Arbetsfysiologi: arbetsprovets fysiologi

Kardiopulmonella reaktioner och adaptationer vid fysisk ansträngning

Musklernas metabola aktivitet påverkar både perfusion (genomblödning) och syreextraktion (mängden oxygen som extraheras ur artärblod). I vila flödar ungefär 20% av hjärtats minutvolym till musklerna men denna andel stiger till 80% vid kraftig fysisk ansträngning. Denna stegring beror på att arbetande muskler har höga krav på leverans av oxygen (O2) och eliminering av koldioxid (CO2). Vid fysisk ansträngning måste musklernas, hjärtats och lungornas aktivitet synkroniseras så att den metabola aktiviteten i musklerna understöds av det kardiopulmonella systemet. För att musklerna skall erhålla tillräckligt med oxygen (O2) och elminera tillräckligt med koldioxid (CO2) så måste följande komponenter fungera tillfredsställande:

  • Ventilationen i lungorna måste vara effektiv
  • Blodflödet i lungorna måste matcha ventilationen
  • Hemoglobinkoncentrationen i blod måste vara tillräckligt hög.
  • Hjärtats pumpfunktion måste vara adekvat.
  • Perifer perfusion (särskilt i muskler) måste matchas mot behoven i vävnaden.
  • Ventilationen måste reagera på ändringar i blodets pH, O2-innehåll och CO2-innehåll.

Dessa komponenter måste samverka för att synkronisera metabolism och kardiopulmonellt arbete. Om någondera av ovanstående fungerar inadekvat så uppstår begränsningar i hela systemet.

Cellernas energikälla: ATP

Adenosintrifosfat (ATP) är den molekyl som utgör energikällan i alla kroppens celler. ATP innehåller energirika fosfatbindningar (Figur 1). När dessa bindningar bryts så frigörs den energin, som då kan användas för att driva kemiska reaktioner. I musklerna förbrukas ATP när muskelfibrerna kontraherar och relaxerar. När fosfatbindningen i ATP brutits så kvarstår adenosindifosfat (ADP). För att muskelcellen skall kunna fortsätta kontrahera så måste den omvandla ADP till ATP igen. Denna omvandling sker genom en kemisk process som kallas fosforylering, vilket innebär att en fosfatgrupp kopplas till ADP som då blir ATP. Fosforylering sker i cellens mitokondrier och kräver energi. Denna energin kommer faktiskt från de energirika bindningar som finns i glukos, fett och proteiner (aminosyror).

Figur 1. ATP (adenosintrifosfat) innehåller energirika fosfatbindningar och dessa används för att driva alla kemiska reaktioner i kroppens celler.

Muskelcellernas ATP-förråd räcker cirka 10 sekunder vid maximal fysisk ansträngning. Vid submaximal fysisk ansträngning, vilket är målet under arbetsprovet, räcker ATP drygt 30 sekunder. Det är således uppenbart att cellen måste producera ATP fortlöpande. Produktion av ATP (dvs fosforyleringen av ADP) sker alltså i mitokondrierna och som substrat i processen används glukos, fett och aminosyror. Fosforyleringen är effektiv i närvaro av oxygen och denna typ av fosforylering kallas oxidativ fosforylering. Benämningen aerob metabolism är synonym med oxidativ fosforylering. Om fosforylering sker i frånvaro av oxygen så sker anaerob metabolism, och denna typ av fosforylering är ineffektiv.

Aerob metabolism innebär att ATP tillverkas med tillgång till oxygen, vilket genererar mycket mer ATP än anaerob metabolism (frånvaro av oxygen).

Aerob metabolism

Aerob metabolism innebär att kolhydrater (glukos), fett och protein (aminosyror) används för att tillverka ATP under närvaro av syre. Glukos bryts ner till pyrodruvsyra som används i mitokondrien för att tillverka ATP med hjälp av O2. Som framgår av Figur 2 så resulterar 1 glukos i förbrukning av 6 O2 och produktion av 6 CO2, 6 H2O och 36 ATP. Denna process kallas oxidativ fosforylering eftersom ATP tillverkas i närvaro av oxygen (O2). Som också framgår av Figur 2 så kan även fett användas för oxidativ fosforylering men då krävs mer oxygen (O2). Kolhydratmetabolism använder således O2 mer effektivt. Fettförbränning genererar däremot mindre CO2 per mol ATP, vilket innebär att fettförbränning kräver mindre ventilatoriskt arbete (CO2 måste ventileras ut) för att producera en viss mängd ATP.

Figur 2. Aerob metabolism ger effektiv tillverkning av ATP. Både kolhydrater (glukos) och fett (palmitinsyra) kan användas till oxidativ fosforylering (aerob metabolism).

Anaerob metabolism och laktatproduktion (mjölksyra)

Anaerob metabolism innebär att oxygen (O2) inte närvarar vid fosforyleringen. Exempelvis är nedbrytning av kreatinfosfat en anaerob process. Kreatinfosfat innehåller också en energirik fosfatbindning och denna kan användas för att fosforylera ADP till ATP.  Vid kraftig fysisk ansträngning kan kreatinfosfat täcka ATP-behovet i cirka 10 sekunder.

Om mängden O2 som flödar till muskeln inte är tillräcklig för aerob metabolism så kommer glukos förbrännas anaerobt. I denna process omvandlas glukos först till pyrodruvsyra som sedan omvandlas till laktat (mjölksyra) och ATP (Figur 3). Laktat sänker pH lokalt och systemiskt. Förekomst av laktat i blodet indikerar anaerob metabolism och därmed otillräcklig O2-everans till arbetande vävnader.

Figur 3 visar hur en glukosmolekyl producerar 2 ATP vid anaerob metabolism. Dessutom produceras 2 laktat vilket sänker kroppens pH. I blod finns bikarbonat (HCO3) som kan buffra laktat, vilket dock leder till bildning av mer koldioxid (CO2) och detta driver på ventilationen ytterligare.

Figur 3. Anerob metabolism ger ineffektiv tillverkning av ATP. Endast kolhydrater (glukos) kan nyttjas till anaerob metabolism. Biprodukterna inkluderar laktat (mjölksyra) och koldioxid.

Anaerob tröskel

Musklernas behov av ATP, och därmed oxygen, stiger allteftersom arbetets intensitet ökar. Vid kraftigt muskelarbete nås förr eller senare en tröskel där aerob metabolism är otillräcklig för att tillfredsställa behovet av ATP. När denna tröskeln är nådd kommer anaerob metabolism också starta, vilket innebär att en del glukos och fett kommer förbrännas utan att oxygen ingår i reaktionen. Detta kommer generera ytterligare ATP, om än ineffektivt. Tidpunkten då den anaeroba metabolismen startar för att komplettera den aeroba, kallas anaerob tröskel. Detta brukar inträffa när man uppnått 50–65% av sin maximala syreupptagningsförmåga (VO2 max). Således startar anaerob metabolism ungefär när man passerat halva sin maximala syreupptagningsförmåga.

Den anaeroba metabolismen blir viktigare ju mer intensivt och långdraget arbetet är. Eftersom fett inte kan förbrännas anaerobt så minskar fettförbränningen vid högintensivt arbete. Glukos kan däremot förbrännas både aerobt och anaerobt och därför ökar glukosförbränningen med arbetets intensitet. Vid maximal arbetsintensitet dominerar därför glukos som energikälla.

Däremot är kroppens kolhydratförråd betydligt mindre (500 gram) än fettförrådet (10,000–15,000 gram) och kolhydrater behövs alltid i någon utsträckning vid förbränning. Faktum är att kolhydratförrådet kan ta slut under arbete, t ex långdistanslöpning, och detta upplevs som att ”man går in i väggen”, vilket är ett uttryck för att kolhydraterna är slut.

Respiratorisk Kvot (Respiratory Quotient, RQ) och Respiratorisk Utbyte (Respiratory Exchange Ratio, RER)

Figur 4. Syreupptag, syreförbrukning, koldioxidproduktion och koldioxidelimination i muskler och i lungorna. RQ = respiratory quotient. RER = Respiratory exchange ratio.

Respiratorisk kvot (RQ, respiratory quotient) är kvoten mellan producerad koldioxid (CO2) och förbrukat oxygen (O2) i musklerna. Som framgår av Figur 4 så förbrykas lika mycket oxygen som det tillvekas koldioxid vid aerob metabolism av glukos. RQ för glukos blir därför 1.0.  RQ för fett är lägre eftersom det tillverkas mindre koldioxid (CO2) per förbrukad oxygen (O2), vilket framgår av Figur 2. Fettförbränning genererar alltså mindre CO2 per tillverkad ATP, jämfört med glukos.

I vila använder kroppen ungefär lika mycket kolhydrater och fett för att tillverka ATP, vilket leder till RQ på 0.85. Allteftersom arbetsintensitet ökar så stiger den relativa användningen av kolhydrater och då ökar RQ. Vid maximalt kortvarigt arbete är RQ 1.0, vilket innebär att i princip bara glukos används.

Respiratoriskt utbyte (RER, respiratory exchange ratio) mäts i utandningsluften och beräknas som kvoten mellan CO2-elimination och O2-upptag.

Under steady state (när metabolismen är stabiliserad vid en konstant arbetsintensitet) så produceras lika mycket CO2 i vävnaden som lungorna ventilerar ut och likaså förbrukas lika mycket O2 i vävnaden som lungorna tar upp. Under steady state blir därför RER ekvivalent med RQ. Vid kortvarig mycket intensivt arbete så är R inte ekvivalent med RQ, eftersom O2 konsumtion och CO2 produktion överstiger temporärt lungornas O2 upptag och CO2 eliminering. Som RQ, så ökar R när arbetets intensitet ökar; när anaerob metabolism börjar så stiger R ännu mer (pga ökad CO2 produktion i anaerob metabolism).

Ergospirometri

Med ergospirometri kan flera av ovanstående parametrar bedömas (Figur 5). Vid ergospirometri kan alla andetagen analyseras och därmed kan syreupptag, koldioxidelimination samt flödes- och ventilationsvolymer kvantifieras. Ergospirometri kan göras på ergometercykel eller löpmatta. EKG och syrgasmättnad (pulsoximetri) registreras samtidigt. Detta möjliggör en avancerad och integrerad bedömning av det kardiopulmonella systemet och dess begränsningar. Utrustningen inbegriper datorn, dess sensorer och flödesmätare samt en tätslutande mask. En av de viktigaste parametrarna som erhålls vid ergospirometri är absolut syreupptag (VO2) som är en bättre markör för belastning än uppnådd belastning (Watt). Erinra att maximalt syreupptag (VO2 max) är en av de starkaste prediktorerna för död och kardiovaskulär sjukdom. Ergospirometri har ytterligare en fördel, vilket är möjligheten att få objektiva tecken på att patienten belastat sig.

Figur 5. Arbetsprov med gasutbytes- och ventilationsanalys. Källa: Cosmed.

Syreupptag, koldioxidelimination & ventilationsvolymer

Vid fysisk ansträngning ökar syreupptaget (VO2) linjärt under arbetet. Faktum är att lutningen på VO2-kurvan är närmast identisk för alla friska individer; varken träning, ålder eller kön har någon nämnvärd inverkan på VO2-kurvans lutning. Detta innebär också att syreupptaget kan skattas utifrån den aktuella belastningen.

När arbetsintensiteten ökar så måste hjärtats minutvolym (cardiac output, CO) omedelbart öka för att tillgodose vävnadens behov. Mer oxygen (O2) måste levereras samtidigt som mer koldioxid (CO2) elimineras från arbetande muskler (Figur 6). Hjärtminutvolymen är produkten av slagvolymen (SV) och hjärtfrekvensen (HR):

CO = SV • HR
CO = cardiac output, SV= slagvolym, HR= hjärtfrekvens.

Slagvolymen når sitt maximum vid ungefär 45% av VO2 max och därefter kan slagvolymen inte öka mer. För att hjärtat skall fortsätta öka minutvolymen (CO) efter 45% av VO2 max så måste hjärtfrekvensen öka. Hjärtfrekvensen ökar linjärt med oxygenbehovet till dess att ett åldersrelaterat maximum har uppnåtts. Maximal hjärtfrekvens (HRmax) är nämligen starkt beroende av åldern. Med ökad ålder blir nämligen hjärtats beta-adrenoreceptorer mindre känsliga för katekolaminer. HRmax kan skattas med nedanstående formel. Observera att HRmax inte påverkas nämnvärt av träningsgrad. Det innebär att en otränad person och en vältränad idrottare med samma ålder har samma HRmax. Trots detta kommer idrottaren uppvisa bättre arbetsförmåga, vilket beror på att idrottaren har större slagvolymer. Tack vare detta kommer den vältränade ha lägre puls vid varje belastning, jämfört med den otränade. Det innebär också att en otränad individ når sitt HRmax snabbare, jämfört med en jämnårig vältränad individ. Vid varje belastning är HR på en vältränad lägre än på en icke tränad. Ju mer vältränad man är, desto större slagvolymer, större cardiac output och därmed bättre syreleverans och koldioxidelimination.

HRmax = 220 – ålder
Ålder anges i år.

Figur 6. Efter Beachery et al: Respiratory Care Anatomy and Physiology: Foundations for Clinical Practice

Under arbetet stiger det systoliska blodtrycket. Systoliskt blodtryck över 200 mmHg är vanligt. Diastoliskt blodtryck förändras inte nämnvärt under fysisk ansträngning. Detta beror på att perifera resistenskärl vidgas markant under arbete och därmed förhindras en stegring av diastoliskt tryck. Eftersom diastoliskt tryck är oförändrat men systoliskt tryck stiger så ökar pulstrycket (skillnaden mellan systoliskt och diastoliskt tryck), vilket bidrar till att fler kapillärer i musklerna öppnas.

VCO2 och VO2 följer varandra parallellt fram till den anaeroba tröskeln nås. Fram till den anaeroba tröskeln är RER konstant. Den anaeroba tröskeln inträffar då VCO2-lutningen blir brantare än VO2-lutningen. Att VCO2-lutningen ökar innebär att mer CO2 produceras och elimineras och detta förklaras av buffring av laktat (vilket genererar koldioxid) från den anaeroba metabolismen. Den ökande koncentrationen av CO2 leder till ytterligare ventilationsstimulering, varför VE ökar. Ökningen i VE är en földj av ökade tidalvoymer och ökad andningsfrekvens.

Omställning och reglering av perfusion

I vila är hjärtminutvolymen 5 L/min, varav cirka 20% går till musklerna. Hjärnan erhåller 14% av blodflödet, njurarna 22%, levern 27% och övriga organ mottager resten (Figur 1). Fysisk ansträngning medför dramatiska förändringar i perfusion, metabolism och organfunktion. Vid kraftig fysisk ansträngning kan arbetande muskler erhålla 84% av hjärtminutvolymen. För muskeln innebär detta att perfusionen per 100 g muskelmassa kan stiga från 5 ml/min till 50–75 ml/min, vilket är minst en tiofaldig ökning.

Figur 1. Fördelning av hjärtminutvolym i vila och vid kraftig fysisk ansträngning.
Figur 1. Fördelning av hjärtminutvolym i vila och vid kraftig fysisk ansträngning.Figur 1. Fördelning av hjärtminutvolym i vila och vid kraftig fysisk ansträngning.

Vid fysisk ansträngning måste hela kroppens perfusion omfördelas så att merparten av blodet distribueras till arbetande muskler. Perfusion till övriga organ reduceras kraftigt, med undantag för hjärnan och hjärtat, vars perfusionsandel är oförändrad under arbetet. Reglering av blodflödet sker genom nervösa och hormonella mekanismer som påverkar de arterioler som reglerar flödet genom kapillärerna (sk prekapillära resistenskärl). Dessa arterioler reglerar alltså motståndet över kapillärbädden och därmed flödesmotståndet i vävnaden. När resistanskärlen relaxerar (vasodilatation) så ökar perfusionen. När de kontraherar (vasokonstriktion) så ökar motståndet och därmed minskar perfusionen. En lång rad lokala och systemiska stimuli reglerar resistenskärlens tonus.

Utöver själva perfusionen så är även graden av syreextraktion (extraktionsgrad) av betydelse. Syreextraktion varierar i olika vävnader.  I hjärtat och hjärnan är extraktionsgraden hög, medan njuren har en extraktionsgrad på omkring 20% i vila. Detta innebär att njuren kan kompensera för en kraftig reduktion i perfusion genom att öka extraktionsgraden. Hjärnan och hjärtat har däremot redan i vila en mycket hög extraktionsgrad och kan inte uthärda reducerad perfusion, varför deras perfusionsandel under arbete är oförändrad. Mag-tarmkanalens metabolism kan nedregleras kraftig under fysisk arbete, vilket gör att tarmarna sällan begränsar arbetets intensitet.

5/5 (4 Reviews)

Kursöversikt

Till översikten Expandera alla
Aktuell kurs: EKG-boken
error: Innehållet är skyddat.

Sök i EKG-boken & kursen

Innehåll

Till översikten Expandera alla
Aktuell kurs: EKG-boken

Lär dig EKG-tolkning på riktigt

Lär dig EKG

EKG Lathund fickhandbok pdf ladda ner

Gratis fickhandbok

Gå med i vårt nyhetsbrev och få vår fickhandbok för EKG-tolkning!