© Borgis - Postępy Nauk Medycznych 10/2008, s. 653-659
*Michał Ambroziak
Wysiłek fizyczny a układ krążenia. Podstawy fizjologiczne i genetyczne. Wpływ na ryzyko chorób sercowo-naczyniowych
Physical effort and the cardiovascular system, physiological and genetic principles. Impact on the risk of cardiovascular diseases
Klinika Kardiologii Centrum Medycznego Kształcenia Podyplomowego w Warszawie
Kierownik Kliniki: prof. dr hab. Andrzej Budaj
Streszczenie
Wysiłek fizyczny należy do podstawowych elementów prewencji pierwotnej i wtórnej chorób układu krążenia, uwzględnionych w zaleceniach Europejskiego Towarzystwa Kardiologicznego. O możliwościach organizmu człowieka do wykonania określonego wysiłku fizycznego decydują mechanizmy adaptacyjne układu krążenia. Obejmują one zmiany: czynności serca i ciśnienia tętniczego krwi, objętości wyrzutowej i pojemności minutowej, różnicy tętniczo-żylnej wysycenia tlenem oraz dystrybucji przepływu krwi. Sprawność tych mechanizmów, rozstrzygająca o zdolności do wykonywania różnego rodzaju wysiłków fizycznych, ich efektywności oraz tolerancji zależą nie tylko od intensywności treningu ale także od określonych uwarunkowań genetycznych. Wśród nich wymienia się m.in. polimorfizm I/C genu ACE, polimorfizm R577X genu alfa aktyniny 3 ACTN3czy polimorfizm -9BDKBR12 genu baradykininy typu 2. Obecność określonych genotypów decyduje o większej zdolności do wykonywania albo intensywnego wysiłku siłowego, albo wytrzymałościowego. Jednocześnie na podstawie wielu badań, w tym jednego z pierwszych, opublikowanego w 1953 roku w piśmie Lancet, wiadomo, że regularny wysiłek fizyczny wpływa na zmniejszenie częstości zdarzeń sercowych, zgonów z powodu schorzeń układu krążenia i zgonów w ogóle. W świetle badań ostatnich lat okazuje się, że o oddziaływaniu wysiłku fizycznego na stan zdrowia człowieka również decydują uwarunkowania genetyczne. Wśród nich wymienia się m.in. polimorfizm V227A genu PPARalfa czy polimorfizm Arg16/Gly genu receptora adrenergicznego beta 2. Badania podłoża molekularnego wysiłku fizycznego mogą posłużyć do określenia genotypu, charakteryzującego ludzi, dla których wysiłek jest szczególnie ważnym i skutecznym sposobem zapobiegania chorobom układu krążenia.
Summary
Physical activity is a main compound of cardiovascular primary and secondary prevention program included in the European Society of Cardiology guidelines. Adaptation mechanisms of circulation system determine the human potential for specific exertion. They include: changes in heart rate and blood pressure, cardiac ejection fraction and cardiac output, veno-arterial oxygen saturation difference and blood distribution. Adaptation mechanisms efficiency crucial for ability, effectiveness and tolerance of different types of exertion depend not only on strenuousness of an effort but also genetic factors: polymorphism I/C ACE gene, polymorphism R577X alfa actinin 3 ACTN3gene or polymorphism -9BDKBR12 bradykinin type 2 gen. The presence of particular genotypes determines ability for strength exertion as well as endurance exertion. Based on many trials, including the first one published in Lancet in 1953, is known that regular physical activity decreases the incidence of cardiovascular events, cardiovascular deaths and total deaths. Recent publications confirmed the influence of genetic factors on the effect of exertion on human health. Among new genes polymorphism V227A PPAR alfa gene and polymorphism Arg16/Gly adrenergic beta 2 receptor gene were found. Searching of molecular basis of exertion can be helpful in determining genotype characteristic for patients who could benefit by exertion as a particulary important and effective preventive tool of cardiovascular events.
Wstęp
Każdy wysiłek fizyczny związany jest z określonymi zmianami w funkcjonowaniu układu krążenia, warunkującymi możliwość adaptacji do jego wykonania. Zmiany te są odmienne przy różnych wysiłkach. Rozróżniamy dwa podstawowe rodzaje wysiłku fizycznego: dynamiczny (izotoniczny), który wiąże się ze zmianą długości mięśni a nie ich napięcia oraz wysiłek statyczny (izometryczny) związany ze zmianą napięcia a nie długości mięśni. Oprócz rodzaju wysiłku, także jego intensywność, czas trwania czy warunki zewnętrzne, takie jak temperatura czy wilgotność powietrza, w których jest wykonywany, wpływają na przebieg adaptacji organizmu do zwiększonego obciążenia fizycznego. Procesy te zależą także w dużej mierze od sprawności różnych mechanizmów regulacyjnych oraz od uwarunkowań genetycznych. Te ostatnie czynniki wpływają nie tylko na możliwości adaptacyjne do aktualnie wykonywanego wysiłku, ale także decydują o możliwościach poprawienia sprawności i wydolności fizycznej w wyniku regularnego treningu. Są poza tym jednym z podstawowych elementów wpływających na skuteczność aktywności fizycznej jako elementu prewencji chorób sercowo-naczyniowych.
Zmiany czynnościowe zachodzące w układzie krążenia podczas wysiłku fizycznego
Adaptacja układu krążenia do wysiłku fizycznego obejmuje przyspieszenie czynności serca (HR), wzrost objętości wyrzutowej i pojemności minutowej, zwiększenie różnicy tętniczo-żylnej wysycenia krwi tlenem oraz ciśnienia tętniczego (1). Zmiany te mają na celu zaopatrzenie pracujących mięśni w odpowiednią ilość tlenu.
Adaptacja układu krążenia do wysiłku fizycznego obejmuje zmiany:
– Czynności serca i ciśnienia tętniczego krwi
– Objętości wyrzutowej
– Pojemności minutowej
– Różnicy tętniczo-żylnej wysycenia tlenem
– Dystrybucji przepływu krwi
Czynność serca przyspiesza się wraz z trwaniem wysiłku fizycznego aż po kilku minutach dochodzi do ustalenia stanu równowagi ze stałą wartością HR, która zmienia się przy dalszym zwiększeniu intensywności wysiłku, by znów po 2-4 minutach ustabilizować się na określonym poziomie. Z reakcją tą, określaną w piśmiennictwie anglojęzycznym mianem steady state, mamy do czynienia podczas wysiłków dynamicznych submaksymalnych (chód, bieg, jazda na rowerze). Gdy wysiłek wykonywany jest w wysokich temperaturach wzrost częstości skurczów serca zwiększa się stale, co stanowi jeden z mechanizmów termoregulacyjnych. Oba mechanizmy mogą doprowadzić do osiągnięcia maksymalnej wartości HR, która określana jest w przybliżeniu wg prostego wzoru: 220 – wiek.
Zmiany ciśnienia tętniczego podczas wysiłku fizycznego dotyczą wyraźnego wzrostu ciśnienia skurczowego do wartości powyżej 200 mmHg proporcjonalnego do wzrostu intensywności wysiłku oraz w mniejszym stopniu wzrostu ciśnienia rozkurczowego – w warunkach prawidłowych max o 12% w stosunku do wartości w spoczynku (2).
Kolejnym parametrem ulegającym zwiększeniu w trakcie wysiłku jest objętość wyrzutowa (3). Na jej wartość ma wpływ współdziałanie pompy sercowej (warunkującej przepływ krwi przez pracujące mięśnie) i pompy obwodowej (utrzymanie powrotu żylnego, zapewniającego rozkurczowe wypełnienie serca), co ma szczególne znaczenie w wysiłku wykonywanym w pozycji wyprostnej. Objętość wyrzutowa wynosi u dorosłego człowieka średnio 80 ml w pozycji siedzącej lub stojącej i 110 ml w pozycji leżącej. Na stopień wzrostu rozkurczowego wypełnienia komór serca mają wpływ:
– wyjściowe napięcie włókien mięśnia serca;
– zwiększony dopływ krwi żylnej (skurcz pracujących mięśni szkieletowych);
– „efekt ssący” LK (różnica ciśnień między LK a LP we wczesnej fazie rozkurczu);
– redystrybucja krwi.
Kluczowe znaczenie w adaptacji układu krążenia do wysiłku odgrywa pompa obwodowa (4). Opisane czynniki decydujące o wartości objętości wyrzutowej stanowią też ograniczenie możliwości jej zwiększania, co oznacza, że wraz ze zwiększaniem intensywności wysiłku, początkowo dochodzi do stopniowego wzrostu objętości wyrzutowej, a następnie do jej ustalenia na stałym poziomie.
Wzrost objętości wyrzutowej i czynności serca decyduje o zwiększaniu wraz z trwaniem wysiłku fizycznego pojemności minutowej serca. Proces ten postępuje aż do osiągnięcia poziomu intensywności wysiłku odpowiadającej 40-60% maksymalnego pobierania tlenu (VO2max). Od tego momentu narastanie pojemności minutowej zależy już w przeważającym stopniu od przyspieszania czynności serca.
Różnica tętniczo-żylna wysycenia krwi tlenem wzrasta z średnio 5 ml O2/100 ml w spoczynku do 15 ml O2//100 ml w wysiłku maksymalnym, co jest efektem stopniowego obniżania się zawartości tlenu w krwi żylnej w wyniku zwiększenia ekstrakcji tlenu z krwi przepływającej przez pracujące mięśnie.
Kolejnym zjawiskiem, które wpływa na adaptację organizmu do wysiłku fizycznego jest redystrybucja przepływu krwi przez różne obszary naczyniowe, w wyniku rozszerzenia naczyń krwionośnych w pracujących mięśniach szkieletowych i zwężenia łożyska naczyniowego w narządach wewnętrznych (ryc.1). Decydujące o tym mechanizmy to: aktywacja układu współczulnego oraz wzrost tempa lokalnego metabolizmu z gromadzeniem produktów przemiany materii (mleczanów, adenozyny, jonów wodorowych, jonów potasu, CO2), wzrostem temperatury mięśni, hipoksją i zwiększeniem ciśnienia osmotycznego. Podczas wysiłku fizycznego 80-85% pojemności minutowej trafia do mięśni szkieletowych, 4-5-krotnie wzrasta przepływ wieńcowy oraz o 30% wzrasta przepływ mózgowy.
Ryc. 1. Redystrybucja przepływu krwi przez narządy wewnętrzne podczas wysiłku fizycznego (pojemność minutowa w L/min.); wg Wlimore JH i wsp. Human Kinetics 1994; 162-188 (1).
O właściwej adaptacji układu krążenia do wysiłku fizycznego decydują mechanizmy regulacyjne, które można podzielić na wewnętrzne i zewnętrzne. Wewnętrzne to przede wszystkim układ bodźcoprzewodzący serca, zewnętrzne zaś to wszystkie wpływy nerwowe i hormonalne wynikające z aktywności układu współczulnego i przywspółczulnego (wpływ na HR, kurczliwość i szybkość przewodzenia) a także ośrodka naczynioruchowego rdzenia przedłużonego, który modyfikuje działanie układu autonomicznego w odpowiedzi na bodźce z receptorów obwodowych naczyń krwionośnych, mięśni i stawów (mechano-, baro-, proprio-receptory) oraz na impulsy z kory mózgowej.
Wpływ czynników genetycznych na zdolność do wykonywania wysiłków fizycznych
Badania ostatnich lat coraz wyraźniej wskazują, że zdolność do wykonywania wysiłku fizycznego, jego tolerancji oraz efektywność zależą nie tylko od intensywności treningu ale także od określonych uwarunkowań o charakterze genetycznym. Od nich także uzależnione są zmiany, jakie zachodzą w organizmie człowieka podczas wykonywania wysiłku fizycznego a także pod wpływem długotrwałego treningu. Czynniki genetyczne warunkują różną zdolność człowieka do wykonywania wysiłków siłowych bądź wytrzymałościowych. Wreszcie, jak się wydaje decydują również o skuteczności oddziaływania aktywności fizycznej jako czynnika zmniejszającego ryzyko chorób sercowo-naczyniowych.
Główny nurt badań, podobnie jak w innych dziedzinach medycyny, skierowany jest tutaj w stronę poszukiwania zależność między określoną cechą fizyczną a obecnością polimorfizmów genetycznych. Polimorfizm, czyli jednoczesne występowanie dwóch różnych kopii tego samego genu, powstałych w wyniku mutacji w jednej z nich, niejednokrotnie prowadzi do zmiany właściwości kodowanego przez ten gen białka. Polimorfizm może dotyczyć jednego nukleotydu (mutacja punktowa) lub dłuższych odcinków genu, ulegających delecji lub insercji. Zidentyfikowanie polimorfizmu określonego genu nie wystarcza do stwierdzenia jego związku z fenotypem – konieczne są badania statystyczne, wykazujące związek tego miejsca w genomie z występowaniem określonej cechy oraz badania funkcjonalne, potwierdzające zmianę właściwości genu i białka. Polimorfizm funkcjonalny może prowadzić do zmian ekspresji określonego genu, co możliwe jest do stwierdzenia np.: przy pomocy analizy poziomu mRNA metodą Nothern blot (ryc. 2).
Ryc. 2. Różnice w poziomie ekspresji badanego genu u różnych osób, oceniane metodą Nothern blot na podstawie wielkości i stopnia wysycenia specyficznego prążka.
Badania zmierzające do zidentyfikowania genów wpływających na tolerancję oraz efektywność wysiłku fizycznego w dużej mierze koncentrują się na grupie sportowców. Jak dotąd, mimo usilnych starań nie udało się określić tzw. „genów mistrzów”, nie mniej wiadomo już, że możliwość osiągania wybitnych wyników w sporcie jest najprawdopodobniej uwarunkowana genetyczne.
Szczególne zainteresowanie w tym zakresie wzbudza polimorfizm I/D (insercja/delecja 287 nukleotydowego fragmentu sekwencji niekodującej) genu enzymu konwertującego angiotensynę ACE. Wiadomo, że u osób z genotypem I/I stwierdza się niższy poziom krążącego oraz tkankowego stężenia ACE. Już wcześniej obserwowano, że wspomniany fenotyp jest częstszy wśród sportowców wyczynowych (5). Niemniej, bardzo ciekawych obserwacji dokonali w tym zakresie Thompson J i wsp. (6) wśród alpinistów. Przeprowadzone przez nich badania wskazują na istotną statystycznie różnicę genotypu genu ACE w obrębie polimorfizmu I/D na rzecz częstszego występowania genotypu I/I u alpinistów, którym udało się zdobyć szczyty powyżej 8000 m, w porównaniu do tych, którzy tego nie dokonali. Różnic tych nie obserwowano już między tymi spośród badanych alpinistów, którzy wchodzili powyżej 8000 m, bez dodatkowego źródła tlenu a tymi, którzy je stosowali. Z kolei w badaniach prowadzonych w Południowej Korei nie stwierdzano innej częstość występowania poszczególnych alleli tego genu wśród sportowców w porównaniu do grupy kontrolnej, choć wskazywano na wyraźnie większą częstość allelu I wśród biegaczy długodystansowych (7).
Badania polimorfizmu I/C genu ACE wśród sportowców, uprawiających różne dyscypliny, pokazały inną częstość występowania poszczególnych alleli u osób zdolnych do krótkotrwałych siłowych lub długotrwałych wytrzymałościowych wysiłków fizycznych (8). Na podstawie tych i innych badań wysunięto hipotezę, że allel D genu ACE odpowiada za zdolność do wykonywania krótkotrwałego wysiłku, wymagającego użycia większej siły, allel I natomiast predysponuje do wysiłków długotrwałych o charakterze wytrzymałościowym.
Wydaje się jednak, że zależność ta może być odmienna w różnych populacjach. W opublikowanych w 2007 roku badaniach polimorfizmu I/D genu ACE, przeprowadzanych wśród sportowców izraelskich, stwierdzono, że genotyp D/D występuje znacząco częściej u biegaczy długodystansowych niż wśród sprinterów (9). Zaprzecza to hipotezie na temat związku allelu I ze zdolnością do wysiłków wytrzymałościowych lub wskazuje, że ostateczny efekt polimorfizmu I/D genu ACE jest odmienny w różnych populacjach, prawdopodobnie w wyniku oddziaływania z innymi, nieznanymi zmianami na poziomie DNA.
Obecnie trudno więc jednoznacznie określić zależność zdolności do wykonywania wysiłku fizycznego od polimorfizmu I/C genu ACE. Wydaje się jednak, że ma on u człowieka istotne znaczenie dla przebiegu wysiłku fizycznego, prawdopodobnie w związku z odmiennym wpływem różnych stężeń enzymu konwertującego na metabolizm komórek mięśni szkieletowych oraz mięśnia serca.
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
29 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
69 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
129 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 78 zł
Piśmiennictwo
1. Wlimore JH, Costill DL: Cardiovascular control during exercise. Physiology of sport and exercise. Human Kinetics 1994; 162-188.
2. Astrand PO et al.: Intraarterial blood pressure during exercise with different muscle groups. J Appl Physiol 1965; 20: 253-256.
3. Higginbotham MB et al.: Regulation of stroke volume during submaximal and maximal upright exercise in normal man. Circ Res 1986; 58: 281-291.
4. Rownlad TW. The circulatory response to exercise: role of peripheral pump. Int J Spots Med 2001; 22: 558-65.
5. Alvarez R et al.: Genetic variation in the renin-angiotensin system and athletic performance. Eur J Appl Physiol. 200; 82(1-2):117-20.
6. Thompson J et al.: Caudwell Xtreme Everest Research Group. Angiotensin-converting enzyme genotype and successful ascent to extreme high altitude. High Alt Med Biol. 2007 8(4):278-85.
7. Oh SD: The distribution of I/D polymorphism in the ACE gene among Korean male elite athletes. J Sports Med Phys Fitness. 2007 47(2):250-4.
8. Nazarov IB et al.: The angiotensin converting enzyme I/D polymorphism in Russian athletes. Eur J Hum Genet. 2001; 9(10):797-801.
9. Amir O et al.: The ACE deletion allele is associated with Israeli elite endurance athletes. Exp Physiol. 2007; 92(5):881-6.
10. Papadimitriou ID et al.: The ACTN3 Gene in Elite Greek Track and Field Athletes. Int J Sports Med. 2007.
11. Roth SM et al.: The ACTN3 R577X nonsense allele is under-represented in elite-level strength athletes. Eur J Hum Genet. 2008;16(3):391-4.
12. Yang N et al.: The ACTN3 R577X polymorphism in East and West African athletes. Med Sci Sports Exerc. 2007; 39(11):1985-8.
13. Williams AG et al.: Bradykinin receptor gene variant and human physical performance.J Appl Physiol. 2004; 96(3):938-42.
14. Morris JN et al.: Coronary heart-disease and physical activity of work. Lancet 1953; 265: 1111-20.
15. Paffenbarger RS, Hale W: Work activit and coronary heart mortality. N Engl J Med 1975; 292: 545-50.
16. Sesso HD, Paffenbarger RS Jr, Lee IM: Physical activity and coronary heart disease in men: The Harvard Alumni Health Study. Circulation. 2000;102(9):975-80.
17. Sheps DS et al.: The INTERHEART study: intersection between behavioral and general medicine. Psychosom Med. 2004; 66(6):797-8.
18. Sofi F et al.: Leisure time but not occupational physical activity significantly affects cardiovascular risk factors in an adult population. Eur J Clin Invest. 2007; 37(12):947-53.
19. Warburton DE, Nicol CW, Bredin SS: Prescribing exercise as preventive therapy. CMAJ. 2006; 174(7):961-74.
20. Blair SN et al.: Pfysicla fitness and all-cause mortality. A prspective study of health men and woman. JAMA 1989; 262: 2395-401.
21. Kałka D, Sobieszczańska M, Marciniak W: Aktywność fizyczna jako element prewencji chorób sercowo-naczyniowych u osób w podeszłym wieku. Pol Merkur Lekarski. 2007; 22(127):48-53.
22. Warburton DE, Nicol CW, Bredin SS: Health benefits of physical activity: the evidence. CMAJ. 2006; 174(6):801-9.
23. Thompson PD et al.: The acute versus the chronic response to exercise. Med Sci Sports Exerc. 2001; 33(6 Suppl):S438-45.
24. Ignarro LJ, Balestrieri ML, Napoli C: Nutrition, physical activity, and cardiovascular disease: an update. Cardiovasc Res. 2007; 73(2):326-40.
25. Linke A, Erbs S, Hambrecht R: Effects of exercise training upon endothelial function in patients with cardiovascular disease. Front Biosci. 2008; 13:424-32.
26. Lakka TA et al.: Effect of exercise training on plasma levels of C-reactive protein in healthy adults: the HERITAGE Family Study. Eur Heart J. 2005; 26(19):2018-25.
27. Rice T et al.: Familial aggregation of blood lipid response to exercise training in the health, risk factors, exercise training, and genetics (HERITAGE) Family Study. Circulation. 2002;105(16): 1904-8.
28. Naito H et al.: Differential effects of aging, drinking and exercise on serum cholesterol levels dependent on the PPARA-V227A polymorphism. J Occup Health. 2007; 49(5):353-62.
29. An P et al.: Evidence of major genes for plasma HDL, LDL cholesterol and triglyceride levels at baseline and in response to 20 weeks of endurance training: the HERITAGE Family Study. Int J Sports Med. 2005; 26(6):414-9.
30. Eisenach JH et al.: Arg16/Gly beta2-adrenergic receptor polymorphism alters the cardiac output response to isometric exercise. J Appl Physiol. 2005;99(5):1776-81.
31. Eisenach JH et al.: The Arg16/Gly beta2-adrenergic receptor polymorphism is associated with altered cardiovascular responses to isometric exercise. Physiol Genomics. 2004;16(3):323-8.
