İÜ Cerrahpaşa Tıp Fakültesi EGZERSİZ FİZYOLOJİSİ Prof. Dr. Müzeyyen Erk İÜ Cerrahpaşa Tıp Fakültesi Göğüs Hastalıkları AD

Plan Tanım Egzersizin komponentleri Egzersizi engelleyen koşullar Kaslar Solunum sistemi Kardiyovasküler sistem Egzersizi engelleyen koşullar Egzersizin değerlendirilmesi

Egzersiz Fizyolojisi Egzersiz olgusu, kardiyo vasküler sistem, solunum sistemi ve kas-iskelet sisteminin birlikte gerçekleştirdiği bir eylemdir İnsan organizması egzersiz yapmaya uygun bir biçime sahiptir Günlük aktivite yeteneği Fizyolojik kapasite

Oksijen transferi VO2= DO2 (PcO2-PmitO2) VO2= QT (CaO2-CvO2) fiekil 1: Atmosfer ve mitokondriler aras› O2 transferi. Eflitlikler, akci¤erler, kardiyovasküler sistem ve kaslarda O2 uptake'ini göstermektedir. O2: O2 kullan›m›, E: dakika ventilasyonu, FiO2: inspiryumda O2 fraksiyonu, FEO2: ekspiryumda O2 fraksiyonu, QT: kardiyak output, CaO2, C O2: arteriyel ve miks venöz kan›n O2 kontentleri, DO2: O2 diffüzyon kapasitesi, PcO2: ortalama kapiller parsiyel O2 bas›nc›, Pmit O2: mitokondride ortalama parsiyel O2 bas›nc› (Kaynak 18’den alınmıştır) Rampulla C, Baiocchi S, Dacosto E, Ambrosino N. Dyspnea on exercise. Pathophysiologic mechanisms. Chest 1992;5:248S-252S VO2= DO2 (PcO2-PmitO2) VO2= QT (CaO2-CvO2) VO2= VE (Fı O2-FEO2)

Oksijen tüketimini (VO2) belirleyen koşullar Solunum sistemi O2 diffüzyonu Vantilasyon V/Q oranı D A-V O2 Kardiyovasküler sistem Santral dolaşım Kardiyak output Arteryel kan akımı Hemoglobin konsantrasyonu Periferik dolaşım Egzersize katılmayan bölgelere akım Kas kan akımı Kas kapiller yoğunluğu O2 diffüzyonu Oksijen değişimi Kas-iskelet sistemi Enzimler ve oksidatif potansiyel Enerji depolanma ve salınması Miyoglobülin Mitokondri boyut ve sayısı

Plan Tanım Egzersizin komponentleri Egzersizi engelleyen koşullar Kaslar Solunum sistemi Kardiyovasküler sistem Egzersizi engelleyen koşullar Egzersizin değerlendirilmesi

Kas dokusunun histolojisi Kas dokusu liflerden (kas hücreleri) yapılıdır. Bu hücrelerin çapları100 mirometreye kadar olabilir. Boyları da kasın uzunluğu kadar olabilir.Her biri sarkoplazma (sitoplazma) ve mültipl periferik nukleus içerir. İskelet kasları yüzlerce embriyonik hücrenin füzyonu ile biçimlenirler. Diğer hücre yapıları şunlardır: Her bir lif sarkolemma (Plazma membranı) ile kaplıdır. Sarkoplazmik retikulum (smooth endoplazmik retikulum) da kalsiyum depolanır. Kas kontraksiyonu esnasında sarkoplazma içerisine salınır. Transfer tubuller (T Tubulleri), hücreyi penetre eden sarkolemma genişlemeleri olup, elektriksel impulsları sarkolemmedan içe doğru iletirler. Böylece elektriksel impulslar hücre derinliğine doğru yayılır. Elektrik iletinin yanı sıra, T tubulleri glükoz ve oksijenden zengin bir ekstraselüler sıcı içerirler. Liflerin sarkoplazması glikojen granülleri (glukoz polimeri) ve miyoglobülin (oksijen depolayan protein) den zengindir. Her bir lif, yüzlerce veya binlerce çubuk gibi miyofibril ihtive eder. Bunlar ince ve kalın protein zincirlerinden meydana gelen miyoflament denilen bantlardır. Bir miyofibrilin kesitsel görünüşünde: her bir kalın flament, heksogonal dizilmiş 6 ince flament tarafından sarılmıştır. Her bir ince flament ise üçken tarzında dizilmiş kalın flamentlerle kuşatılmıştır. İnce miyoflamentler üç proteinden yapılmıştır: Actin, tropomiyosin ve troponin İnce miyoflamentler yaklaşık 200 myosin molekülünden yapılı bantlar şeklindedir. Myosin molekülü çift kafalı golf sopası gibi görünür. Bu kafalara “myosin kafaları” denir. Aynı zanamda çapraz köprüler de denir. Çünkü kontraksiyon sırasında ince ve kalın flamentleri bağlarlar. Aktin ve ATP bağlanma yerleri ihtiva ederler. Myosin kafaları ince flamentlerden dışarı taşar, bu sayede kontraksiyon sırasında ince flamentlere tutunma imkanı verir.

Normal İskelet Kası Lifi

Motor ünite Motor sinir Kas hücresi membranı Reseptör Asetilkolin The presence of Ca++ allows for the interaction of two major proteins in the muscle, actin and myosin. In the resting state, these proteins (which have a natural affinity for each other) are prevented from coming into contact. Two other proteins, troponin and tropomyosin, form a complex weave between the actin and myosin, and prevent contact. When Ca++ enters the picture, the shape of the troponin-tropomyosin complex changes, and now actin and myosin can come into contact with each other.

Ca yoksa, troponin-tropomiyozin birleşme yerlerini bloke eder Aksiton potansiyeli kas hücresi membranına ulaşınca, sarkoplazmik retikulumdan Ca salınır Ca yoksa, troponin-tropomiyozin birleşme yerlerini bloke eder Ca++ un mevcudiyeti, kastaki iki ana protein aktin ve miyozinin etkileşmesine imkan verir. İstirahat durumunda, birbirine afinitesi olan bu iki proteinin teması önlenmiştir Diğer iki protein,Troponin ve tropomiyozin, aktin ve miyozin arasında kompleks bir doku oluşturur ve bunların temasını önler Ca++ devreye girdiğinde, troponin-tropomiyozin kompleksinin şekli değişir, ve bu sayede aktin ve miyozin birbirine temas eder The presence of Ca++ allows for the interaction of two major proteins in the muscle, actin and myosin. In the resting state, these proteins (which have a natural affinity for each other) are prevented from coming into contact. Two other proteins, troponin and tropomyosin, form a complex weave between the actin and myosin, and prevent contact. When Ca++ enters the picture, the shape of the troponin-tropomyosin complex changes, and now actin and myosin can come into contact with each other.

Kas Liflerinin Özellikleri Lif Tipi Özellik Metabolizma Miyoglobin /Mitokondri İşlev I Yavaş Yorgunluğa dirençli Oksidatif Zengin Kırmızı İstirahat Sakin solunum IIa Hızlı Oksidatif/ Glikolitik Karışık Yürüme Hipervantilasyon IIb Yorulabilen Glikolitik Fakir Beyaz Koşma Öksürme

Kas Liflerinin Özellikleri (Vastus Lateralis) Richardson RS et al. AJRCCM 2004; 169: 89-96

Enerji kaynakları Vücut ATP’yi depolayamaz, Bu nedenle egzersiz sırasında düzenli ve sürekli olarak ATP yapılması gerekir Vücudun gıdaları enerjiye çevirdiği iki önemli yol vardır: Aerobik metabolizma (oksijen ile) Anaerobik metabolizma (oksijensiz) Bu iki ana yol da bolümlere ayrılabilir Egzersiz sırasında enerji ihtiyacı bu sistemlerin kombinasyonu ile sağlanır Hangi yolun ne zaman kullanılacağı egzersizin şiddetine ve süresine bağlı olarak belirlenir

What is the Lactate Threshold What is the Lactate Threshold? The lactate threshold is a point during exhaustive, all-out exercise at which lactic acid builds up in the blood stream faster than the body can remove it. Lactic acid is a by-product of the anaerobic energy pathway, a process which provides energy to muscles by partially breaking down glucose without the need for oxygen. (Also see: Energy Pathways for Exercise) Anaerobic metabolism produces energy for short, high-intensity bursts of activity (lasting no more than a few minutes) before the lactic acid build-up reaches a threshold where it can no longer be absorbed and, therefore, accumulates. This point is known as the lactate threshold and is usually reached between 50 to 80% of an athlete's VO2 max. ATP-CP Anaerobic Energy Pathway The ATP-CP energy pathway (sometimes called the phosphate system) supplies about 10 seconds worth of energy and is used for short bursts of exercise such as a 100 meter sprint. This pathway doesn't require any oxygen to create ATP. It first uses up any ATP stored in the muscle (about 2-3 seconds worth) and then it uses creatine phosphate (CP) to resynthesize ATP until the CP runs out (another 6-8 seconds). After the ATP and CP are used the body will move on to either aerobic or anaerobic metabolism (glycolysis) to continue to create ATP to fuel exercise.

Aerobik glikoliz Solunan havadaki oksijen kan dolaşımıyla kaslara gelir Burada öncelikle glikojen ve yağ asitleri ile birleşir Aerobik glikoliz yoluyla ATP meydana gelir Yan ürün olarak da CO2 üretilir Solunumla alınan havadaki oksijenin kaslara sunulmasından enerji üretimi amacıyla mitokondride kullanılmasına kadar geçen süreç, akciğerler, pulmoner dolaşım, kalp, periferik dolaşım, kas ve mitokondrinin birlikte ve kusursuz çalışması sonucunda gerçekleşir. Alınan havadaki oksijenkan dolaşımıyla kaslara sunulduğunda burada substratla (öncelikle glikojen ve yağ asitleri) birleşir ve aerobik glikoliz yoluyla ATP üretimi gerçekleşir. Yan ürün olarak da karbondioksit (CO2) üretimi olur. Enerji ihtiyacı egzersize başlandığında istirahate göre daha da artar, bu ihtiyacı karşılamak için aerobik yoldan ATP üretimini artırmak amacıyla daha fazla NADH + H+ üretilir ve fazla NADH + H+ sitozolde birikir. Aerobik yol, artan NADH + H+’yi kullanmakta yetersiz kaldığında anaerobik yoldan NADH + H+’nin pirüvat ile reaksiyona girmesi sonucunda La- + NAD+ oluşur. Böylece anaerobik yoldan da substratın (fosfokreatinin) kullanımı sonucunda ATP ve H+La açığa çıkar. H+La- ile K+HCO3 -’ün reaksiyona girmesi sonucunda H2O + CO2 + K+La- ve bunlardan da La- ve CO2 ortaya çıkar. Görüldüğü gibi hem aerobik hem de anaerobik yolun sonucunda enerji ve CO2 ortaya çıkar (1,2).

Laktat eşiği Laktat eşik değerleri (LT) Sporcu olmayan sağlıklı birey: %60 VO2 max Atlet: %65-80 VO2max Elit endurans atleti: %85-95 VO2 max

Egzersizde enerji sağlayan sistemler

Plan Tanım Egzersizin komponentleri Egzersizi engelleyen koşullar Kaslar Solunum sistemi Kardiyovasküler sistem Egzersizi engelleyen koşullar Egzersizin değerlendirilmesi

VO2 – iş yükü ilişkisi VO2 L/dak İş yükü

VA-CO2 ilişkisi Hafif ve orta düzeydeki egzersizlerde alveoler vantilasyon ve CO2 atılımı lineer bir şekilde artar Bu ilişki aşağıdaki denklem ile anlatılabilir Egzersizde solunum sistemi Sağlıklı koşullarda, istirahatteki PaCO2 değeri, egzersizde çok az değişir (1-2 mmHg). Hafif ve orta düzeydeki egzersizlerde alveoler vantilasyon ve CO2 atılımı lineer bir şekilde artar. Bu ilişki aşağıdaki denklem ile anlatılabilir: PaC02 = Vc02x0.863 VA Sağlıklı bireylerde PaC02 nin egzersiz sırasında değişiklik gösterebileceği aralık 35 mmHg -45 mmHg cıvasındadır. Egzersiz sırasında solunumun kontrolünde bir çok mekanizma rol alır. Bunlar: Nörojenik faktörler, arteryel kandaki O2, CO2 ve pH değişiklikleridir. Maksimum VO2 değerinin yaklaşık %75’i seviyesine gelindiğinde, PaCO2 değeri progresif bir düşüşe geçer. Yani alveoler vantilasyon CO2 atılımına orantısız olarak artar. Bu durumun ortaya çıktığı an, kan laktat seviyesinin arttığı andır. Yüksek iş yükünün olduğu egzersiz seviyesinde alveoler hipervantilasyonu stimule eden primer olarak metabolik (laktik) asidozdur. Ancak kardiyo-pulmoner hastalıklarda, egzersize vantilasyon yanıtı başka faktörler tarafından da etkilenir. Diffüz parankimal hastalıklarda (pulmoner fibrozis) istirahatte de PaCO2 düşük bulunur (hipokarbi). Hastalığın ileri evresinde bu değişebilir (hiperkarbi). Bu hastalarda, egzersizdeki hipervantilasyon da hipokarbinin yanı sıra laktik asidoz önemli rol oynar. Ağır hava yolu obstrüksiyonu olan hastalarda, egzersiz sırasında PaCO2 değeri yaklaşık 20 mmHg artış gösterir. Bu genellikle solunum işinin artmasıyla ve bu hastaların çoğunda santral kemosensitif alanların daha duyarsız hale gelmiş olmasıyla açıklanabilir. 6. Ventilatory system Ventilation () during exercise responds in close proportion to pulmonary COEV&2 output (), effecting regulation of arterial PCO2COV&2 (PaCO2) and pH. Thus, has been widely demonstrated to change as linear function of over a wide range of WRs: EV&2COV& EV& = m + c 2COV& where m is the slope of the - relationship and c is a small positive -intercept. EV&2COV&EV& For alveolar ventilation (), the relationship is: AV& AV& = 863 x /PaCO2COV&2 Consequently, to regulate PaCO2, must change as an appropriate linear function of . However, with respect to total ventilation (i.e. ) the relationship is complicated by the ventilation of the physiological dead space (VAV&2COV&EV&D) or by the dead-space fraction of the breath (VD/VT), such that: EV& = 863 x /PaCO2COV&2(1 - VD/VT) PaC02 = (VC02 x 863) / VA VA = (863 x VCO2) / PaCO2

VE = (863 x VCO2) / PaCO2 (1-VD/VT) VA - CO2 ilişkisi VA = (863 x VCO2) / PaCO2 VE = (863 x VCO2) / PaCO2 (1-VD/VT) Kardiyopulmoner hastalarda egzersiz yanıtını belirleyen faktörler: VCO2 : Metabolik komponent PaCO2 : solunum kontrol faktörü VD / VT oranı : Vantilasyonun etkinliğini belirleyen faktör Considerations of what constitutes an “appropriate” ventilatory response to exercise in the patient with heart or lung disease thus have to take account of three determining variables: (a) pulmonary CO2 output (VCO’) – the "metabolic" component, (b) arterial CO2 partial pressure (PaCO2) – the control "set-point", and (c) the dead space fraction of the breath (VD/VT) – reflecting the "efficiency" or, more properly, the “inefficiency” of pulmonary gas exchange, such that: = k/[PaCOEV&2COV&2 (1- VD/VT)]

CH3.CHOH.COO-.H+ + NaHCO3 Lakdik asit + Sodyum bikarbonat Sodyum laktat + Karbonik asit Maksimum VO2 değerinin yaklaşık %75’i seviyesine gelindiğinde, PaCO2 değeri progresif bir düşüşe geçer. Yani alveoler vantilasyon CO2 atılımına orantısız olarak artar. Bu durumun ortaya çıktığı an, kan laktat seviyesinin arttığı andır. Yüksek iş yükünün olduğu egzersiz seviyesinde alveoler hipervantilasyonu stimule eden primer olarak metabolik (laktik) asidozdur. Ancak kardiyo-pulmoner hastalıklarda, egzersize vantilasyon yanıtı başka faktörler tarafından da etkilenir. H2CO3 CO2 + H2O VCO2 artışı

Egzersiz şiddetine göre VO2 artışı (sabit yükle egzersiz) Çok ağır Ağır Orta Zaman

Maltais F et al. AJRCCM 1996; 153: 288-93

Plan Tanım Egzersizin komponentleri Egzersizi engelleyen koşullar Kaslar Solunum sistemi Kardiyovasküler sistem Egzersizi engelleyen koşullar Egzersizin değerlendirilmesi

Egzersizde kardiyovasküler yanıt Cinsiyet ve antrenman miktarından etkilenmez CaO2 değişmez CvO2 hiperbolik azalır Ca-CvO2 hiperbolik artar 5-6L/d CO 1L/d VO2 0 1 2 3 4 5 20 40 VO2 L/Dak CO L/dak 50 100 150 A-V O2 içerik farkı

Egzersizde kardiyovasküler yanıt Egzersizde CO&VO2 lineer artışının nedenleri Sino-atriyal nod’da erken fazda parasempatik uyarı, daha sonra sempatik aktivite KVH artışı SV (Stroke volume) artışı (periferden gelen kan miktarının artması, antrenmanlı bireylerde daha yüksek)

İş yükü artışının kardiyovasküler etkileri CO artışı: Kanın kaslara reditribüsyonu Kas dolaşımında lokal vazodilatasyon Mekanizma? Lokal K, H, PO2, osmolarire, ısı, katekolamin, NO artışı Vasküler sistemde “driving” basınç artışı Sistemik kan basıncı artışı Sempatik inervasyon Lokal vasküler direnç artışı

OKSİJEN NABZI (Henderson and Prince - 1914) Kalbin sistoldeki bir vurumuyla çıkan kan miktarına isabet eden oksijen tüketimi miktarına oksijen nabzı denir Bir dakikada absorbe edilen oksijenin o sıradaki nabız sayısına bölünmesiyle elde edilir

Oksijen nabzı VO2 = Q (CaO2 – CvO2) VO2 = HR x SV (CaO2 – CvO2) VO2 / HR = SV (CaO2 – CvO2) O2 - P = SV (CaO2 – CvO2)

Oksijen nabzı-iş yükü ilişkisi O2 - P WR Antrenmansız Antrenmanlı

Plan Tanım Egzersizin komponentleri Egzersizi engelleyen koşullar Kaslar Solunum sistemi Kardiyovasküler sistem Egzersizi engelleyen koşullar Egzersizin değerlendirilmesi

Diger Motivasyon eksikligi Çevresel faktörler Algısal faktörler Periferik Obesite Miyopati Kondüsyonsuzluk Kardiyovasküler KAH KKY Anemi Periferik damar hast. Otonomik disfonk. Pulmoner Obstrüktif Restriktif İnfiltratif Gögüs duvarı PAH PE

Kas disfonksiyonu (Kas gücü ve dayanıklılığının azalması) Kası kullanmama Kas aktivitesinin azalması veya kesilmesi Miyopati Kasın hastalığı Sedanter yaşam Edinsel hastalık Kalıtsal hastalık Nöropati Kasın kullanılmaması ve miyopati periferik kas disfonksiyonuna neden olan iki ayrı antitedir. Couillard A. ERJ 2005; 26: 703-719

Killian ve ark. ARDD 1992; 146 (4): 935-40 97 KOAH 320 Kontrol Bisiklet ergometresi Egzersizi sonlandıran faktör: KOAH Kontrol Dispne % 26 % 22 Bacak yorgunluğu % 43 % 36 Dispne ve bacak yor. % 31 % 42

KOAH’da Kas Liflerinin Özellikleri (Vastus Lateralis) FEV1 %32 PaO2 87 Richardson RS et al. AJRCCM 2004; 169: 89-96

Plan Tanım Egzersizin komponentleri Egzersizi engelleyen koşullar Kaslar Solunum sistemi Kardiyovasküler sistem Egzersizi engelleyen koşullar Egzersizin değerlendirilmesi

Performans egzersiz Testi Klinik Egzersiz Testi Kondizyon değerlendirme Egzersiz Reçetesi Seyir İzleme Tanısal egz. Testi Risk değerlen dirme

Güç, iş ve kuvvet kavramları Dinamik egzersiz (aerobik egzersiz, yada endurans egzersizleri) geniş kas grupları tarafından gerçekleştirir Kas gruplarının bir zaman biriminde yaptığı işin ifadesi güç (power) dür Yapılan işin ünitesi jül (joule) Güç ünitesi jül/saniye veya watt (W) dır Bir çok fizyolog iş ünitesi olarak kilopond-metre’yi kullanır Bu koşulda güç (power) ünitesi kilopond-metre/dakika (kpm/dak) olarak ifade edilir 600 kpm/dak yaklaşık olarak 100 W’a karşılık gelmektedir.

ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing Am J Respir Crit Care Med Vol 167. pp 211–277, 2003

ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing Am J Respir Crit Care Med Vol 167. pp 211–277, 2003

ATS/ACCP Statement on Cardiopulmonary Exercise Testing Am J Respir Crit Care Med Vol 167. pp 211–277, 2003