σημασίας, η ποσότητα του εξωτερικού έργου είναι μια ατελής αντανάκλαση της μεταβολικής και καρδιοπνευμονικής ικανότητας κάθε ανθρώπου. Εν τούτοις, η κατανάλωση οξυγόνου (V̇Ο2) και η παραγωγή διοξειδίου του άνθρακος (V̇CO2) μπορούν να μετρηθούν με ακρίβεια με μη παρεμβατικές μεθόδους.

Η μυϊκή σύσπαση που χρειάζεται για να επιτευχθεί εξωτερικό έργο, χρησιμοποιεί ενέργεια με τη μορφή του ATP είτε προσχηματισθέντος ή σχηματιζόμενου ταυτόχρονα με την ζήτησή του από μεγάλη ποικιλία μεταβολικών διαδρομών. Στις μεταβολικές αυτές διαδρομές, συνήθως οξειδώνονται υδατάνθρακες ή λίπη που ευρίσκονται ή μεταφέρονται στους ασκούμενους μύες και επομένως, απαιτούν συνεχή παροχή οξυγόνου. Οι μεταβολικές οδοί που παράγουν ATP μέσω καταναλώσεως οξυγόνου ονομάζονται αερόβιοι, αλλά το ΑΤΡ μπορεί, επίσης, να παραχθεί με μεταβολικές διαδικασίες, στις οποίες η παρουσία οξυγόνου δεν είναι απαραίτητη (αναερόβια παραγωγή ΑΤΡ), μέσω γλυκολύσεως, αλλά υπό υψηλότερο κόστος και παραγωγή γαλακτικού οξέος. Υψηλότεροι ρυθμοί ασκήσεως απαιτούν αυξημένους ρυθμούς παραγωγής ΑΤΡ, για την οποία χρειάζεται η παροχη περισσότερου υπσοτρώματος (πρώτης ύλης). Ο οργανισμός αποθηκεύει ποσότητα οξυγόνου με τη μορφή της οξυμυοσφαιρίνης ή ως πρόσθετο οξυγόνο, που μπορεί να παραληφθεί από την αιμοσφαιρίνη αλλά η ποσότητα του διαθέσιμου οξυγόνου στις αποθήκες οξυγόνου είναι πολύ μικρή. Επομένως, οι αεροβίως ασκούμενοι μύες, προσλαμβάνουν Ο2 υπό ταχείς ρυθμούς, που μπορεί α μετρηθούν με μέτρηση του εισπνεόμενου αέρα. ΠΑρόμοια, το παραγόμενο κατά τον μεταβολισμό CO2  συγκεντρλωνεται στους ιστούς και το αίμα, με το οποίο μεταφέρεται στους πνεύμονε, από όπου αποβάλλεται, καθιστάμενο, επίσης, έτσι, μετρήσιμο (βλ. εικόνα 1). Το V̇Ο2 που μετριέται στον εκπνεόμενο αέρα, είναι μια μέτρηση της ικανότητας της καρδιάς και των αγγείων να μεταφέρουν οξυγόνο στους εργαζόμενους μύες, και να αποσύρουν το αποκορεσμένο αίμα απ΄αυτούς, της ικανότητας των πνευμόνων να ανταλλάσσουν οξυγόνο στην κυψελιδιοτριχοειδική μεμβράνη κκαι της ικανότητας του αίματος να μεταφέρει και αποφορτίζει οξυγόνο (ένδειξη επαρκούς συγκεντρώσεως αιμοσφαιρίνης και φυσιολογικής καμπύλης κορεσμού αιμοσφαιρίνης. 

Το πλείστον της ενέργειας που απαιτείται για σταθεροποιημένη μυϊκή άσκηση προέρχεται από τον αερόβιο μεταβολισμό. Αλλά σε κάθε άτομο υπάρχει ένα όριο ρυθμού έργου ή μεταβολισμού, για κάθε ομάδα εργαζομένων μυών, πε΄ρα από το οποίο, ο αερόβιος μεταβολισμός από μόνος του δεν επαρκεί για να τροφοδοτήσει ικανές ποσότηες ΑΤΡ που χρειάζονται για να επιτελεστεί η παραγωγή του έργου. Τα επίπεδα αυτά εξαρτώνται από την παροχή οξυγόνου. Η συνέχιση της ασκήσεως στο επίπεδο αυτό ή πάνω απ΄αυτό, θα εξαρτηθεί από την παραγωγή ΑΤΡ μέσω αναερόβιας γλυκολύσεως. Η αναερόβια γλυκόλυση παράγει πολύ λιγότερα μόρια ΑΤΡ, παρ΄ό,τι ο αερόβιος μεταβολισμός, για το ίδιο ποσό διαθέσιμης γλυκόζης, ενώ ταυτόχρονα παράγεται γλακτικό οξύ, ως παραπροϊόν. Το γαλακτικό οξύ διασπάται προς παραγωγή H2, στο pH του σώματος, και τα [Η] αντιδρούν με τα HCO3̄ προς παραγωγή CO2. Ως αποτέλεσμα, η είσοδος του γαλακτικού οξέος, μπορεί να ανιχνευθεί από τις μετρήσεις της ανταλλαγής αερίων ως αύξηση V̇CO2 πάνω από το αναμενόμενο να παραχθεί, εάν η άσκηση εκτελείται σε συνθήκες αερόβιου μεταβολισμού.    

Το προφίλ της V̇CO2 ως συνάρτηση της V̇Ο2 (κλίση αερισμού) στην οποία η απόκριση της V̇CO2 αρχικά καθυστερεί πίσω από την κατανάλωση Ο2 πρώιμα κατα τη διάρκεια της μεταβατικής φάσεως, καθώς ποσοστό από το μεταβολικά παραγόμενο CO2 εκτρέπεται στις αποθήκες του σώματος. Και μετά αυξάνεται, συχνά,  ως γραμμική συνάρτηση της V̇Ο2  (εικόνα 6 ). Η κλίση της σχέσεως ΔV̇ Ο2 /ΔV̇CO2 στην περιοχή αυτή έχει ονομαστεί S1 με τιμή που, τυπικά προσεγγίζει την μονάδα, επί ατόμων υπό τυπική δυτική δίαιτα.

Εικόνα 1. Σύστημα καρδιοπνευμονικής κοπώσεως. Ο εξεταζόμενος ποδηλατεί επί εργοποδηλάτου, στο οποίο μπορεί να προσδιοριστεί το παργόμενο έργο (σε watts). Εκπνέει μέσω μορφομετατροπέων που συνδέονται με υπολογιστή με κατάλληλο λογισμικό. Το εκνεόμενο O2 και CO2 μετρώνται από αναλυτές ταχείας αποκρίσεως. Ο υπολογιστής συσχετίζει τα δεδομένα και υπολογίζει τις μεταβλητές από την αταλλαγή αερίων που ενδιαφέρουν την δοκιμασία. Με κατάλληλο λογισμικό παράγονται γραφήματα και πίνακες με δεδομένα πυ ενδιαφέρουν την ερμηνεία των αποτελεσμάτων.

Όταν το αεροβίως παραγόμενο CO2 αντικαθίσταται από πρόσθετα παραγόμενο CO2 από τη ρύθμιση του  HCO3̄ η κλίση αυξάνεται, (εικόνα 6) και ονομάζεται S2 σε αυτή την υψηλότερη τιμή WR. Καθώς το ποσόν του CO2 που απελευθερώνεται από τη ρύθμιση των πρωτονίων (δες εξίσωση ....) είναι συνάρτηση όχι του μεγέθους της μειώσεως των HCO3̄, αλλά του  ρυθμού μειώσεως, τότε η S2 εξαρτάται ισχυρά από την WR. Επί χαμηλών βαθμιδωτών αυξήσεων πρόσθετο CO2 από τον αντιρροπιστικό υπεραερισμό συμπληρώνει την V̇CO2 στο διάστημα μεταβολής της S2·  Η εμφάνιση μιας ισοκαπνικής περιοχής στη ρυθμιστική δράση, με περισσότερη ταχεία αύξηση της WR καθιστά περιττή την παραδοχή του υπεραερισμού ως αίτιο της αυξήσεως της κλίσεως.

Έχοντας, αποκλίσει τόσο τον αερόβιο μεταβολισμό, όσο και τον υπεραερισμό, ως αιτία της αυξήσεως της S2 παραμένει μόνο η μείωση του  HCO3̄  που αντανακλά τη θL. Υπό υψηλότερη V̇CO2 η ένταξη αυξήσεως της V̇E/V̇CO2 και μειώσεως της PET CO2 μαρτυρά την έλευση του αντιρροπιστικού υπεραερισμού. Το σημείο ορίζεται ως ”σημείο αναπνευστικής αντιρροπήσεως, respiratory compensation point (RCP)”.