Limiting factors of physical performanceLimiting factors of physical performance

Ginés ViscorGinés Viscor

Dr. Ginés Viscor

Coste energético del ejercicioCoste energético del ejercicioLos requerimientos energéticos asociados a la actividad son elevados. Por tanto, el costo energético durante el ejercicio, son muy superiores a la tasa metabólica basal.

Los requerimientos energéticos asociados a la actividad son elevados. Por tanto, el costo energético durante el ejercicio, son muy superiores a la tasa metabólica basal.

PTRPTR

Sistemas auxiliares de soporte

Sistemas auxiliares de soporte

LocomociónLocomoción

CirculaciónCirculación

VentilaciónVentilación

Estabilización de articulacionesEstabilización de articulaciones

Fricción interna (Q)Fricción interna (Q)

Trabajo locomotrizTrabajo locomotriz

W M. antagonistasW M. antagonistas

W TendonesW Tendones

ResistenciaResistenciaGravedadGravedadInerciaInercia

Dr. Ginés Viscor

Altitud limita la capacidad de esfuerzo Altitud limita la capacidad de esfuerzo

The maximal rates of O2 consumption of human mountaineers at increasing altitudesAfter Fulco, Rock & Cymerman (1998)

Dr. Ginés Viscor

Factores limitantes al ejercicioFactores limitantes al ejercicioFatiga central

Inducida por el Sistema nervioso central (como mecanismo de protección)

Fatiga periféricaActivación neuromuscular en la placa motora

Fallo de activación (neurotransmisión)Alteración en la excitabilidad de la fibra muscular

Enlentecimiento de la fase de relajación muscularAgotamiento de sustratos energéticos

Depleción a nivel muscularDesequilibrio en el aporte circulatorio frente a demanda

Fallo en el aporte sanguíneo de oxígenoLimitación a nivel pulmonarLimitación cardiovascular central (retorno venoso)Limitación en el lecho microcirculatorio de los tejidos

Fatiga centralInducida por el Sistema nervioso central (como mecanismo de protección)

Fatiga periféricaActivación neuromuscular en la placa motora

Fallo de activación (neurotransmisión)Alteración en la excitabilidad de la fibra muscular

Enlentecimiento de la fase de relajación muscularAgotamiento de sustratos energéticos

Depleción a nivel muscularDesequilibrio en el aporte circulatorio frente a demanda

Fallo en el aporte sanguíneo de oxígenoLimitación a nivel pulmonarLimitación cardiovascular central (retorno venoso)Limitación en el lecho microcirculatorio de los tejidos

Dr. Ginés Viscor

¿Cuales son más sensibles a altitud?¿Cuales son más sensibles a altitud?En primer término todos los procesos de difusión (pues dependen del gradiente de presión parcial)

Difusión de O2 (y CO2 en menor grado) tanto a nivel pulmonar como periférico

En segundo término, y en consecuencia, todos los procesos convectivos que se encuentran vinculados en serie a los procesos de difusión (ventilación y circulación).

La evapotranspiración respiratoria genera un grave riesgo de deshidratación e hipotermia a causa de la hiperventilación y la sequedad y frío ambientales

En primer término todos los procesos de difusión (pues dependen del gradiente de presión parcial)

Difusión de O2 (y CO2 en menor grado) tanto a nivel pulmonar como periférico

En segundo término, y en consecuencia, todos los procesos convectivos que se encuentran vinculados en serie a los procesos de difusión (ventilación y circulación).

La evapotranspiración respiratoria genera un grave riesgo de deshidratación e hipotermia a causa de la hiperventilación y la sequedad y frío ambientales

Dr. Ginés Viscor

Pv Pa

O2

2Vo = (PI - PE) · Gp.

Vo = (PA - Pa) · DLo2 2

.O2

2Vo = (Pa - Pv) · Q. .

Vo = (Pcap - Pcit) · DTo2 2

.

.Vo = (Pcit - Pmit) · Gmit2

PI

PEPA

Pa

Pv

Pcit

Pmit

Modelo del sistema respiratorioModelo del sistema respiratorioDifusiónDifusión ConvecciónConvección

Dr. Ginés Viscor

Cascada de oxígenoCascada de oxígenoLa caída de presión parcial desde el aire inspirado hasta la matriz de la mitocondria se conoce como cascada de oxígeno, por similitud a una corriente fluvial que fluye a favor de la pendiente

La caída de presión parcial desde el aire inspirado hasta la matriz de la mitocondria se conoce como cascada de oxígeno, por similitud a una corriente fluvial que fluye a favor de la pendiente

Dr. Ginés Viscor

Tramo superiorTramo superiorCaptación y transporte por la sangre

Barrera alveolar: Limitación difusivaCapacidad de carga en sangre:

Afinidad Hb-O2

Eritropoyesis

Captación y transporte por la sangre Barrera alveolar: Limitación difusivaCapacidad de carga en sangre:

Afinidad Hb-O2

Eritropoyesis

Dr. Ginés Viscor

Tramo inferiorTramo inferiorAporte periférico al músculo

Barrera capilar: Difusión tisularEfecto BohrDensidad capilar

Barrera mitocondrialVolumen mitocondrialCinética enzimática

Aporte periférico al músculo Barrera capilar: Difusión tisular

Efecto BohrDensidad capilar

Barrera mitocondrialVolumen mitocondrialCinética enzimática

Dr. Ginés Viscor

Resistencias al flujo de O2Resistencias al flujo de O2

Se pueden considerar 4 resistencias dispuestas en serie:Ventilatoria RV

Circulatoria RQ

Tisular Rt

Mitocondrial Rm

Se pueden considerar 4 resistencias dispuestas en serie:Ventilatoria RV

Circulatoria RQ

Tisular Rt

Mitocondrial Rm

Di Prampero (2003) Eur J Appl Physiol 90:420-429Di Prampero (2003) Eur J Appl Physiol 90:420-429

Dr. Ginés Viscor

Factores determinantes de Vo2 maxFactores determinantes de Vo2 maxEl gasto cardiaco es el principal factor limitante del aporte de oxígeno en normoxia, pero otras conductancias ganan relevancia al aumentar la altitudConsiderando:

Ecuación de conservación de masa estándar

Ecuación diferencial expresando la captación en un capilar alveolar

Ecuación análoga para difusión en la microcirculación

El gasto cardiaco es el principal factor limitante del aporte de oxígeno en normoxia, pero otras conductancias ganan relevancia al aumentar la altitudConsiderando:

Ecuación de conservación de masa estándar

Ecuación diferencial expresando la captación en un capilar alveolar

Ecuación análoga para difusión en la microcirculación

]vC- [CaQ F · V - ·FV222O2O OOAAII

&&& =

]Pc·[PQT·

Ddt

]d[O(t)OOAL(t)2

22−= &

]Pm·[PcQT·

Ddt

]d[O22 O(t)O

M(t)2 −= &

Wagner PD (1996) Respir Physiol 106:329-343Wagner PD (1996) Respir Physiol 106:329-343

Dr. Ginés Viscor

Factores determinantes de Vo2 maxFactores determinantes de Vo2 maxUsando este modelo se realizaron las siguientes predicciones:Nivel del mar

Hay poco nivel de mejora en VO2 max al incremento en transporte, el efecto de un incremento de flujo sanguíneo no es mayor que el de las conductancias pulmonar o muscular.

Altitud moderada Pb=464 TorrSe puede dar ganancia en VO2 max por incremento en el gasto cardiaco, [Hb], y conductancia muscular.

Cima del Everest Pb=253 TorrEl gasto cardiaco y [Hb] dejan de tener relevancia, la saturación arterial de oxígeno es el parámetro clave y las conductancias alveolar y periférica retienen el mismo papel que a nivel del mar.

Usando este modelo se realizaron las siguientes predicciones:Nivel del mar

Hay poco nivel de mejora en VO2 max al incremento en transporte, el efecto de un incremento de flujo sanguíneo no es mayor que el de las conductancias pulmonar o muscular.

Altitud moderada Pb=464 TorrSe puede dar ganancia en VO2 max por incremento en el gasto cardiaco, [Hb], y conductancia muscular.

Cima del Everest Pb=253 TorrEl gasto cardiaco y [Hb] dejan de tener relevancia, la saturación arterial de oxígeno es el parámetro clave y las conductancias alveolar y periférica retienen el mismo papel que a nivel del mar.

Wagner PD (1996) Respir Physiol 106:329-343Wagner PD (1996) Respir Physiol 106:329-343

Dr. Ginés Viscor

Reservas de oxígenoReservas de oxígeno

ReservaReservade flujode flujo

Reserva Reserva eritropoyéticaeritropoyética

Reserva respiratoriaReserva respiratoria

Gasto cardíacoGasto cardíaco

Presión parcial de oxígenoPresión parcial de oxígenovv aa

Contenido de oxígenoContenido de oxígeno

ReservaReservaquímicaquímica

ReservaReservacapilarcapilar

ReservaReservade sangrede sangre

Diferencia arteriovenosaDiferencia arteriovenosade oxígenode oxígeno

Basado en una figura propuesta por Metcalfe & Dhindsa (1970)Basado en una figura propuesta por Metcalfe & Dhindsa (1970)

Dr. Ginés Viscor

Reserva eritropoyéticaReserva eritropoyéticaIncremento de hemoglobina y RBC circulantes

A corto plazo por medio de una hemoconcentraciónContracción esplácnicaIncremento de diuresisEvapotranspiración asociada a hiperventilación

A largo plazo por incremento de eritropoyesis (HIF ⇒EPO)

Incremento de hemoglobina y RBC circulantesA corto plazo por medio de una hemoconcentración

Contracción esplácnicaIncremento de diuresisEvapotranspiración asociada a hiperventilación

A largo plazo por incremento de eritropoyesis (HIF ⇒EPO)

HIF-1αHIFHIF--11ααυυυ

ϒϒϒ

ProlilhidroxilasaProlilhidroxilasaProlilhidroxilasa

O2OO22 OHOHOHVHLVHLVHL

UbUbUb

DegradaciónDegradaciDegradacióónn

NORMOXIANORMOXIANORMOXIA

HIPOXIAHIPOXIAHIPOXIA

Genes diana

Núcleo

Expresión degenes

ExpresiExpresióón den degenesgenesHREsHREsHREs

Complejo Von Hippel-LindauComplejo Complejo VonVon HippelHippel--LindauLindau

UbiquitinaUbiquitinaUbiquitina

HREsHREsHREs Hypoxia Responsive ElementsHypoxiaHypoxia ResponsiveResponsive ElementsElements

Dr. Ginés Viscor

Señalización iniciada por HIFSeñalización iniciada por HIFNo sólo se trata de EPO, es la homeostasis del oxígeno:No sólo se trata de EPO, es la homeostasis del oxígeno:

HIF-1αHIFHIF--11αα

MetabolismoMetabolismoMetabolismoAdenilato quinasa-3; Anhidrasa carbónica-9

Transportadores de glucosa-1 y -3; 11 enzimas glucolíticosAdenilatoAdenilato quinasaquinasa--3; 3; AnhidrasaAnhidrasa carbcarbóónicanica--99

Transportadores de glucosaTransportadores de glucosa--1 y 1 y --3; 11 enzimas 3; 11 enzimas glucolglucolííticosticos

Biología vascularBiologBiologíía vasculara vascularReceptor adrenérgico α1B

Endotelina-1Hemooxigenasa-1

NOS-2Inhibidor del activador de

plasminógeno-1VEGF

Receptor FLT-1 de VEGF

Receptor Receptor adrenadrenéérgicorgico αα1B1BEndotelinaEndotelina--11

HemooxigenasaHemooxigenasa--11NOSNOS--22

Inhibidor del activador de Inhibidor del activador de plasminplasminóógenogeno--11

VEGFVEGFReceptor FLTReceptor FLT--1 de VEGF1 de VEGF

Hierro/EritropoyesisHierro/EritropoyesisHierro/EritropoyesisCeruloplasmina; Eritropoyetina

Transferrina y Receptor de transferrinaCeruloplasminaCeruloplasmina; ; EritropoyetinaEritropoyetina

TransferrinaTransferrina y Receptor de y Receptor de transferrinatransferrina

Proliferación/SupervivenciaProliferaciProliferacióón/Supervivencian/SupervivenciaAdrenomedulina; Ciclina G2

EPO; Hemooxigenasa-1IGF2; IGFBP-1, -2, -3

NOS-2; NIP3, p21TGF-β3, VEGF

AdrenomedulinaAdrenomedulina; ; CiclinaCiclina G2G2EPO; EPO; HemooxigenasaHemooxigenasa--11

IGF2; IGFBPIGF2; IGFBP--1, 1, --2, 2, --33NOSNOS--2; NIP3, p212; NIP3, p21TGFTGF--ββ3, VEGF3, VEGF

Dr. Ginés Viscor

Reserva capilarReserva capilarAumento de densidad capilar en los tejidos periféricos, especialmente miocardio y músculo esquelético

Autorregulación local:Reducción de resistencia periférica vasodilatación arteriolar (NO, adenosina)Mayor tiempo de apertura de capilares

Angiogénesis: capilares “de novo” (HIF ⇒VEGF)

A igual gasto cardíaco el mayor flujo capilar aumenta la extracción de oxígeno

Aumento de densidad capilar en los tejidos periféricos, especialmente miocardio y músculo esquelético

Autorregulación local:Reducción de resistencia periférica vasodilatación arteriolar (NO, adenosina)Mayor tiempo de apertura de capilares

Angiogénesis: capilares “de novo” (HIF ⇒VEGF)

A igual gasto cardíaco el mayor flujo capilar aumenta la extracción de oxígeno

Dr. Ginés Viscor

Reserva químicaReserva químicaCambio en la curva de afinidad Hb-O2

Aumento de afinidad a nivel alveolar2-3 DPGEfecto ZuntzEfecto Haldane

Disminución de afinidad a nivel periféricoEfecto Bohr facilitado por acidificación tisular

Todo ello contribuye a aumentar la diferencia arterio-venosa de oxígeno

Cambio en la curva de afinidad Hb-O2Aumento de afinidad a nivel alveolar

2-3 DPGEfecto ZuntzEfecto Haldane

Disminución de afinidad a nivel periféricoEfecto Bohr facilitado por acidificación tisular

Todo ello contribuye a aumentar la diferencia arterio-venosa de oxígeno

Dr. Ginés Viscor

Reserva circulatoriaReserva circulatoriaReserva de flujo: Aumento del gasto cardíaco

Incremento en frecuencia cardiacaA largo plazo: hipertrofia ventricular y elevación del volumen sistólico

Riesgo de edema pulmonar cardiogénico

Reserva de sangre: Aumento de la irrigaciónRedistribución de flujo regional Modificación de las cualidades reológicas sanguíneas

Menor agregabilidad eritrocitaria a nivel venosoMayor deformabilidad eritrocitaria en la microcirculación

Todo ello contribuye a aumentar el aporte periférico

Reserva de flujo: Aumento del gasto cardíacoIncremento en frecuencia cardiacaA largo plazo: hipertrofia ventricular y elevación del volumen sistólico

Riesgo de edema pulmonar cardiogénico

Reserva de sangre: Aumento de la irrigaciónRedistribución de flujo regional Modificación de las cualidades reológicas sanguíneas

Menor agregabilidad eritrocitaria a nivel venosoMayor deformabilidad eritrocitaria en la microcirculación

Todo ello contribuye a aumentar el aporte periférico

Dr. Ginés Viscor

Reserva respiratoriaReserva respiratoriaIncremento en la saturación arterial de oxígeno

Ajuste óptimo de la razón ventilación/perfusión

Este mecanismo es el más limitado de todos:La hipertensión pulmonar puede empeorar el intercambio por exudación hacia el espacio alveolar lo que aumenta la barrera alveolo-capilarEl margen de aumento de SatO2 es muy pequeño a nivel del mar pero puede resultar importante en altitud.

También contribuye a aumentar la diferencia arteriovenosa de oxígeno

Incremento en la saturación arterial de oxígenoAjuste óptimo de la razón ventilación/perfusión

Este mecanismo es el más limitado de todos:La hipertensión pulmonar puede empeorar el intercambio por exudación hacia el espacio alveolar lo que aumenta la barrera alveolo-capilarEl margen de aumento de SatO2 es muy pequeño a nivel del mar pero puede resultar importante en altitud.

También contribuye a aumentar la diferencia arteriovenosa de oxígeno

Dr. Ginés Viscor

Todo empieza y acaba en la menteTodo empieza y acaba en la menteLa capacidad metabólica y cardiorespiratoriason importantes, pero quizás en último término el SNC impone los límites de seguridad para evitar lesiones graves al organismo (o al propio cerebro)

La capacidad metabólica y cardiorespiratoriason importantes, pero quizás en último término el SNC impone los límites de seguridad para evitar lesiones graves al organismo (o al propio cerebro)

Kayser B (2003) Eur J Appl Physiol 90:411–419

Dr. Ginés Viscor

Y hay diferencias entre sexos…Y hay diferencias entre sexos…En mujeres la caída de VO2max con la altura es más acentuada que en hombres:

Menor [Hb]Limitación en difusiónPosible papel de una caída en gasto cardiaco a 4500m

En mujeres la caída de VO2max con la altura es más acentuada que en hombres:

Menor [Hb]Limitación en difusiónPosible papel de una caída en gasto cardiaco a 4500m

Woorons X, Mollard P, Lamberto C, Letournel M, Richalet JP (2005) Med Sci Sports Exerc37:147–154

Dr. Ginés Viscor

Bibliografía recomendadaBibliografía recomendadaLibrosLibros Artículos

Cerretelli P. (1992) Energy sources for muscular exercise. Int J Sports Med. 13 Suppl1:S106-S110.

di Prampero PE. (2003) Factors limiting maximal performance in humans. Eur J ApplPhysiol. 90:420-429.

Ferreti G. (2003) Limiting factors to oxygen transport on Mount Everestt 30 years after: a critique of Paolo Cerretelli’s contribution to the study of altitude physiology. Eur J ApplPhysiol. 90:344-350.

Kayser B. (2003) Exercise starts and ends in the brain. Eur J Appl Physiol. 90:411-419.Noakes TD. (2000) Physiological models to understand exercise fatigue and the adaptations that predict or enhance athletic performance. Scand J Med Sci Sports. 10:123-145.

Wagner PD. (1996) A theoretical analysis of factors determining VO2 MAX at sea level and altitude. Respir Physiol. 106:329-43.

West JB. (1990 ) Limiting factors for exercise at extreme altitudes. Clin Physiol. 10:265-272.Woorons X, Mollard P, Lamberto C, Letournel M, Richalet JP (2005) Effect of acute hypoxia on maximal exercise in trained and sedentary women. Med Sci Sports Exerc 37:147–154

Artículos

Cerretelli P. (1992) Energy sources for muscular exercise. Int J Sports Med. 13 Suppl1:S106-S110.

di Prampero PE. (2003) Factors limiting maximal performance in humans. Eur J ApplPhysiol. 90:420-429.

Ferreti G. (2003) Limiting factors to oxygen transport on Mount Everestt 30 years after: a critique of Paolo Cerretelli’s contribution to the study of altitude physiology. Eur J ApplPhysiol. 90:344-350.

Kayser B. (2003) Exercise starts and ends in the brain. Eur J Appl Physiol. 90:411-419.Noakes TD. (2000) Physiological models to understand exercise fatigue and the adaptations that predict or enhance athletic performance. Scand J Med Sci Sports. 10:123-145.

Wagner PD. (1996) A theoretical analysis of factors determining VO2 MAX at sea level and altitude. Respir Physiol. 106:329-43.

West JB. (1990 ) Limiting factors for exercise at extreme altitudes. Clin Physiol. 10:265-272.Woorons X, Mollard P, Lamberto C, Letournel M, Richalet JP (2005) Effect of acute hypoxia on maximal exercise in trained and sedentary women. Med Sci Sports Exerc 37:147–154

Factors limiting exercise performance in man at high altitude by Bengt KayserPh.D. Thesis Université de Genève

Physiological determinants of exercise tolerance in humans BJ Whipp & AJ SargeantISBN: 1885780267