Sportfysiologie en de menselijke motor

In dit artikel behandelen we enkele achtergronden van de menselijke motor. Kort gezegd bestaat die motor uit de spieren en het hart-longsysteem, dat zorgt voor de aanvoer van zuurstof naar de spieren en de afvoer van afvalstoffen. 

Wat bepaalt nu het vermogen van die motor? Welke brandstoffen verbruiken onze spieren en hoeveel energie levert dat op? En wat is het effect van training? 

Training leidt tot enorme aanpassingen in ons lichaam die erin resulteren dat we ‘fit’ worden en blijven. In diverse handboeken en artikelen is dit wonder van de training nader beschreven. In het onderstaande geven we een samenvatting van de belangrijkste aspecten van de menselijke motor. 

Effecten van training
Goede en langdurige training leidt onder meer tot de volgende aanpassingen van de spieren en het cardiovasculaire systeem (hart- en vaatsysteem).

1.Spieren.
De (been)spieren worden groter en sterker. Er is een toename van :
– het aantal mitochondriën (de energieproducenten van de cellen)
– de aantallen en de afmetingen van de spiervezels
– het aantal capillairen en de doorbloeding van de haarvaten.
– de reserves aan ATP (adenosinetrifosfaat) en glycogeen
– het aantal en de activiteit van de enzymen (waardoor de vetverbranding en de omzetting? van glycogeen efficiënter verloopt)

Hoewel men aanvankelijk dacht dat de verhouding tussen het gehalte aan snelle spiervezels (Fast Twitch, FT) en langzame spiervezels (Slow Twitch, ST) genetisch bepaald was, is recent gebleken dat gerichte training zelfs kan leiden tot een verschuiving in deze verhouding. Zo is dus zowel snelheid als uithoudingsvermogen trainbaar. Deze training vergt wel een langdurige inspanning. Hierbij worden door de trainingsbelasting vezels eerst beschadigd. Dit merk je de dagen na de training in de vorm van spierpijn. Later worden ze weer hersteld in de vorm van nieuwe vezels, die beter bestand zijn tegen de trainingsbelasting. Het trainen van de beenspieren is dus een langdurig proces, waarvoor het noodzakelijk is om veel kilometers te maken. Een groot deel van de training kan in een rustig tempo gebeuren, maar om de FT-vezels te ontwikkelen is beslist ook snelheidstraining nodig.

2.Hart
De aanpassing van het hart aan training is zeer opmerkelijk. Het aantal hartspiervezels neemt toe, alsook het aantal capillairen en de doorbloeding van met name de linkerhartkamer. Als gevolg hiervan werkt het ‘sporthart’ veel efficiënter dan het hart van ongetrainde mensen. Het hart is in feite een pomp waarbij het debiet (ook wel hartminuutvolume of cardiac output genoemd; het aantal liters bloed dat per minuut rondgepompt wordt) gelijk is aan het slagvolume (in liters) vermenigvuldigd met de HR (de Heart Rate, het aantal slagen per minuut). Het slagvolume van het hart van een sporter kan wel twee keer zo groot zijn als dat van een ongetraind persoon. De HR kan hierdoor twee keer lager zijn dan bij ongetrainde mensen. Goed getrainde sporters hebben dikwijls een HR in de orde van 40, hoewel individuele verschillen groot kunnen zijn. Het sporthart is uiteraard ook in staat om bij inspanning veel meer bloed te verpompen waardoor ook het zuurstoftransport naar de spieren veel groter kan zijn. Dit zuurstoftransport is zelfs de meest bepalende factor voor de prestatie bij duursporten. De lage HR in rust en bij inspanning is een zeer belangrijke fysiologische aanpassing van het lichaam aan training en leidt ertoe dat het hart sterker is en beter in staat om te functioneren. Het sporthart is in staat om het bloeddebiet tijdens inspanning te verhogen van 5 l/min tot 40 l/min, dus met een factor acht. Dit komt door een combinatie van verhoging van het slagvolume en, vooral, de HR. Het trainen van het sporthart is vooral afhankelijk van de intensiteit van de training (hoge HR in de training is noodzakelijk) en kan deels relatief snel gaan. Binnen 6 weken kan er al een significante daling van de HR optreden.

3.Bloed
Bij een goed getrainde sporter is het bloedvolume zo’n 10% hoger dan bij een ongetraind persoon. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door toename van het plasmavolume. Dit heeft uiteraard een positief effect op het zuurstoftransportvermogen. Een andere belangrijke aanpassing is dat de flexibiliteit van de bloedvaten toeneemt, waardoor de bloeddruk relatief laag is. Voorts verandert de samenstelling van het bloed in gunstige zin: de cholesterolwaarden dalen, met name het schadelijke LDL en het totaal cholesterol. Het beschermende HDL stijgt juist. Het gehalte aan hemoglobine kan stijgen door (hoogte)training en is van groot belang voor het zuurstoftransportvermogen. 1 gram hemoglobine kan 1,34 ml O2 (zuurstof) transporteren, zodat bij een hemoglobinegehalte van 15 g/100ml het zuurstoftransportvermogen van het bloed 15*1,34 = 20 ml/100ml bedraagt (20%). Een te laag hemoglobinegehalte kan wijzen op ijzertekort in de voeding of teveel ijzerverlies. Een te hoog gehalte is vaak het gevolg van bloed- (of EPO) doping. Tenslotte verwijden de bloedvaten van de spieren zich bij inspanning, waardoor de perifere weerstand afneemt en automatisch meer bloed naar de spieren stroomt. Er stroomt dan minder bloed naar op dat moment niet-essentiële delen van het lichaam, zoals de spijsvertering.

4.Longen
Door training worden onze ademhalingsspieren sterker en neemt het functionele longvolume toe. Net als het hart kunnen we ook de longen als een pomp beschouwen. Het luchtdebiet (ademminuutvolume) is hierbij gelijk aan het product van het (functionele) longvolume in liter en de ademhalingsfrequentie. In rust ademen we zo’n 10 tot 15 keer per minuut, zodat het luchtdebiet bij een functioneel longvolume van 0,5 liter in de orde van 5 tot 7,5 l/min bedraagt. Tijdens inspanning kan het luchtdebiet enorm stijgen tot orde van 180-200 l/min bij goedgetrainde atleten. De toename is het gevolg van een stijging van zowel de ademhalingsfrequentie (tot 60 keer per minuut) als het nuttige longvolume (tot 3-4 liter). De toename van het debiet van de longen is groter dan dat van het hart. In het algemeen geldt daarom dat het zuurstoftransportvermogen van het cardiovasculaire systeem en niet dat van de longen de beperkende factor is voor sportprestaties. Wel hebben de ademhalingsspieren zelf bij intensieve inspanningen een substantiële zuurstofbehoefte. Deze kan wel oplopen tot 10% van de VO2 max.

Energiesystemen
Om te lopen hebben we energie nodig. In onze spiercellen, om precies te zijn in de mitochondriën, wordt deze energie geproduceerd. Daarbij kunnen de cellen gebruik maken van vier energiesystemen:?

1.ATP
Adenosinetrifosfaat (ATP) is de energiebron voor de sprint. ATP kan zeer snel omgezet worden in ADP, waarbij veel energie vrijkomt en we dus zeer snel kunnen lopen. Hiervoor is geen zuurstof nodig. De voorraad aan ATP is echter na 10 seconden al uitgeput, waardoor het alleen gebruikt kan worden voor een korte (eind)sprint. Na de inspanning kunnen de spiercellen het ATP weer opnieuw opbouwen uit ADP. Hiervoor is wel energie nodig. Deze wordt geleverd door de omzetting van glycogeen. Hierbij wordt zuurstof verbruikt, zodat er na een intensieve inspanning een ‘zuurstofschuld’ resteert. Tijdens de herstelperiode wordt dus extra zuurstof verbruikt om het ATP weer op te bouwen. De efficiëntie van de opslag en het verbruik van ATP kan toenemen als gevolg van training. Hiervoor zijn herhalingen van korte sprints met vrijwel maximale snelheid het meest geschikt.

2.Anaerobe afbraak glycogeen
De anaerobe afbraak van glycogeen is een belangrijke energiebron voor de middenafstanden 400-1500 meter. Glycogeen bestaat uit glucose (suiker) eenheden, die aan elkaar gekoppeld zijn tot lange ketens. Glycogeen is opgeslagen in de spieren en de lever. Daarnaast bevat ook het bloed een kleine hoeveelheid glucose. Bij de anaerobe afbraak wordt glycogeen omgezet in melkzuur of lactaat. Dit merken we in de vorm van ‘verzuring’, waardoor de spieren minder goed functioneren en verkrampen en de inspanning slechts korte tijd kan worden volgehouden. Na afloop van de inspanning wordt het melkzuur weer afgebroken met zuurstof, waardoor dus weer een ‘zuurstofschuld’ wordt afbetaald. De efficiëntie van de anaerobe afbraak is eveneens trainbaar. Hiervoor is het nodig om met een zodanige snelheid te trainen dat verzuring optreedt. Dit is pas het geval bij een hogere HR dan circa 85-90% van de HRmax, we noemen dit de anaerobe drempel of het omslagpunt. De anaerobe afbraak van glycogeen levert minder energie en minder snelheid dan de afbraak van ATP oplevert, maar we kunnen er wel wat langer gebruik van maken. Namelijk in de orde van grootte van enkele minuten. Dit is afhankelijk van de snelheid en mate van getraindheid.

3.Aerobe afbraak glycogeen
De aerobe afbraak van glycogeen is de voornaamste energiebron voor de lange afstand.  
Hierbij wordt glycogeen met zuurstof omgezet in kooldioxide en water. Het kooldioxide wordt via het bloed en de longen afgevoerd en het benodigde zuurstof wordt via de longen en het bloed aangevoerd naar de spieren. Dit is een zeer duurzaam en stabiel proces, dat lang kan worden volgehouden als het zuurstoftransportvermogen van het hart-longsysteem voldoende groot is. Dit zuurstoftransportsysteem kan getraind worden door langdurige inspanningen op een niveau iets onder de anaerobe drempel. Ook inspanningen op een lager niveau (bijvoorbeeld 70% van de HRmax) zijn zinvol omdat ze de spieren zelf en de omzettingsprocessen trainen. De aerobe afbraak levert minder energie dan de anaerobe afbraak, maar de voorraad glycogeen is voldoende voor orde van 1,5-3 uur. Met speciale training en voeding (koolhydraatstapeling, marathondieet) is het mogelijk deze grens nog verder te verleggen.

4.Aerobe afbraak vetzuren
De aerobe afbraak van vetzuren is de energiebron voor de echte diesels. Hierbij worden vetzuren met zuurstof omgezet in (uiteindelijk) kooldioxide en water. Het is net zo duurzaam en stabiel als de aerobe omzetting van glycogeen. De aerobe afbraak van vetzuren levert minder energie dan de aerobe afbraak van glycogeen en er is meer zuurstof voor nodig. Dit merk je in de vorm van de ‘man met de hamer’. Als je voorraad aan glycogeen in je spieren uitgeput is, schakelt je lichaam over op de verbranding van vetzuren. Je snelheid neemt dan dramatisch af. De voorraad aan vetzuren in ons lichaam is zeer groot en voldoende voor vele dagen lopen. De vetverbranding gebruiken we ook in het dagelijks leven, dus bij inspanningen op laag niveau. Bij toenemende intensiteit schakelt het lichaam naar behoefte over op de andere energiesystemen. Dit is afhankelijk van de intensiteit: eerst de aerobe afbraak van glycogeen, dan de anaerobe afbraak van glycogeen en tenslotte ook de omzetting van ATP. De vetverbranding is ook trainbaar en wel door langdurige inspanningen op laag niveau (minder dan 70% HRmax) en daarbij ook te kiezen voor een voedingspatroon met minder koolhydraten. Ook nuchtere rustige trainingen kunnen de vetverbranding verbeteren. Dit is zinvol voor alle lopers, omdat in de praktijk de vetverbranding altijd een rol speelt. Als we langzaam lopen, gebruiken we relatief veel vetverbranding: soms wel meer dan 50%. Als we harder gaan, neemt het belang van glycogeen toe, tot zo’n 90% op de 3000 meter.

In bijgaande box worden een aantal aspecten van de 4 energiesystemen van de menselijke motor samengevat.

Hans van Dijk en Ron van Megen

Lees verder...