فاکتورهای تاثیرگذار بر آمادگی هوازی

نویسنده: علیرضا نیک نام (متخصص فیزیولوژی ورزشی)

آدرس صفحه اینستاگرام: Sportphysiologist@  آدرس ایمیل: [email protected]

مقدمه

آمادگی هوازی یکی از اجزای کلیدی سلامت و رفاه کلی بدن است که به توانایی بدن در استفاده موثر از اکسیژن در طول فعالیت بدنی طولانی مدت اشاره دارد. آمادگی هوازی بر  استقامت تمرکز می کند و شامل فعالیت هایی است که ضربان قلب و تنفس را در یک دوره طولانی افزایش می دهد، مانند دویدن، شنا، دوچرخه سواری یا پیاده روی سریع. فعالیت های ورزشی هوازی قلب، ریه ها و سیستم گردش خون را تقویت می کند و به بدن اجازه می دهد تا اکسیژن را به طور موثرتری به عضلات برساند. معمولاً آمادگی هوازی را بر اساس شاخص حداکثر اکسیژن مصرفی یا VO2max تعیین می کنند. ما در مقالات دیگری درباره روش های تمرین توسعه آمادگی هوازی و نیز راهبردهای تغذیه ای موثر بر توسعه سازگاری های استقامتی توضیحاتی را ارائه کرده ایم که می توانید به آن ها مراجعه کنید. بنابراین در این مقاله ما تنها بر عوامل موثر بر ظرفیت هوازی تاکید داشته ایم. اگرچه عوامل مختلفی بر ظرفیت هوازی تاثیر دارند اما از نظر پارامترهای فیزیولوژیک در بدن، افزایش آمادگی هوازی تحت تاثیر عوامل محیطی (سوبسترای در دسترس عضله، فعالیت آنزیم های اکسایشی عضلات اسکلتی، بیوژنز میتوکندریایی عضلات اسکلتی، بهبود ظرفیت بافرینگ عضله و…) و مرکزی (حجم پلاسما و حجم ضربه ای که باعث افزایش برونده قلبی می شوند، افزایش تعداد گلبول های قرمز خون و هموگلوبین و افزایش اختلاف اکسیژن سرخرگی-سیاهرگی) است [۱-۳]. همچنین برخی از عوامل زمینه ای مانند سن، جنسیت، دما و … می تواند بر ظرفیت هوازی تاثیرگذار باشد در ادامه به ان پرداخته ایم.

عوامل فیزیولوژیک موثر بر ظرفیت هوازی

در این بخش درباره سازوکارهایی بحث می شود از به واسطه فعل انفعالات فیزیولوژیک در داخل بدن می تواند بر ظرفیت هوازی موثر باشد. به طور کلی این فعل و انفعالات به دو دسته مرکزی (یعنی مربوط به قلب و عروق) و محیطی (یعنی مربوط به عضلات اسکلتی و سلول های عضلانی) تقسیم می شوند.

الف: عوامل محیطی موثر در آمادگی هوازی

• ذخایر انرژی در سلول های عضلانی

ذخایر سوختی درون سلولی تاثیر زیادی بر بهبود عملکرد هوازی دارند [۴]. ذخایر فسفوکراتین، گلیکوژن و تری گلیسیرید درون عضلانی از مهم ترین سوبستراهای سیستم های تولید انرژی در عضلات اسکلتی هستند. به طور ویژه در فعالیت های ورزشی هوازی شدید ذخایر گلیکوژنی به عنوان سوخت اصلی فعالیت ورزشی مورد استفاده قرار می گیرند، همچنین ذخایر تری گلیسیرید و چربی درون عضلانی نیز در ورزشکاران استقامتی ورزیده تا حد زیادی در بازتولید ATP هنگام فعالیت ورزشی متوسط تا شدید نقش دارند [۵]. مطالعات گذشته نشان داده اند استفاده از پروتکل های تمرینی مناسب و رژیم غذایی مطلوب می تواند افزایش ذخایر انرژی درون سلولی نقش مهمی داشته باشد. همچنین برخی از ترکیبات شیمیایی نیز می تواند بر جذب و متابولیسم مواد سوختی تاثیر بگذارند.

• فعالیت آنزیم های اکسایشی

از مهمترین سازوکارهایی که تمرین ورزشی منظم باعث افزایش آمادگی هوازی در ورزشکاران می شود تغییرات در فعالیت های آنزیمی سیستم های تولید انرژی است [۳, ۵]. به خوبی نشان داده شده است، تمرین هوازی و بی هوازی با تغییر در فعالیت آنزیم ها می توانند، واکنش های سوخت و سازی و فرایند تولید انرژی در سلول ها را تسریع کنند [۳, ۵]. از مهمترین آنزیم هایی که در فسفوریلاسیون اکسایشی (سیستم انرژی هوازی) نقش دارند عبارتند از : فسفوفروکتوکیناز، سیترات سنتاز، سوکسینات دهیدروژناز و مالات دهیدروژناز. فعالیت بیشتر این آنزیم ها می تواند فرایند فسفوریلاسیون اکسایشی را تسریع و روند تولید انرژی درون سلولی را بهتر کند که در نهایت باعث بهبود عملکرد هوازی می شود [۳, ۵].

• تراکم میتوکندریایی عضلات اسکلتی

میتوکندری ها به عنوان نیروگاه سلول شناسایی می شوند [۳, ۶, ۷]. همچنین میتوکندری ها با توجه به اینکه مرکز اصلی آنزیم های اکسایشی سلول از جمله آنزیم های چرخه کربس، بتا اکسایش و زنجیره انتقال الکترون هستند، نقش به سزایی در پاسخ های سازشی عضلات اسکلتی به تمرین ورزشی هوازی دارند [۳, ۶, ۷]. تعداد میتوکندری ها تحت تاثیر و کنترل سازوکارهای متعدد زیادی است اما مهمترین سازوکار تنظیم کننده آن ها فرایند بیوزنز میتوکندریایی است ([۳, ۶, ۷]. بیوژنز میتوکندریایی خود شامل ۲ بخش است: تقسیم (فیژن) و همجوشی (فیوژن). در فرایند تقسیم میتوکندری های بزرگتر به میتوکندری های کوچکتر تقسیم می شوند و در فرایند فیوژن چند میتوکندری به یکدیگر متصل و میتوکندرهای بزرگتری می سازند [۳, ۶-۸]. این پویایی در تقسیم و همجوشی میتوکندریایی نشان می دهد عضلات اسکلتی به خوبی برای تغییرات سوخت و سازی ساخته و پرداخته شده اند. همچنین بیان ژن های میتوکندریایی هسته ای و میتوکندریایی می تواند در سنتز و تولید میتوکندری های جدید نقش زیادی داشته باشد [۸]. در واقع نشان داده شده است، فعالیت ورزشی به عنوان یک استروسور، باعث تحریک مسیر های پیام رسانی درون سلولی برای افزایش بیوزنز میتوکندریایی می شود [۳, ۶-۸]. مسیر پیام رسانی AMPK/PGC-1a یکی از مهمترین مسیرهای پیام رسانی افزایش بیان ژن های بیوژنز میتوکندریایی است در پاسخ به تمرین ورزشی هوازی و تناوبی با شدت زیاد فعال و دچار تنظیم افزایشی می شود [۳, ۶-۸]. تراکم میتوکندریایی بیشتر و فعالیت زیاد آنزیم های میتوکندریایی می تواند در سوخت و ساز بهتر چربی ها و کربوهیدرات ها شرکت کند و در نتیجه فرایند بازسازی و تولید ATP از راه فسفوریلاسیون اکسایشی را نیز بهتر کند. در نتیجه ذخایر میتوکندریایی بیشتر همواره با اکسیژن مصرفی بیشتر و بهبود عملکرد هوازی همراه است [۳, ۶-۸].

• ظرفیت بافرینگ عضلات اسکلتی

افزایش یون H⁺ در اثر فعالیت ورزشی شدید، باعث کاهش PH عضله و در نتیجه اسیدوز و مختل شدن عملکرد مطلوب عضلانی می شود [۹, ۱۰]. ظرفیت بافری عضلات اسکلتی به توانایی آن ها برای کاهش و حذف یون هیدروژن و تبدیل آن به اسید های ضعیف تر یا مواد دیگری از جمله آب اشاره دارد [۹, ۱۰]. از منظر بیوشیمیایی، ظرفیت عضله برای حفظ توان بیشینه هوازی و بی هوازی به منابع سوختی تولید انرژی، فعالیت های آنزیم های گلیکولیزی و فسفوریلاسیون اکسایشی و ظرفیت بافری عضله برای کاهش اسیدوز ناشی از سوخت و ساز و در نتیجه تحمل اسیدوز هنگام فعالیت ورزشی ارتباط دارد [۹, ۱۰].

• فنوتایپ تارهای عضلانی

فنوتایپ یا رخ مانه تارهای عضلانی می توانند در تعیین ظرفیت و آمادگی هوازی ورزشکاران تاثیر زیادی داشته باشند [۱۱-۱۴]. به طور کلی در عضلات اسکلتی انسان، سه نوع تار ویژگی های بیوشیمیایی متمایز وجود دارد. ۱- تارهای کند انقباض اکسیداتیو (SO)، ۲- تارهای تند انقباض اکسایشی (FOG)، ۳- تارهای تند انقباض خستگی پذیر (FG) [11-14]. تارهای تند انقباض اکسایشی با بیشترین تراکم میتوکندریایی، فعالیت زیاد آنزیم های اکسایشی، مقادیر میوگلوبین زیاد و سطح مقطع کوچک به طور ویژه ای برای انجام فعالیت های ورزشی تداومی کم شدت تا شدت متوسط اختصاص یافته هستند [۱۱-۱۴]. با وجود این تارهای عضلانی FOG نیز در عملکرد مطلوب هوازی نقش بسیار زیادی دارند. سطح مقطع بزرگتر این تارها همراه با تراکم میتوکندریایی زیاد و فعالیت زیاد آنزیم های گلیکولیتیکی باعث شده است، این تارهای در فعالیت های ورزشی شدید هوازی و همچنین بی هوازی نقش بسیار زیادی داشته باشند [۱۱-۱۴]. بنابراین فراخوانی واحد های حرکتی SO و FOG می تواند در بهتر شدن شدت و کیفیت فعالیت های ورزشی استقامتی تعیین کننده و مهم باشد. همچنین نشان داده شده است، تمرین ورزشی منظم به ویژه تمرین استقامتی شدید می تواند باعث تغییر ویژگی های بیوشیمیایی تارهای کند انقباض اکسایشی به سمت و سوی تارهای تند انقباض اکسایشی و در نتیجه بهتر شدن عملکرد هوازی می شوند [۱۱-۱۴].  بنابراین با توجه به آنچه که گفته شد، تمرین ورزشی و استراتژی های تغذیه ای می توانند باعث تغییر در عوامل محیطی موثر بر آمادگی هوازی در سطح عضلات اسکلتی می شوند در نهایت باعث افزایش VO2max و در نتیجه عملکرد استقامتی و هوازی می شوند.

ب: عوامل مرکزی موثر در آمادگی هوازی

معمولاً عوامل قلبی-عروقی نظیر حجم پلاسما، غلظت هموگلوبین خون، برون ده قلبی و سایر شاخص های قلبی عروقی که بر عملکرد هوازی تاثیر دارند به عنوان عوامل مرکزی موثر در آمادگی هوازی تلقی می شوند [۳]. جریان خون عضلانی و اکسیژن رسانی به بافت عضله فعال هنگام فعالیت ورزشی مهمترین عامل محدود کننده VO2max و ظرفیت هوازی ورزشکاران است [۳]. بنابراین می توان گفت تغییرات همودینامیکی خون و شاخص های مرکزی می تواند تاثیر بسیار زیادی در بهبود عملکرد هوازی ورزشکاران داشته باشد. در واقع بدون عملکرد موثر پمپ و شبکه خون رسانی عضلات فعال، خون اکسیژن دار و مواد مغذی ضروری برای ادامه فعالیت تامین نخواهد شد [۱]. علاوه بر این، محصولات جانبی حاصل از متابولیسم عضلات اسکلتی نمی توانند دفع و حذف شوند. دفع فشار گرمایی ناشی از فعالیت های ورزشی نیز نیازمند عملکرد موثر دستگاه قلبی عروقی است. بنابراین دستگاه قلب و عروق از مهمترین محدود کننده های عملکرد در فعالیت های ورزشی هوازی به شمار می رود [۱].

عوامل زمینه ای موثر بر ظرفیت هوازی

۱. ژنتیک
وراثت نقش مهمی ایفا می کند و حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از VO2max یک فرد را پیش بینی می کند. برخی از افراد به طور طبیعی به دلیل عوامل ژنتیکی مانند ظرفیت ریه، اندازه قلب و توزیع نوع فیبر عضلانی، VO2 max بالاتر یا کمتری دارند.
۲. سن
VO2 max معمولاً در اواخر نوجوانی تا اوایل ۲۰ سالگی به اوج خود می رسد و سپس به تدریج با افزایش سن کاهش می یابد و پس از ۳۰-۲۵ سالگی حدود ۱٪ در سال کاهش می یابد. ورزش منظم می تواند با این روند کاهشی مقابله کند و سرعت آن را بکاهد.
۳. جنسیت
مردان معمولاً مقادیر VO2max بالاتری نسبت به زنان دارند که به دلیل اندازه قلب بزرگتر، ظرفیت ریه بیشتر و توده عضلانی بالاتر است. با این حال، با تمرین، زنان می توانند VO2max خود را به میزان قابل توجهی بهبود بخشند.
۴. سطح آمادگی جسمانی
هر چه فرد از نظر هوازی آمادگی بیشتری داشته باشد، VO2max او بیشتر است. ورزشکاران نخبه استقامتی تمایل دارند مقادیر VO2max بالاتری در مقایسه با افراد تمرین نکرده  داشته باشند. ورزش هوازی منظم می تواند به طور قابل توجهی این معیار را بهبود بخشد.
۵. ترکیب بدن
درصد کمتر چربی بدن و توده عضلانی بیشتر می تواند تأثیر مثبتی بر VO2max داشته باشد. چربی اضافی بدن انجام فعالیت های هوازی را  برای بدن سخت تر می کند.
۶. سوابق تمرین و آماده سازی
تمرینات استقامتی، به ویژه فعالیت هایی مانند دویدن، دوچرخه سواری یا شنا، می تواند VO2max را بهبود بخشد. تمرین تناوبی با شدت بالا (HIIT) به ویژه برای افزایش ظرفیت هوازی با به چالش کشیدن سیستم قلبی عروقی موثر است.
۷. ارتفاع
تمرین در ارتفاعات بالاتر می‌تواند VO2max را افزایش دهد زیرا بدن با تولید گلبول‌های قرمز بیشتر برای انتقال اکسیژن، خود را با سطوح پایین‌تر اکسیژن سازگار می‌کند. با این حال، ارتفاع می تواند در ابتدا عملکرد را به دلیل کاهش در دسترس بودن اکسیژن کاهش دهد.
۸. سلامت ریه و قلب و عروق
هر شرایطی که بر قلب، ریه‌ها یا سیستم گردش خون تأثیر بگذارد (مانند آسم، بیماری‌های قلبی عروقی یا عفونت‌های تنفسی) می‌تواند VO2max را کاهش دهد. ریه های سالم و قلب قوی جذب و انتقال اکسیژن را بهبود می بخشد.
۹. دما و محیط
شرایط گرم و مرطوب می تواند VO2max را با افزایش فشار بر روی سیستم قلبی عروقی کاهش دهد. بدن باید سخت‌تر کار کند تا دما را تنظیم کند و اکسیژن در دسترس عضلات را کاهش می یابد.
۱۰. تغذیه و هیدراتاسیون
تغذیه کافی، به ویژه مصرف کربوهیدرات قبل از ورزش، می تواند عملکرد را بهینه کند و مصرف اکسیژن را بهبود بخشد. از طرف دیگر، کم آبی می تواند عملکرد قلبی عروقی را مختل کند و VO2max را کاهش دهد.
۱۱. استرس روانی و عاطفی
استرس می تواند با افزایش ضربان قلب و فشار خون بر عملکرد ورزشی تأثیر منفی بگذارد، که ممکن است به طور موقت VO2max را کاهش دهد. با این حال، سرسختی ذهنی و انگیزه می تواند بر عملکرد در طول تست VO2max تأثیر مثبت بگذارد.

منابع

1. Armstrong, N. and S.G. Fawkner, Chapter 8 – Aerobic fitness, in Paediatric Exercise Physiology, N. Armstrong, et al., Editors. 2007, Churchill Livingstone: Edinburgh. p. 161-187.
2. Falk, B. and R. Dotan, Measurement and interpretation of maximal aerobic power in children. Pediatric exercise science, 2019. ۳۱(۲): p. 144-151.
3. Lee, J. and X. Zhang, Physiological determinants of VO2max and the methods to evaluate it: A critical review. Science & Sports, 2021. ۳۶(۴): p. 259-271.
4. Schwerzmann, K., et al., Oxidative capacity of muscle and mitochondria: correlation of physiological, biochemical, and morphometric characteristics. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1989. ۸۶(۵): p. 1583-1587.
5. Bassett, D.R. and E.T. Howley, Limiting factors for maximum oxygen uptake and determinants of endurance performance. Medicine and science in sports and exercise, 2000. ۳۲(۱): p. 70-84.
6. Sindall, P., Physiological determinants of endurance performance: maximal oxygen uptake (VO2max). A Comprehensive Guide to Sports Physiology and Injury Management: an interdisciplinary approach, 2020: p. 137.
7. Hoppeler, H. and M. Fluck, Plasticity of skeletal muscle mitochondria: structure and function. Medicine and science in sports and exercise, 2003. ۳۵(۱): p. 95-104.
8. Drake, J.C., R.J. Wilson, and Z. Yan, Molecular mechanisms for mitochondrial adaptation to exercise training in skeletal muscle. The FASEB Journal, 2016. ۳۰(۱): p. 13-22.
9. de Oliveira, L.F., et al., Extracellular Buffering Supplements to Improve Exercise Capacity and Performance: A Comprehensive Systematic Review and Meta-analysis. Sports medicine, 2021: p. 1-22.
10. Atakan, M.M., et al., Evidence-based effects of high-intensity interval training on exercise capacity and health: a review with historical perspective. International journal of environmental research and public health, 2021. ۱۸(۱۳): p. 7201.
11. Mohr, M., et al., Skeletal muscle phenotype and game performance in elite women football players. Scandinavian journal of medicine & science in sports, 2022. ۳۲: p. 39-53.
12. Klissouras, V., The nature and nurture of human performance. European Journal of Sport Science, 2001. ۱(۲): p. 1-10.
13. Zierath, J.R. and J.A. Hawley, Skeletal muscle fiber type: influence on contractile and metabolic properties. PLoS biology, 2004. ۲(۱۰): p. e348.
14. Proctor, D.N., et al., Oxidative capacity of human muscle fiber types: effects of age and training status. Journal of applied physiology, 1995. ۷۸(۶): p. 2033-2038.