KUVA: PAJULAHTI OLYMPIC TRAINING CENTER. Harjoittelun fysiologiset ja biomekaaniset perusteet

Transkriptio

1 KUVA: PAJULAHTI OLYMPIC TRAINING CENTER 4 Harjoittelun fysiologiset ja biomekaaniset perusteet

2 Perustettu: 2006 Tuotanto: kirjat Liikevaihto 2015: 48 milj eur Henkilöstö: 560 h Vientimaat: Ruotsi, Norja, Tanska, Suomi, Saksa, Britannia, Ranska jne Yritys Livonia Print on vireä kohta 10-vuotias kirjatehdas, joka on noussut lyhyessä ajassa Pohjois-Euroopan suurimmaksi. Olemme oppineet ymmärtämään asiakkaiden odotukset ja täyttämään ne korkeimmalla laatutasolla. Olemme tehokkaita mutta joustavia. Tuotteemme on hinnoiteltu kilpailukykyisesti. Olemme luotettavia ja arvostamme kiinteitä asiakas-toimittajasuhteita. Painamamme kirjat ovat voittaneet vuoden kaunein kirja palkintoja useassa maassa. Vuonna 2015 Livonia Print sai parhaan vientiyrityksen palkinnon Latvian talousministeriöltä suurten yritysten sarjassa. Tekniikkamme on uutta ja tehokasta. Tuotteet Tuotteemme ovat pääasiassa lankanidottuja kovakantisia värillisiä kirjoja, mutta teemme myös muunlaisia kirjoja. Ne voivat olla koulukirjoja, romaaneja, sanakirjoja tai lastenkirjoja, harrastuskirjoja, keittokirjoja tai taide- ja valokuvakirjoja. Vakioasiakkaille teemme myös hakasnidottuja tai liimasidottuja lehtiä tai mm. wire-o-sidottuja kirjoja. Tehokkaan arkkikonekapasiteetin lisäksi meillä on myös kirjarotaatio ja uusi digipainolinja, joten voimme tarjota kaikkea painosmäärältään kpl ongelmitta. Suomalaiset kirjankustantajat Tarjoamme osaamistamme tänään jo kymmenille suomalaisille kustantajille, mutta myös yhdistyksille ja vaikka kyläkirjojen ja sukukronikoiden tekijöille palvellen kaikkia yksilöllisesti. Kontaktit Seppo Salonen seppo.salonen@livoniaprint.lv puh ja davis.lusa@livoniaprint.lv

3 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn Tanja Laine, liikuntatieteiden maisteri, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto Sami Kalaja, liikuntatieteiden tohtori, Kilpa- ja huippu-urheilun tutkimuskeskuksen (KIHU) johtaja Antti Mero, liikuntatieteiden tohtori, liikuntafysiologian professori, valmennusopin dosentti, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto Lapset eivät ole pienikokoisia aikuisia, vaan eroavat heistä merkittävästi monessa suhteessa. Lapsen ja nuoren kehossa tapahtuukin suuria muutoksia koko lapsuus- ja nuoruusajan. Nämä muutokset vaikuttavat luonnollisesti myös lapsen ja nuoren liikunnalliseen ja urheilulliseen suorituskykyyn ja harjoitettavuuteen. Puhuttaessa lasten ja nuorten kasvusta ja kehityksestä on kuitenkin aluksi syytä määritellä nämä termit. Fyysisellä kasvulla tarkoitetaan pituuden, painon ja kehon eri osien sekä elinjärjestelmien koon kasvua. Biologisella kypsymisellä tarkoitetaan sukupuoliominaisuuksien ja hormonaalisten toimintojen kypsymistä aikuisen tasolle. Kypsymisaste voidaan ilmaista myös odotuspituuden prosenttiosuutena, jota käytetään usein biologisen iän määrittämisessä. Fysiologisella kehityksellä puolestaan tarkoitetaan solujen, elinten ja elinjärjestelmien toiminnallista kehitystä. Kaikki edellä mainitut noudattavat suurimmaksi osaksi tiettyä kaavaa, mutta niiden aikataulu, nopeus ja rytmi ovat yksilöllisiä. Perimällä on näihin kasvun ja kehityksen muuttujiin suuri vaikutus, mutta myös fyysisillä ja sosiaalisilla ympäristötekijöillä, kuten ravinnolla ja liikunnalla, on merkittävä osuutensa. (Hakkarainen 2009 a). Seuraavissa luvuissa esitellään eri elinjärjestelmien, pituuden, painon ja kehonkoostumuksen sekä fyysisen suoritus kyvyn eri osa-alueiden kehitys lapsilla ja nuorilla. Kehityksen linjat on kuvattu yleisellä tasolla ja on huomioitava, että näissä on luonnollista variaatiota myös täysin terveiden yksilöiden välillä. Elinjärjestelmien kasvu ja kehitys Hermosto. Hermosolut syntyvät suurimmaksi osaksi jo sikiöaikana ja suurin osa niistä onkin olemassa jo syntymähetkellä. Tämä ei tarkoita sitä, ettei hermostoa voisi kehittää tai etteikö se kehittyisi tämän jälkeen päinvastoin. Hermoston kehitys syntymän jälkeen on toiminnallista ja tapahtuu jo olemassa olevien solujen koon lisääntymisestä, myelinisoitumisesta ja ympärillä olevien tukikudosten kasvusta. Olemassa olevien hermosolujen väliset yhteydet (hermo solujen viejä- ja tuojahaarakkeet sekä synapsit) lisääntyvät ja kasvavat ympäristön ärsykkeiden ja niistä seuraavan oppimisen myötä. Hermoston kehitys on lapsuudessa nopeaa, ja kuudenteen ikävuoteen mennessä hermosto on kehittynyt n. 90 % aikuisen koosta (Kuva 1). Murros ikään mennessä esimerkiksi aivot saavuttavat aikuisen koon ja tämän jälkeen hermosto kehittyy vain hyvin vähän ja hitaasti, paljon hitaammin kuin muu elimistö. Myelini saatio jatkuu kuitenkin vielä puberteetin jälkeenkin. Hermoston kehitys ja myelinisaatio vaikuttavat suuresti lapsen koordinaation, taitojen, tasapainon, reaktiokyvyn, ketteryyden, nopeuden ja voiman kehittymiseen. Ennen hermoston täyttä kehitystä esimerkiksi maksimaalisen nopeiden reaktioi den ja suurta taitavuutta vaativien liikkeiden teko ei täysin onnistu, koska hermoimpulssin kulku on hitaampaa. Hermoston kehittyminen parantaa koordinaatiota ja taitoja luonnostaan, mutta harjoittelulla niitä voidaan kehittää vielä paremmiksi. Motoristen taitojen monipuolinen harjoittaminen tässä vai-

4 62 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET % Luusto, lihakset, elimet Sukuelimet IKÄ (vuotta) heessa on kuitenkin erityisen tärkeää, jotta hermosto todella kehittyy ja saavuttaa täyden kehityspotentiaalinsa. Aisti- ja liikeärsykkeiden puute saattaa sen sijaan ainakin heikentää kehitystä. Varhaislapsuus onkin taito- ja nopeusharjoittelun kannalta tärkeää aikaa ja se olisikin oltava harjoittelun pääpainopisteenä aina murrosikään asti. Toki tämänkin jälkeen taitoa, tasapainoa, ketteryyttä, nopeutta ja lihashallintaa yms. pystytään jossain määrin kehittämään ja etenkin ylläpitämään. (Hakkarainen 2009 b). Havaintomotoriikan kehittyminen Hermosto Lymfakudos Kuva 1. Ihmiskehon eri osien ja kudosten kypsyminen lapsuudessa ja nuoruudessa (mukailtu Scammon 1930). Ihmisen aistielimet kehittyvät hyvin varhain. Aistien terve kehittyminen on edellytyksenä urheilussa tärkeälle havainnoinnille. Eri ihmiset voivat havainnoida saman ulkoisen ärsykkeen eri tavoin. Tästä konkreettisia esimerkkejä ovat kuvat, joissa voi nähdä esimerkiksi joko vastakkaiset kasvot tai kukkavaasin. Urheilussa havainnot toimivat perustana päätöksenteolle. Lapsen kasvaessa ja kehittyessä hänen aistinelimet kasvavat ja kehittyvät. Toimivat aistinelimet eivät kuitenkaan yksin riitä, aisteja pitää osata käyttää. Havaintomotorisia taitoja tutkittaessa on havaittu muun muassa, että ekspertit havaitsevat ympäristöstä vihjeitä sekä tarkemmin että nopeammin kuin noviisit. Lisäksi eksperteillä on noviiseja vähemmän katseen fiksaatioita ja nämä fiksaatiot kestävät kauemmin. Ekspertit ovat noviiseja tarkempia päätöksenteoissaan ja he kykenevät ennakoimaan tilanteita nopeammin kuin noviisit (Mann et.al. 2007; Vickers 2007). Muun muassa seuraavat visualiset taidot ovat urheilussa hyödyllisiä: dynaaminen visuaalinen tarkkuus, nopeasti liikkuvien kohteiden tarkka näkeminen visuaalinen keskittyminen, kyky pitää katse kohteessa häiriötekijöistä huolimatta katseella seuraaminen ilman pään kääntämistä silmä-käsi-keho -koordinaatio visuaalinen muisti visualisointi, liikkeen näkeminen mielessä periferaalinäkö visuaalinen reaktioaika syvyyden havainnointi (American Optometric Association 2016). NÄKÖAISTIN KEHITTYMINEN JA VISUAALINEN HAVAINNOINTI Näköaisti dominoi muita aisteja ja sen merkitys urheilussa on hyvin keskeinen. Vastasyntyneen näkötarkkuus on noin 5 % aikuisen näkötarkkuudesta (20/400 Snellen asteikolla). Vastasyntynyt kykenee erottamaan kasvonpiirteitä, mutta ei näe kohteita tarkasti. Noin kuuden kuukauden iässä vauva kykenee liikkumaan ja hän tarvitsee liikkumisensa tueksi näköaistia. Ekologiselta näkökulmalta näköaisti on yksi järjestelmä, jonka pitää myös kehittyä, että siirtyminen paikasta toiseen mahdollistuu. Näköaisti kehittyy koko lapsuuden ajan. Viisivuotiaan

5 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 63 näön tarkkuus on noin 20/30 ja noin kymmenen vuoden iässä lapsen näkö on kehittynyt aikuisen tasolle (20/20). Tosin on muistettava, että lapsen silmä saavuttaa lopullisen kokonsa vasta noin 12-vuotiaana (Haywood & Getchell 2005; Gallahue & Cleland-Donnelly 2003). Tilan havainnointi. Useissa toiminnoissa (esimerkiksi kurottaminen ja tarttuminen, liikkuminen) tarvitaan kolmiulotteista havainnointia. Kolmiulotteiseen havainnointiin kuuluvat syvyyden ja etäisyyden arvioinnit. Vasen ja oikea silmä välittävät aivoihin hieman erilaisen kuvan johtuen niiden erilaisista sijainneista. Tämä kuvien erilaisuus mahdollistaa syvyysja etäisyysarvioinnin. Mitä lähempänä katsottu kohde on, sitä suurempi ero on silmien muodostamien näkökenttien perspektiiveissä. Noin yhden kuukauden iässä vauvat räpäyttävät silmiään useammin, kun he näkevät kohteen tulevan kohti. Tarkka näkö mahdollistaa molempien silmien terävän kuvan, mikä tarjoaa enemmän informaatiota eri silmien erilaisten kuvien vertailuun. Syvyyden ja etäisyyden arviointiin saadaan lisäinformaatiota pään liikkeiden avulla. Kun pään liikkuessa kohteiden sijainti silmän verkkokalvolla muuttuu, niin katsojaa lähempänä sijaitsevat kohteet peittävät taaempana sijaitsevia kohteita. Kokemuksen avulla syvyyttä ja etäisyyttä opitaan arvioimaan kohteiden oletettujen kokojen perusteella. Tämä tarkoittaa sitä, että jos kahden oletetusti samankokoisen kohteen koko silmän verkkokalvolla on erilainen, niin suuremman kohteen oletetaan olevan lähempänä. Vastaavasti katsottaessa rautatiekiskoja oletus on, että kiskot ovat samalla leveydellä koko matkan, vaikka ne näyttävätkin lähestyvän toisiaan. Monipuolisen urheilun harrastamisen myötä näitä tärkeitä kokemuksia saadaan kerättyä ja näin tuettua syvyyden arvioinnin kehittymistä (Haywood & Getchell 2005; Kauranen 2011; Shumway-Cook & Woollacott 2012). Kohteeseen katsominen. Katseen kohdistaminen tiettyyn kohteeseen edellyttää mielenkiinnon siirtymistä kohteesta seuraavaan. Pienillä vauvoilla voi olla vaikeuksia siirtää katsetta pois kohteesta. Noin neljän kuukauden iässä vauva oppii siirtämään katseen kohteesta toiseen (Shumway-Cook & Woollacott 2012). Kohteiden havainnointi perustuu viivojen, suuntien ja viivojen pituuksien aistimiselle. Näiden avulla kappaleet erottuvat taustasta. Noin yhdeksään ikävuoteen saakka lapset eivät kykene erottamaan osia ja kokonaisuutta. Esimerkiksi ruuveista ja muttereista koottu ihmishahmo nähdään joko ruuveina ja muttereina tai hahmona, mutta ei molempina. Kohteen koko ja tuttuus vaikuttaa vauvoilla katsottavan kohteen valintaan. Vauvat katsovat enemmän suuria kuin pieniä kohteita. Vauvat myös katsovat tuttuja kohteita (esimerkiksi äidin kasvot) kauemmin kuin vieraita kohteita. Kolme- ja neljävuotiaat voivat oppia suuntiin liittyviä käsitteitä kuten matala / korkea, alla / päällä ja edessä / takana. Kahdeksan vuoden ikään asti lapsilla voi olla vaikeuksia erottaa vasenta ja oikeaa (Haywood & Getchell 2005). Liikkeen havainnointi. Jo pienet vauvat kykenevät havaitsemaan liikettä. Liikkeen suuntaa ei kuitenkaan kyetä erottelemaan alle kahdeksan viikon ikäisenä. Vastasyntynyt ei myöskään pysty näkemään hidasta liikettä aikuisen tavoin. Alle kuuden viikon ikäinen ei kykene havaitsemaan erittäin hitaita liikkeitä. Vauvat havaitsevat liikettä, mutta liikkeen suunnan ja nopeuden arviointi paranee iän myötä (Haywood & Getchell 2005). KINESTEETTISEN HAVAINNOINNIN KEHITTYMINEN Kinesteettinen aistiminen tarjoaa informaatiota kehon osien suhteellisista sijainneista toisiinsa nähden, kehon asennosta tilassa, kehon liikkeistä ja kehoon kontaktissa olevista esineistä. Kinesteettinen aistiminen perustuu lihaksissa ja lihas-jänne -kompleksissa, nivelkapseleissa ja nivelsiteissä sijaitsevien proprioseptoreiden toimintaan. Ihonalaisia reseptoreita kutsutaan somatosensoreiksi ja sisäkorvassa sijaitsevaa tasapainoelintä vestibulaariapparaatiksi. Vastasyntyneet reagoivat kosketukseen selvästi. He

6 64 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET kykenevät tunnistamaan kosketuskohdan, etenkin suun ja kasvojen alueella. Kosketuskohdan tunnistamiskyky kehittyy iän myötä ja on suhteellisen kypsällä tasolla noin viiden vuoden iässä. Esineiden tunnistaminen tuntoaistin avulla onnistuu vauvoilta joskus vahingossa, noin neljän vuoden iässä lapsi osaa käsitellä esineitä tarkoituksenmukaisesti. Kehon osien tunnistaminen onnistuu hyvin noin kuuden vuoden iässä. Suunnista hahmottuu ensimmäisenä ylös-alas, sitten eteen-taakse ja viimeiseksi sivulle. Suurin osa 2,5 3-vuotiaista osaa asettaa esineen taaksensa, mutta suurimmalla osalla on vaikeuksia piilottaa esine jonkun muun taakse. Noin neljävuotiaana tämäkin onnistuu. Vaikka lasten ylösalas ja eteen-taakse -tietoisuus onkin hallussa jo kolmevuotiaana, kehon lateraalisuuden hahmottaminen (vasen ja oikea puoli) saavutetaan noin 4 5-vuotiaana. Lapsi hahmottaa, että vaikka hänellä kaksi samanlaista kättä, niin hän voi asettaa ne eri asentoihin ja liikuttaa niitä itsenäisesti. Vasemman ja oikean puolen hahmottaminen kehittyy paljon ikävuosien 4 5 ja 10 välillä. Kehon keskilinjan ylittämiskyky (esimerkiksi liitutaululle kirjoittaminen vasemmalta oikealle) kehittyy myös ikävuosien 4 10 välillä, jos tosin vielä 10-vuotiaillakin saattaa olla vaikeuksia kehon keskilinjan ylittämisessä. Lapsen kätisyyden kehittyminen noudattaa seuraavanlaista aikataulua: nyrkkiin puristaminen ja tarttuminen / ennen 3 kk yhdellä kädellä kurottaminen / 3 kk jälkeen esineen käsittely yhdellä kädellä / 7kk esineen käsittely molemmilla käsillä / 1 kk yhdellä kädellä käsittelyn jälkeen oikea/vasenkätisyys / 4 v Lasten kyky tuottaa niveleen tarkka liike tai toistaa nivelen asento kehittyy paljon ikävuosien 5 ja 8 välillä. Sijaintien hahmottaminen kehittyy ikävuosien 6 ja 12 välillä. 8-vuotiaat käyttävät tyypillisesti omaa kehoaan referenssinä suuntien ilmaisemiseen. Esimerkiksi he osaavat sanoa, että pallo on oikealla puolellani. Yhdeksänvuotiaana he osaavat vaihtaa edellä mainitun lauseen paikkansapitäväksi, kun he kävelevät pallon toiselle puolelle ( pallo on nyt minun vasemmalla puolellani ). Suuntien hahmottumisen kehittyminen jatkuu osin vielä nuoruusiässä, useat 12-vuotiaat eivät kykene erottamaan vasenta ja oikeaa, kun he katsovat peiliin (Haywood & Getchell 2005). KUULOAISTIN JA AUDITORISEN HAVAINNOINNIN KEHITTYMINEN Vastasyntyneen kuulo on aikuisen kuuloa heikompi noin 60 desibelin verran. Siinä missä aikuinen kuulee kuiskauksen, vastasyntynyt kuulee normaalin puheen. Kuulo kuitenkin kehittyy nopeasti. Kolmen kuukauden ikäinen kuulee hyvin matalia taajuuksia, muttei kovin hyvin korkeita taajuuksia. Noin kuuden kuukauden iässä vauvan kuulo on aikuisen tasolla (Haywood & Getchell 2005). Auditorisen hahmottamisen avulla pystytään arvioimaan sijaintia, eroja samankaltaisten äänien välillä, malleja (tempo, intensiteetti ja taajuus) sekä erottamaan ääniä taustaäänistä. Ääni paikallistetaan sen suunnan ja etäisyyden perusteella. Mitä kauempana sivussa äänilähde on kehon keskilinjasta, sitä enemmän on eroa äänen saapumisajassa vasempaan ja oikeaan korvaan. Tätä eroa hyödynnetään äänen paikantamisessa. Jo vastasyntyneet kääntävät päätään äänen suuntaan. 6 7 kuukauden ikäiset pystyvät erottelemaan asteen auditiivisen kulman (aikuisilla tämä vastaava kulma on 1 2 astetta). Lapset erottavat paremmin läheltä tulevan äänen suunnan kuin kaukaa tulevan äänen, mutta jo kolmevuotias osaa määritellä kaukaa tulevan äänen suunnan (Haywood & Getchell 2005). YHTEENVETO HAVAINTOMOTORIIKAN KEHITTYMISESTÄ Jo vauvat kykenevät visuaaliseen, kinesteettiseen ja auditiiviseen havaitsemiseen. Tämän hahmottaminen kehittyy lapsuudessa yhä hieno varaisemmaksi ja noin 8 10-vuoden iässä lasten visuaalinen hahmottaminen on lähes

7 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 65 aikuisen tasolla. Kinesteettinen havaitseminen kehittyy hieman nopeammin kuin näönvarainen hahmottaminen, lapsi saavuttaa kinesteettisessä hahmottamisessa lähes aikuisen tason noin kahdeksanvuotiaana. Lapsen auditiivinen hahmottaminen saavuttaa lähes aikuisten tason noin kymmenen vuoden iässä useissa auditorisissa erottelutehtävissä. Auditiivisten taitojen kehittyminen jatkuu kuitenkin vielä teini-iässä (Haywood & Getchell 2005). Tuki- ja liikuntaelimistö Tuki- ja liikuntaelimistön muodostavat pääasiassa luut ja lihakset, mutta siihen kuuluu myös mm. jänteet, nivelsiteet ja muut tukikudokset. Luuston ikää käytetään myös yhtenä biologisen iän mittarina, sillä siinä tapahtuvat muutokset kertovat kehon kypsymisestä laajemminkin. (ks. alaluku Kehityksen yksilöllisyys). Lihakset. Lapsen kasvun mukana tapahtuva lihasmassan lisäys tapahtuu pääasiassa lihashypertrofian kautta, kun lihassolujen ja -säikeiden koko lisääntyy ja sarkomeerit pitenevät pituuskasvun mukana. Normaalin kasvun lisäksi myös harjoittelulla on lapsuudessa mahdollista jonkin verran kasvattaa lihasmassaa, mutta se ei ennen murrosikää ole aikuisiin verrattuna kovin tehokasta alhaisempien testosteronija kasvu hormonipitoisuuksien vuoksi. Myöskään aikuisilla havaittua sateliittisolujen kautta tapahtuvaa lihassolujen jakaantumista ei ole lapsilla havaittu (Metaxas ym. 2014). Voima kehittyykin lapsilla lähinnä lihaksen hermotuksen ja entsyymien aktiivisuuksien paranemisen kautta. (Blimkie ja Sale 1998). Lihassolukoostumus eli hitaiden ja kestävien I-tyypin sekä nopeiden II-tyypin solujen lukumäärä on pitkälti geneettisesti määräytynyt. Ympäristön antamat ärsykkeet ja harjoittelu vaikuttavat kuitenkin lapsuudessa jonkin verran. Ensimmäisten elinkuukausien aikana I- ja II-tyypin solut lisääntyvät välimuotoisten solujen kustannuksella. Myöhemminkin, erityisesti ennen murrosikää lihassolujakauma mukautuu todennäköisesti jonkin verran liikuntatottumusten (nopeus- vs kestävyysärsykkeet) mukaan. Monipuoliset ärsykkeet lapsuudessa ovatkin tärkeitä, jotta myöhemmälle kehitykselle annetaan mahdollisimman laajat edellytykset. Lihassolujen kokoon eli pinta-alaan voidaan sen sijaan vaikuttaa jonkin verran jo lapsuudessa, mutta erityisesti murrosiässä hormonaalisen kypsymisen jälkeen. Kova voimaharjoittelu murrosiässä ja sen jälkeen lisää luonnollisesti lihassolujen kokoa huomattavastikin riippuen hypertrofisten ärsykkeiden määrästä. (Mero 1998, Mero ym ja Metaxas ym. 2014). Luusto ja muut tukikudokset. Luumassa kaksinkertaistuu puberteetin alun ja varhaisaikuisuuden välillä ja vähintään 90 % luun huippumassasta saavutetaan nuoruusiän loppuun, n. 20. ikävuoteen mennessä. (Kuva 1). Suurinta luuston kehitys on esimurrosiässä ennen puberteetin alkua. Tässä iässä onkin äärimmäisen tärkeää pyrkiä maksimoimaan luuston massa oikeanlaisen ravinnon, liikunnan ja elintapojen kautta, jotta saavutetaan mahdollisimman hyvät lähtökohdat luustolle loppuelämää ajatellen. Erityisesti iskuja, suunnanmuutoksia ja paino kuormitusta sisältävät lajit kehittävät luustoa tehokkaasti. Myöhemmällä iällä aikuisuudessa luuston vahvistaminen on huomattavasti vaikeampaa, ja edellä mainituilla tekijöillä pystytään lähinnä ehkäisemään luumassan menettämistä tai vanhemmalla iällä hidastamaan sen haurastumista. Tyttöjen ja poikien luuston tiheys ja koko ovat ennen murrosikää samanlaiset, mutta kypsymisasteessa on pieni ero syntymästä asti. Murrosiässä ero kasvaa noin kahteen vuoteen tyttöjen aikaisemman murrosiän vuoksi. Sukupuolihormonierityksen lisääntyminen saa kasvulevyt luutumaan ja lopettaa luuston pituuskasvun. Aikaisemman puberteetin vuoksi tyttöjen luusto kypsyy poikia aikaisemmin ja pojilla luut ehtivät kehittyä pidemmiksi ja massiivisemmiksi. Myös myöhään kypsyvillä tytöillä luut kasvavat

8 66 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET pidemmiksi. Testosteroni edistää luun muodostusta, jonka vuoksi poikien luusto kehittyy myös massiivisemmaksi (vahvemmaksi ja kooltaan suuremmaksi) tyttöihin verrattuna. (Hakkarainen 2009 a). Myös naisten sukupuolihormonilla estrogeenillä on tärkeä merkitys luuston kehittymiselle, sillä se vaikuttaa mm. elimistön kalsiumaineenvaihduntaan. Luuston tiheys alenee naisurheilijoilla, joilla alhaisen painon ja rasvaprosentin vuoksi estrogeenin tuotto (ja siten myös kuukautiskierto) on häiriintynyt (ns. naisurheilijan oireyhtymä). Tila on verrattavissa postmenopausaalisiin naisiin ja heillä onkin kasvanut riski sairastua osteoporoosiin ja saada luunmurtumia (rasitusmurtumat ja tapaturmaiset murtumat). (Gibson 2000). Miesten ja naisten luusto kehittyy myös malliltaan erilaiseksi, mikä vaikuttaa myös liikkumisen biomekaniikkaan ja suorituskykyyn monissa lajeissa. Rakenteellisilla eroilla saattaa olla vaikutusta myös liikkumisen taloudellisuuteen, joka vaikutta erityisesti kestävyyssuorituskykyyn. Naisten lantio kasvaa leveämmäksi (synnytyskanava levenee) ja reisiluut lähtevät näin kauempaa toisistaan. Tämän vuoksi naisten askellus on keinuvampaa ja pihtipolvisuus on yleisempää, mikä vaikuttaa mm. juoksun biomekaniikkaan. Naisten massakeskipiste jää suhteellisesti pidempiraajaisia miehiä matalammalle, mikä saattaa osaltaan selittä naisten yleensä parempaa tasapainoa. Naisilla lantio ja hartiat ovat suurin piirtein yhtä leveät, mutta miesten hartiat ja rintakehä kehittyvät suuremmiksi. Tämä parantaa hengitystoimintaa, koska keuhkoilla on enemmän tilaa. (Crussemeyer & Dufec 2000, Hakkarainen 2009 a ja Wells 1985). Kuten luusto, myös nivelet ja muut tukikudokset (jänteet, rustot ja nivelsiteet) kehittyvät parhaiten ennen murrosikää (11 14-vuotiaana) ja vahvistuvat liikunnan avulla. Liikunta on tärkeää myös aistimusjärjestelmän kehittymisen kannalta (mm. lihaksissa ja jänteissä sijaitsevat aistielimet asennosta, lihaspituudesta ym.). Liikunnassa on kuitenkin muistettava oikeat suoritustekniikat ja liikeradat, sillä virheellisellä kuormituksella esimerkiksi rustovauriot ovat mahdollisia jo nuorena. Naisten nivelet ja nivelsiteet ovat puberteetista lähtien yleensä luonnostaan elastisempia kuin miehillä, mikä tekee heistä miehiä notkeampia, mutta myös mahdollisesti alttiimpia tietynlaisille vammoille. Liikkuvuuteen vaikuttaa lihasmassa, rasva kudoksen määrä, nivelrakenne ja sukupuoliriippuvainen lihasten kollageenirakenne sekä hormonituotanto (estrogeeni). Toki myös harjoittelulla on merkitystä. (Hakkarainen 2009 a) Hengitys- ja verenkiertoelimistö. Lasten sydän on muutenkin pienemmästä kehon koosta johtuen pienempi kuin aikuisilla. Tämän vuoksi lasten maksimaaliset, mutta myös tietyllä submaksimaalisella kuormalla saavuttamat iskutilavuudet jäävät pienemmiksi kuin aikuisilla. Myös pienempi veren kokonaistilavuus (10-vuotiaana n. 2 l, murrosiässä n. 4 l ja aikuisena 5 6 l ), joka on vahvasti yhteydessä kehon massaan ja sydämen kokoon, vaikuttaa merkittävästi pienempään iskutilavuuteen. Lapset kompensoivat pienempää iskutilavuutta korkeammalla sykkeellä. Vastasyntyneen lapsen leposyke on n. 140 lyöntiä/min, josta se asteittain laskee n. 70 lyöntiin/min 10-vuoden ikään mennessä ja asettuu aikuisen n. 60 lyöntiin/min murrosiän jälkeen. Sydämen toiminta tehostuu ja koko kasvaa muun kasvun myötä erityisesti murrosi ässä, mutta monipuolisella liikunnalla sydämen toimintaa voidaan tehostaa jo lapsuusaikana. Etenkin sydämen vasemman kammion koko kasvaa varhais lapsuudesta asti, koska se tekee työtä pumppaamalla verta lihaksiin ja muualle elimistöön. Mitä enemmän sydäntä harjoittelulla kuormitetaan, sitä voimakkaampaa sen kasvu on. (Malina ym ja Hakkarainen 2009 a). Myös veren hemoglobiinipitoisuus on pienillä lapsilla matala ( g/l), mutta nousee kouluikään mennessä aikuisen normaaliarvojen tasolle ( g/l) (Eskelinen 2012). Murros iän hormonaalisen kypsymisen myötä

9 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 67 (erityisesti testosteroni) etenkin poikien punasolu- ja hemoglobiinimäärät kasvavat aikuisen tasolle ja parantavat hapenkuljetuskykyä. Vaikka punasolumäärä, lihasten entsyymiaktiivisuudet ja hiussuonitus kehittyvät tehokkaimmin murrosiässä, voidaan näihinkin jonkin verran vaikuttaa jo lapsena. (Malina ym ja Hakkarainen 2009 a). Sydämen tavoin keuhkot kasvavat ja vahvistuvat koko lapsuuden ajan muun kasvun mukana, mikä mahdollistaa ventilaation kasvattamisen. Erona on, että sydämen koko kasvaa suhteessa kehon massaan, kun taas keuhkojen koko ja toiminnalliset tilavuudet ja virtaukset kasvaa suhteessa pituuteen. Keuhkojen koon lisäksi myös alveolien määrä lisääntyy siten, että n. 8-vuotiaalla on yhtä paljon alveoleja kuin aikuisella. Vielä kehittymättömien keuhkojen vuoksi lasten hengitystiheys on suurempi kuin aikuisilla ja hengittämisen taloudellisuus siksi heikompaa. Vastasyntyneen hengitystiheys on n. 40/ min, josta se laskee ensimmäisen vuoden aikana n. 30/min, josta se vähitellen tasaantuu aikuisen tasolle n. 16/min. (Malina 2004). Sukupuolielimistö. Sukupuolielimistön merkittävin kehitys tapahtuu murrosiässä. Kivesten kasvu on pojilla ensimmäinen merkki murrosiän alkamisesta. Se alkaa keskimäärin 11,5-vuotiaana (9,5 13,5) ja kestää noin kolme vuotta (vaihteluväli 2 5 vuotta). Siittimen kasvu alkaa noin vuoden kivesten kasvua myöhemmin. Tytöillä puberteetin ensimerkkinä on rintojen kehitys, joka alkaa normaalisti 8 13 vuoden iässä. Murrosiän merkeistä kuukautiset alkavat viimeisenä, keskimäärin noin 13-vuotiaana (10,5 15,5-vuotiaana). Seuraavassa on esitelty tyttöjen ja poikien murrosiän kehityksen eri asteet (Tannerin tasot). (Hakkarainen 2009 a ja Marshall & Tanner 1969 ja 1970). Häpykarvoitus: P1: Lapsen häpyseudun karvoitus ei poikkea vatsan karvoituksesta. P2: Pitkiä, vähän pigmentoituneita, untuvaisia, suoria tai hieman kihartuvia karvoja niukasti häpyhuulissa / peniksen tyvessä. P3: Huomattavasti tummempi, karkeampi ja kiharaisempi karvoitus, joka leviää niukasti häpyliitoksen päälle. P4: Aikuistyyppinen karvoitus, mutta huomattavasti pienemmällä alueella, ei leviä reisien sisäsivuille. P5: Karvoitus leviää myös navan suuntaan. Rinnat: M1: Lapsen: vain nänni on koholla. M2: Nuppuaste: rinta ja nänni kohoavat hieman, ja rauhaskudosta tuntuu tunnusteltaessa; nännipiha on suurentunut. M3: Rinta ja nännipiha ovat edelleen suurentuneet, niiden ääriviiva muodostaa sivulta katsottuna yhtenäisen kaaren. M4: Nännipiha kohoaa ja muodostaa päälle erillisen kummun. M5: Kypsä rinta: vain nänni on koholla rinnasta nännipihan laskettua takaisin yhtenäiseen ääriviivaan Poikien sukupuolielimet: G1: Kivekset (pituus <20 mm), kivespussi ja penis ovat suunnilleen samankokoiset ja mittasuhteiset kuin varhaislapsuudessa. G2: Kivespussi ja kivekset ovat suurentuneet (pituus >20 mm), kivespussin iho on punertunut ja ohentunut, mutta penis ei ole vielä suurentunut. G3: Penis on pidentynyt, ja kivekset ja kivespussi ovat edelleen kasvaneet. G4: Penis on edelleen kasvanut, myös paksuntunut, terska on kehittynyt, kivekset ja kivespussi ovat edelleen suurentuneet, kivespussi on tummentunut. G5: Aikuisen kokoa ja muotoa olevat sukupuolielimet. Lymfakudos. Lapsen ja nuoren kasvavaa ja kehittyvää elimistöä suojelee tehokas puolustusjärjestelmä. Eri puolilla elimistöä oleva lymfakudos (imukudos) onkin murrosiän vaihees-

10 68 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET sa kehittyneempi kuin myöhemmin aikuisvaiheessa. Tämä tehostettu puolustusjärjestelmä on kehittynyt ihmisellä torjumaan murrosiän herkkää elimistöä bakteereilta ja viruksilta. Sisäelimet. Suuri osa sisäelimistöstä kehittyy voimakkaasti syntymän jälkeen. Ennen murrosikää on tasannevaihe ja lopullinen kehitystaso saavutetaan murrosiässä. Sisäelinten kehittyminen vaikuttaa mm. maksan ja munuaisten kykyyn poistaa kuona- ja vierasaineita, mikä kannattaa huomioida etenkin kovatehoisissa harjoituksissa. Toisaalta lasten luontaisesti aerobi semmin (enemmän hapen avulla) toimiva elimistö ei edes tuota yhtä paljoa laktaattia. (Hakkarainen 2010 a). Antropometria Pituus. Syntymän jälkeinen kasvu koostuu imeväisiän, lapsuuden ja murrosiän kasvusta. Imeväisiän kasvu on suhteellisesti suurempaa kuin missään muussa vaiheessa ja kaikkia sitä sääteleviä tekijöitä ei edes tunneta. Rintaruokinta kuitenkin todistetusti kiihdyttää kasvua. Imeväisiän kasvu jatkuu 1 2 vuoden ikään asti, jolloin alkaa lapsuusiän kasvu. Ensimmäisen kahden vuoden aikana kasvu on keskimäärin 15 cm / vuosi, jonka jälkeen kasvu hidastuu lapsuusiän n. 5 6 cm / vuosi. Lapsuusiän kasvu on hidasta ja tasaista aina murrosiän alkuun asti. Keskilapsuudessa voi esiintyä miessukupuolihormonin erityksestä johtuva kasvupyrähdys. Ennen murros ikää kasvu saattaa hetkellisesti hidastua, jonka jälkeen alkaa murrosiän varsinainen kasvu pyrähdys. (Sankilampi ym ). (Kuva 2). Tyttöjen murrosikä ja kasvupyrähdys ovat n. 2 vuotta aiemmin kuin pojilla. Tyttöjen kasvupyrähdys tapahtuu tyypillisesti vuotiaana (kasvuhuippu n. 12-vuotiaana) ja ajoittuu samaan aikaan varhaisen rintojen kasvun kanssa. Kuukautisten alkaessa kasvuhuippu on jo takana. Pojilla kasvu ajoittuu selvien ulkoisten murrosiän merkkien (kivesten ja peniksen kasvu) kanssa samaan ajankohtaan, pari vuotta murrosiän ensimerkkien jälkeen. Häpykarvoituksen puuttuessa poikien murrosikä on siis vielä edessä. Poikien kasvuhuippu on n. 14 vuo- Pituuskasvu, cm/vuosi Ikä (vuotta) Tytöt Pojat Kuva 2. Tyttöjen ja poikien pituuskasvunopeus lapsuudessa ja nuoruudessa (Hakkarainen 2009b).

11 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 69 den iässä ja kasvu päättyy n. 6 vuotta murrosiän alusta. Poikien kasvupiikki on yleensä suurempi kuin tytöillä. (Sankilampi ym ja Hakkarainen 2009 a). (Kuva 2). Kasvupyrähdysten eriaikaisuudesta joh tuen tytöt ovat yleensä 10. ja 14. ikävuoden välillä pidempiä kuin pojat, mutta pidemmän normaalin kasvun ajan ja suuremman kasvupyräyksen vuoksi pojat saavuttavat yleensä suuremman loppupituuden. Sukupuolihormonit kiihdyttävät epifyysilevyjen (luiden kasvualue) sulkeutumista. Tämän vuoksi kasvu hidastuu ja päättyy täysin noin neljän vuoden päästä murrosiän alkamisesta. (Rogol ym. 2000). Lapsuusajan kasvu on pääasiassa raajojen kasvua, kun taas murrosiän kasvupyrähdyksessä kasvavat lähinnä ylä- ja keskivartalo (selkäranka), mikä vaikuttaa kehon painopisteen sijaintiin. Tällä on vaikutusta motoristen taitojen ja tekniikan oppimiseen ja näkyy kömpelyytenä murrosiässä, koska vipuvarsien muutokset aiheuttavat tilapäisiä taidon ylläpito- tai oppimisvaikeuksia. Samoin vipuvarsien muutokset vaikuttavat voimantuotto-ominaisuuksiin. (Hakkarainen 2009 a). Lasten normaalia kasvua seurataan kasvukäyrien ja kasvunopeuden perusteella. Yksittäinen mittaus ei kerro paljoakaan, mutta pidemmän aikavälin seuranta antaa hyvän kuvan kehityksestä. Kehityksen normaali vaihteluväli on suuri, ja perintötekijät selittävät n. 75 % aikuispituudesta (Silventoinen ym. 2000), kasvurytmistä sekä muun kehityksen aikataulusta. Vanhempien pituuden perusteella voidaankin melko tarkasti arvioida lapsen lopullinen pituus. Myös ympäristötekijät, kuten riittävä ja oikeanlainen ravitsemus sekä uni ja fyysinen aktiivisuus vaikuttavat kehitykseen merkittävästi. (Hakkarainen 2009 a). Hormonien vaikutusta kasvuun käsitellään omassa luvussaan. Uudet (vuosina syntyneiden seurantaan perustuvat) kasvukäyrät (Kuva 3) otettiin käyttöön vuonna Aiempiin kasvukäyriin verrattuna lapset ovat imeväisiän jälkeen koko kasvukauden aiempaa pidempiä. Selkein ero näkyy murrosiän nopean kasvun aikana, jossa tytöillä kasvua on 11,5 vuoden iässä 2,8 cm ja pojilla 13-vuotiaina 5,6 cm enemmän kuin ennen. Murrosiän kasvupyrähdys on myös aikaistunut ja kasvukausi lyhentynyt. Aikuispituus on naisilla 1,9 cm (167,5 cm) ja miehillä 1,8 cm (180,7 cm) aiempaa suurempi. Muutosten arvellaan johtuvan parantuneesta ravitsemuksesta, imetyksen lisääntymisestä (imeväisiän kasvun nopeutuminen) ja sairastuvuuden vähenemisestä. (Sankilampi ym ). Paino. Paino kehittyy lapsilla ja nuorilla hyvin samalla tavalla pituuden kanssa, ja myös siinä on selkeästi havaittavat hidastumis-, kiihtymis-, ja huippu- sekä loppumisvaiheet. Painon kasvun huippu ajoittuu noin puolivuotta pituuden kasvuhuippua myöhemmäksi (pojilla 0,2 0,4 vuotta, tytöillä 0,3 0,9 vuotta). (Hakkarainen 2009 a). Pituuden tavoin myös paino saavuttaa periaatteessa aikuismittansa ennen 20. ikävuotta, tytöillä hieman poikia aiemmin. Käytännössä paino kuitenkin vaihtelee aikuisilla energiatasapainon ja elintapojen mukaan paljonkin. Ne aiheuttavat samalla muutoksia myös kehonkoostumuksessa. Uusien kasvunseurantatutkimusten mukaan myös suomalaislasten painossa on tapahtunut muutoksia edellisten kasvukäyrien tietoihin verrattuna, vaikkakin pituuden mukaiset mediaanikäyrät ovat hyvin yhteneväiset vanhojen käyrästöjen kanssa tytöillä 140 cm:iin (n. 10 vuotta) ja pojilla 155 cm:iin (n. 12 vuotta) asti. Tämän jälkeen pituuteen suhteutettu paino on keskimäärin hieman aiempaa suurempi. Varhaislapsuudessa (n. 6 kk 3 vuotta) pituuteen suhteutettu paino on hieman aiempaa pienempi, koska etenkin alle 2-vuotiaat lapset kasvavat enemmän pituutta suhteessa painoon kuin aiemmin. (Sankilampi ym ). Lapsuusajan ylipaino ja lihavuus lisäävät riskiä lihavuuteen myös aikuisena. Lasten painoseurannan tavoitteena onkin ravitsemuksen riittävyyden ja sairauksien diagnosoinnin lisäksi ehkäistä ylipainoon liittyviä terveydellisiä ja sosiaalisia riskejä. Lasten lihavuuden

12 70 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET SD 1SD 0SD -1SD -2SD Pituus (cm) SD SD 0SD -1SD -2SD Paino (kg) Ikä (v) SD 1SD 0SD -1SD -2SD Pituus (cm) SD SD 0SD -1SD -2SD Paino (kg) Ikä (v) Kuva 3. Suomalaisten poikien (ylempi) ja tyttöjen (alempi) pituus- ja painokäyrät, jotka perustuvat vuosina syntyneiden suomalaisten lasten kasvutietoihin (Saari ym. 2011,

13 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn BMI (kg/m²) Lihavuus Ylipaino Mediaani Alipaino Merkittävä alipaino Ikä (v) BMI (kg/m²) Lihavuus Ylipaino Mediaani Alipaino Merkittävä alipaino Ikä (v) Kuva 4. Poikien (ylempi) ja tyttöjen (alempi) iän mukainen BMI -käyrästö 2 18-vuotiaille (Saari ym. 2011,

14 72 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET yleistyessä tämä onkin entistä tärkeämpää. Syntymän jälkeen 0 2-vuotiailla seuranta tapahtuu kasvu käyrien avulla, mutta 2 18-vuotiailla painon seurantaan tulisi käyttää aikuisten tavoin laskettavaa kehon painoindeksiä (BMI = body mass index = paino/pituus 2 ). Lukemat eivät kuitenkaan ole suoraan vertailukelpoisia aikuisten indeksiin, koska lasten mittasuhteet ovat erilaiset ja muuttuvat koko kasvukauden ajan. Sen vuoksi 2 18-vuotiailla lapsilla ja nuorilla painoindeksiä arvioidaan käyttämällä ISO-BMI -laskuria, jossa painoindeksi muutetaan iän mukaisella kertoimella aikuista vastaavaksi. Kuvassa 4 on lasten iän mukainen BMI-käyrästö. Ylipainon ja lihavuuden rajaviivat vastaavat siis aikuisten painoindeksilukuja 25 ja 30 kg/m 2. On siis arvioitu, että jos lapsen painoindeksi on tuon raja-arvon yläpuolella ja kasvu jatkuu samanlaisena aikuisuuteen, hän on tuolloin BMI:n mukaan ylipainoinen. Välille sijoittuva BMI tarkoittaa lievää ja alle 16 jäävä BMI vakavaa alipainoisuutta. (THL-Raportti 49/2011). Kehonkoostumus. Kehon massan kasvu koostuu lihasten, rasvakudoksen sekä luuston ja muiden tukikudosten kasvusta. Lihasmassa lisääntyy lapsuudesta nuoruuteen asti tasaisesti kummallakin sukupuolella, mutta murrosiässä pojilla tapahtuva jopa kymmenkertainen testosteronimäärän kasvu lisää merkittävästi heidän lihasmassan kasvuaan. Tytöillä vastaavaa testosteronin lisääntymistä ei tapahdu, jolloin lihasmassan kasvu jatkuu hitaana ja jää poikia vähäisemmäksi. Pojilla lihasmassa kasvaakin puberteetin aikana noin kaksinkertaisesti tyttöihin verrattuna. Lihasmassan kasvunopeuden huippu on noin puoli vuotta pituuskasvuhuipun jälkeen eli tytöillä noin 12,5-vuotiaana ja pojilla noin 14,5-vuotiaana (eli painon kasvu huipun aikaan). Itse asiassa ilman harjoittelua tyttöjen rasvattoman kudoksen määrän kasvu tasaantuu ja lähes pysähtyy puberteetin alun jälkeen. Lihasmassa kasvu loppuu tytöillä vuotiaa na ja pojilla vuoden iässä. Murrosiän loppuun mennessä lihasmassa on lisääntynyt pojilla noin 42 %:sta n. 54 %:iin ja tytöillä n. 40 %:sta 45 %:iin kehon painosta. Kiloissa muutosta tapahtuu lapsuuden alle 10 kg:sta aikuisen naisen reiluun 20 kg:aan ja miesten yli 30 kg:aan. Tyttöjen rasvattoman massan määrä jää noin 70 %:iin poikien rasvattomasta massasta. (Hakkarainen 2009 a, Jenssen ym. 2000, Malina ym ja Poortmans ym. 2005). Syntymähetkellä lapsella on sekä aineenvaihdunnallisesti aktiivista ruskeaa rasvakudosta että passiivista valkeaa rasvakudosta. Ruskean rasvan määrä osuus vähenee, mutta valkoisen rasvakudoksen määrä kasvaa syntymästä aikuisuuteen sekä rasvasolujen määrän että koon kasvun seurauksena. Rasvasolujen koko kasvaa voimakkaasti etenkin kahden ensimmäisen elinvuoden aikana, jonka jälkeen kehitys tasaantuu. Murrosiässä sen sijaan rasvasolujen määrä voi moninkertaistua. Vaikka rasvamäärä on riippuvainen myös perimästä, on elintavoilla suuri merkitys. Lapsuuden aikaiset ravintotottumukset ja liikunnallinen aktiivisuus vaikuttavat merkittävästi rasvasolujen määrään ja kokoon, joihin on murrosiän jälkeen enää vaikeaa vaikuttaa. (Hakkarainen 2009 a). Siten etenkin lasten elintapoihin on syytä kiinnittää erityistä huomiota, jotta murrosiän ja aikuisuuden lihomistaipumusta voidaan ehkäistä. Rasvan määrä kasvaa melko tasaisesti lapsuudesta aikuisuuteen, mutta rasvan suhteellinen osuus kehittyy epätasaisemmin muun kehon kasvusta johtuen. Rasvaprosentti nousee nopeasti ensimmäisten elinvuosien aikana, jonka jälkeen se hieman laskee. Tytöillä lasku ei ole yhtä voimakas ja jo ennen murrosikää tytöillä on mm. ihopoimumittauksissa mitattu suurempia rasvamääriä kuin pojilla. Tytöillä ihopoimujen summa myös kasvaa heti lapsuudesta lähtien, mutta pojilla on havaittavissa lievää laskua aina n. 6. ikävuoteen asti, jonka jälkeen poikienkin ihopoimusumma lähtee nousuun (Malina ym. 2004, Nagy ym ja Wells ym. 2012). Kehonkoostumus alkaa puberteetista lähtien erilaistua sukupuolten välillä ensisijaisesti

15 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 73 hormonitoimintojen muutoksen vuoksi. Miehillä testosteronin lisääntyminen kiihdyttää proteiini synteesiä ja lihasmassan kasvua, kun taas naisilla estrogeeni lisää rasvan varastoitumista (erityisesti reisiin, lantioon ja rintoihin) ja rasvasolujen koon kasvua. Normaalipainoisilla pojilla rasvasolujen koko ei sen sijaan juuri kasva. Miehillä rasvatonta massaa on n. 1,5 kertaa enemmän kuin naisilla ja se kasvaa murrosiän aikana noin kaksi kertaa naisia enemmän. Naisilla puolestaan rasvamassa lisääntyy murrosiässä miehiin verrattuna kaksinkertaisesti. Murrosiän loppuun mennessä rasvaprosentti saavuttaa suunnilleen aikuisen tason ja tasaantuu miehillä noin 15 %:iin ja naisilla n. 25 %:iin. Naisten rasvamäärä on n. 1,5 -kertainen miehiin verrattuna. Naisilla rasvamassan lisääntyminen miehiä suuremmaksi on biologisesti tärkeää mm. normaalin naisen hormonitoiminnan vuoksi ja on myös valmistautumista raskauteen. Naisilla myös välttämättömän rasvan määrä on suurempi kuin miehillä (12 % vs. 3 %) ja n. 17 % pidetään edellytyksenä normaalille hormonitoiminnalle. (Hakkarainen 2009, Malina ym ja McArdle ym. 2015) Rasvaton massa (kg) Ikä Ikä Rasva massa (kg) Ikä Ikä Kuva 5. Kuvissa näkyy poikien (vasen) ja tyttöjen (oikea) rasvattoman massan ja rasvamassan kehitys keskimäärin lapsuudessa ja nuoruudessa (muokattu Wells ym. 2012).

16 74 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Hormonit Kasvuun vaikuttava hormonieritys. Ihmisen kasvuun ja kehitykseen vaikuttaa monimutkainen hormonaalinen säätelyjärjestelmä. Keskeisimpinä hormoneina kasvun säätelyssä ovat kasvuhormoni (GH) ja insuliininkaltainen kasvutekijä (IGF), jotka muodostavat keskinäisen, toisiinsa vaikuttavan säätely järjestelmän, sekä sukupuolihormonit ja kilpirauhashormoni. Prepubertaalinen kasvu on pääasiassa kasvuhormonin stimuloimaa raajojen kasvua, kun taas puberteetissa kasvua tapahtuu lähinnä androgeenien/estrogeenin stimuloimana selkärangan kasvuna. Kasvuhormonin eritys on tytöillä suurinta murrosiän (ja siihen liittyvän kasvu pyrähdyksen) alkupuolella, kun taas pojilla huippu ajoittuu murrosiän jälkipuolelle kasvupyrähdyksen loppuun. Murrosiän aikana lisääntyvä androgeenien ja estrogeenien eritys jouduttavat kasvulevyjen luutumista, minkä vuoksi pituuskasvu päättyy pian murrosiän jälkeen. (Hakkarainen 2009 a). GH - IGF-I -järjestelmä on tärkein syntymän jälkeisen kasvun säätelijä. Kasvuhormonin eritys on sykäyksittäistä, ja erityisesti sitä tapahtuu ruokailun jälkeen ja ensimmäisestä ikävuodesta alkaen unen aikana. Kasvuhormonin eritys vaikuttaa kasvu nopeuteen ja aikuispituuteen. Imeväisiän jälkeen GH:n pitoisuus on enimmäkseen pieni, mutta kasvupyrähdysten aikana sykäysten pitoisuus kasvaa (ei sykäysten tiheys). GH - IGF-I -järjestelmän aktiivisuus on puberteetissa lähinnä estrogeenien säätelemä myös miehillä, joilla testosteroni muokkautuu kehossa estrogeeniksi. (Perheentupa 1992). Myös kilpirauhashormoni (tyroksiini) on kasvulle välttämätön, sillä vajaus sen erityksessä johtaa kasvun pysähtymiseen tai vajaakasvuisuuteen. Tyroksiinivaje viivästyttää myös luuston ja lihaksiston kehitystä ja seksuaalista kypsymistä. (Malina ym. 2004). Hormonien lisäksi perintötekijät (geenit), ravitsemus ja ympäristötekijät vaikuttavat kasvuun. Säännöllinen ja riittävä uni, sopiva fyysinen kuormitus päivittäin ja hyvä ravitsemus edistävät kasvua. Fyysisen aktiivisuuden on todettu lisäävän etenkin kasvuhormonin ja IGF-I:n pitoisuuksia. Ennen harjoitusta nautittu rasvainen tai hiilihydraatti pitoinen ruoka näyttäisi kuitenkin estävän harjoituksen vaikutuksen kasvuhormonin erityksen. Sen sijaan proteiinipitoinen ravitsemus näyttäisi edistävät kasvua. (Riddel 2008). Sukupuolihormonit. Syntymähetkellä sukupuolihormonien tuotanto on hyvin vähäistä, mutta testosteronin pitoisuus kohoaa ensimmäisten kuukausien aikana pojilla niin, että kolmen kuukauden ikäisillä sitä on plasmassa noin puolet aikuisen miehen testosteronipitoisuudesta. Tästä pitoisuus laskee muutamassa kuukaudessa niin, että murrosikään asti pitoisuus pysyy hyvin alhaisena (n. 0,2 nmol/l). Murrosiän alkuun asti tyttöjen ja poikien (sukupuoli)hormonien eritys onkin hyvin samanlaista, vaikka testosteroni (sikiöaikainen eritys) lieneekin syynä poikien suurempiin syntymä pituuksiin. (Mero ym. 2004). Murrosiässä sukupuolihormonien eritys moninkertaistuu. Murrosikä alkaa, kun hypotalamus alkaa vähitellen erittää yhä enemmän GnRH -hormonia (gonadotropin-releasing hormone), joka lisää aivolisäkkeen etulohkon LH (luteinisoiva hormoni) ja FSH (follikkelia stimuloiva hormoni) -hormonien eritystä. Nämä hormonit stimuloivat androgeenien ja estrogeenien tuotantoa munasarjoissa ja kiveksissä. Puberteetin aikana testosteronin pitoisuus kohoaa pojilla vähitellen aikuisen tasolle (14 38 nmol/l) niin, että aikuisen miehen alaraja saavutetaan n. 14 vuoden ikäisenä. Murrosikäisillä tytöillä ja aikuisilla naisilla testosteronipitoisuus vaihtelee 1 6 nmol/l arvoissa. Testosteronin eritys on lievästi sykäyksittäistä, mikä näkyy arvojen pieninä vaihteluina. Suurin osa miesten testosteronista erittyy kiveksistä ja n. 5 % lisämunuaisista. Naisilla testosteroni on peräisin lisämunuaisista sekä hieman myös munasarjoista. Testosteroni saa murrosiässä aikaan miehisten sukupuoliominaisuuksien kehityksen. Lisäksi se

17 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 75 vaikuttaa lihaksiston ja luuston kasvuun (voima) sekä erytropoietiinin erityksen välityksellä punasolujen muodostumiseen. Näin sillä onkin suuri merkitys myös suorituskyvyn kannalta. (Hakkarainen 2009, Malina ym ja Mero ym. 2004). Naisten munasarjat tuottavat estrogeenejä (estradioli, estroni ja estrioli) ja progesteronia, jotka säätelevät naisten kehitystä ja mm. kuukautiskiertoa murrosiän alun jälkeen. Ennen murrosikää estrogeenipitoisuudet ovat lähes nollassa sekä tytöillä että pojilla. Estrogeenipitoisuus alkaa tytöillä kohota esimurrosiässä n vuotiaana ja voimakas lisääntyminen tapahtuu ikävuosien aikana. Pojilla estrogeenipitoisuus sen sijaan pysyy matalana, mutta myös heillä tapahtuu pieni lisäys murrosiässä, mikä on edellytyksenä pituuskasvun normaalille kiihtymiselle. Estrogeenin vaikutuksesta tyttöjen rinnat ja kohtu alkavat kasvaa, kehon rasva pitoisuus lisääntyy ja luusto kypsyy. Kehonkoostumukseen vaikuttava hormonieritys. Kasvuhormonin on joissain tutkimuksissa todettu olevan yhteydessä myös kehonkoostumukseen ja kasvuhormonin erityksen ja paino indeksin tai rasvaprosentin välillä on havaittu käänteinen yhteys lapsilla. Sen sijaan toisin kuin aikuisilla, yhteyttä kasvuhormonin ja viskeraalisen eli sisäelinten ympärillä olevan rasvan välillä ei ole havaittu nuorilla. Testosteronin vaikutuksesta poikien luusto ja lihakset kasvavat huomattavasti samalla, kun rasvan määrä vähenee. Pojilla rasvattoman massan lisääntyminen ylittääkin huomattavasti kokonaispainon lisääntymisen ja aikuisena miesten rasvattoman massan määrä on keskimäärin 1,5-kertainen naisiin verrattuna (n. 33 kg vs. 21 kg). (Janssen ym ja Rogol & Roemmich 2003). Testosteronin lisäksi kasvuhormoni, somatomediinit, insuliini, tyroksiini, kortisoli ja glukokortikoidit (anabolisten ja katabolisten hormonien tasapaino) vaikuttavat normaaliin somaattiseen kasvuun ja lihaskasvuun. Normaalilla terveellä lapsella niiden merkitys lienee testosteroniin verrattuna vähäinen. Kasvun hidastumisen jälkeen rasvan kerääntyminen jatkuu molemmilla sukupuolilla. Naisilla rasvan kertyminen on kuitenkin estrogeenin stimuloiman lipoproteiinilipaasin vuoksi kaksi kertaa nopeampaa kuin miehillä. Leptiini on merkittävästi kehonkoostumukseen ja etenkin rasvan aineenvaihduntaan ja energiatasapainon säätelyyn vaikuttava hormoni, jota erittyy rasvasoluista (etenkin ihonalaisesta rasvakudoksesta). Ruokahalua hillitsevän vaikutuksen lisäksi leptiini vaikuttaa puberteetin alkamiseen ja sukupuolisen kypsyyden sekä lisääntymiskyvyn saavuttamiseen. Kehon rasvan määrä ja leptiinipitoisuus ovat vahvasti yhteydessä toisiinsa. Kun kehon rasvan määrä kasvaa, myös leptiinin eritys lisääntyy, mikä toimii yhtenä signaalina myös puberteetin ja mm. kuukautisten alkamiselle. Tytöillä leptiinipitoisuus nousee tasaisesti, mutta pojilla seerumin leptiini pitoisuus nousee kahdessa vaiheessa ennen puberteettia ja sen alkuvaiheessa. Pojilla leptiinitasot kuitenkin laskevat pian androgeenien erityksen lisäännyttyä. Testosteroni vähentää leptiinin eritystä ja kehon rasvapitoisuus laskee ja lihasmassa lisääntyy. Sen sijaan estrogeenin ja leptiinin välillä on positiivinen korrelaatio. Leptiinitasot ovatkin tytöillä aina poikia korkeampia, myös syn tymän jälkeen lapsuudessa. (Kiess ym. 1999). Urheilun ja liikunnan vaikutus kasvuun ja kehitykseen Yleisesti ottaen säännöllinen liikunta lapsuudessa on terveellistä, jopa välttämätöntä, ja edistää lihaksiston ja luuston kehitystä, parantaa kehon koostumusta, kehittää hengitys- ja verenkiertoelimistön toimintaa sekä insuliiniaineenvaihduntaa. Lisäksi se vähentää todennäköisyyttä lihavuuteen sekä rasva- ja sokeriaineenvaihdunnan häiriöihin myöhemmälläkin iällä. Toisaalta intensiivisen harjoittelun vaikutuksesta kasvuun ja kehitykseen on monenlaisia ja jopa ristiriitaisia näkemyksiä. Selvää on kuitenkin se, että oikeanlainen ja riittävä ravitsemus ovat ensi-

18 76 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET sijaisen tärkeitä kasvavilla ja tavoitteellisesti harjoittelevilla nuorilla, jotta kasvun ja kehityksen häiriöiltä vältytään. (Georgopoulos ym. 2004). Maltillisen ja määrältään kohtuullisella liikunnalla ei ole havaittu negatiivisia vaikutuksia lasten ja nuorten kasvuun ja kypsymiseen. Sen sijaan varhainen altistuminen kovalle fyysiselle ja psyykkiselle stressille saattaa vaikuttaa kehitykseen. Yhtenä rajana pidetään yli 18 tunnin intensiivistä harjoittelua viikossa, joka saattaa altistaa muutoksille mm. pituuskasvussa, luuston kypsymisessä ja puberteetin kehityksessä. Tämä koskee nimenomaan intensiivistä harjoittelua, eikä kokonaisaktiivisuutta, jota suositusten mukaan tulisi 7 18-vuotiailla ollakin 1 2 tuntia päivässä (Lasten ja nuorten liikunnan asiantuntijaryhmä 2008). Kehitykseen vaikuttava fyysinen kuormitus riippuu monesta tekijästä kuten harjoituksen tyyppi, intensiteetti ja kesto sekä harjoittelun aloittamisikä. (Georgopoulos ym. 2004). Pituuskasvu on pitkälti geneettisesti määräytyvä ominaisuus, jonka maksimaalisen potentiaa lin saavuttaminen vaatii kuitenkin suotuisat olosuhteet. Urheilulajit, jotka vaativat hoikkaa ulkomuotoa ja tiukkaa energiakontrollia altistavat helposti energiavajeelle, mikä puolestaan altistaa sille, että pituuskasvu jää vajaaksi. Heikentynyt pituuskasvu on kuitenkin erotettava geneettisestä alttiudesta ja lajiin valikoitumisesta. Urheilulajit, joissa pienikokoisuudesta on hyötyä suosivat sellaisia urheilijoita, jotka ovat luonnostaan mm. lyhempiä ja kypsyvät myöhemmin ja tällaiset henkilöt valikoituvat helpommin lajin pariin. Voimistelijoita tutkittaessa havaittiin, että miestelinevoimistelijat jäivät selkeästi ennustepituuttaan lyhemmiksi, kun taas naisilla luuston kypsyminen ja pituuskasvu olivat vain ikätovereihin verrattuna myöhäisemmässä. Naiset kuitenkin saavuttivat ja rytmisessä voimistelussa jopa ylittivät ennustepituutensa, mutta vain ikätovereitaan myöhemmin. (Georgopoulos ym. 2004). Pituuskasvu, puberteetti ja biologinen kypsyminen ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. Intensiivinen fyysinen harjoittelu näyttää viivästyttävän luuston kypsymistä (luustoikä) ja urheilijoiden puberteetin aikataulu näyttäisi seuraavan ennemmin luustoikää kuin kalenteri-ikää. Toki toiset lajit suosivat aikaisin kypsyviä, kun taas toiset suosivat myöhään kypsyviä. Erityisesti alhainen kehonpaino yhdistettynä matalaan rasva prosenttiin ja kovaan fyysiseen harjoitteluun viivästyttävät puberteetin alkua vaikuttamalla hypotalamuksen ja aivolisäkkeen toimintaan. Tämä näkyy mm. naisilla myöhemmin alkavina kuukautisina sekä rintojen ja häpykarvoituksen kasvun viivästymisenä. Puberteetin kesto pysyy kuitenkin samana kuin urheilua harrastamattomilla ja esimerkiksi rintojen kehitys Tannerin tasolta II tasolle IV kestää keskimäärin vajaan kaksi vuotta. (Georgopoulos ym. 2004). Liikunta edistää luun muodostusta ja lisää etenkin luuntiheyttä. Eräässä tutkimuksessa liikunnallisilla pojilla havaittiin 9 % ja tytöillä 17 % suurempi luun mineraalimäärä inaktiivisiin ikätovereihin verrattuna. Suurin vaikutus on paljon iskutyyppistä (juoksu, yleisurheilun hypyt, telinevoimistelu, lentopallo) tai painoa kannattelevaa ja suunnanmuutoksia kovalla alustalla (tennis) sisältävää kuormitusta sisältävissä lajeissa. Ravitsemuksella on kuitenkin myös luuston kehityksessä suuri merkitys ja riittävä kalsiumin energian saanti on varmistettava. Energiavaje viivästyttää luuston kypsymistä ja altistaa mm. estrogeenivajeen vuoksi osteopenialle ja osteoporoosille. Viivästyneestä luun kypsymisestä huolimatta luuntiheys on urheilevilla nuorilla todettu normaaliksi, kun sitä verrataan luustoikään kalenteri-iän sijaan, ja loppu tuloksena onkin liikunnan positiivinen kokonaisvaikutus luun kertymiseen. (Georgopoulos ym ja Rogol ym. 2000). Voimaharjoittelun soveltuvuudesta lapsille on kiistelty paljon, koska sen on oletettu vaikuttavat kasvuun ja mm. rustolevyjen luutumiseen sekä altistavan vammoille. Näitä väitteitä ei kuitenkaan ole yleisesti tutkimuksissa kyetty todentamaan, vaan voimaharjoittelun on todettu oikein toteutettuna soveltuvan hyvin myös lap-

19 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 77 sille, lisäävän heidän voimaominaisuuksiaan ja jopa suojaavan vammoilta tukikudosten vahvistumisen myötä. Se myös parantaa kehonkoostumusta ja erityisesti tytöille sitä suositellaan myös ehkäisemään osteoporoosia. Lasten ja nuorten voimaharjoittelussa on kuitenkin huomioitava erityisesti muutamia tärkeitä seikkoja. Välineet tulisivat olla turvallisia sekä oikean kokoisia ja harjoittelu tulee suorittaa osaavan ohjaajan valvonnassa ja ohjeistuksella. Muuten riski tukija liikuntaelinvammoihin kuten epifyysilevyjen murtumille, välilevytyrään ja ala selän murtumille kasvaa. Voimaharjoittelu tulee olla osa laajempaa motoristen taitojen opettelua ja kunnon kehittämistä. Aloitettaessa voima harjoittelua kuntopiirityyppinen harjoittelu on suositeltavaa ja liikkeet tulisi olla dynaamisia konsentrisia liikkeitä, jotka suoritetaan koko liikelaajuudella. Maksimaalisia painoja ei tulisi juurikaan käyttää alkuvaiheessa. Harjoittelussa tulee huomioida myös lapsen ikä ja kehitys taso sekä erityisesti aiempi voimaharjoittelutausta. Voimaharjoittelua aloitettaessa (ensimmäistä kertaa tai tauon jälkeen) tai uuden ohjelman alettua tulisi ensin suorittaa 2 4 viikon totuttelu jakso. Tällä jaksolla voimaharjoittelua tulisi tehdä vähintään pari kertaa viikossa ja sen tulisi sisältää perusharjoitteita pienillä määrillä: 1 2 sarjaa ja toistomaksimin (RM) kuormalla. Myös palautumisajan voimaharjoitusten välillä tulisi olla riittävä (vähintään 48 h). Liikkeet tulee ohjeistaa ja näyttää hyvin, ja kuormaa voidaan lisätä maltillisesti vasta sen jälkeen, kun liike on hyvin hallinnassa. Kokeneempi harjoittelija voi tehdä kovempitehoisempaakin voimaharjoittelua, mutta todella suuria painoja ja eksentristä harjoittelua tulisi etenkin puberteetin aikana välttää. (Matos & Winsley 2007). Suorituskyky PERUSTAIDOT Perustaidot kuten juokseminen, hyppääminen ja heittäminen ovat kaikkien liikuntasuoritusten perusta. Ne kehittyvät lapsen varhaisen kasvun ja kehityksen myötä itsestään, mutta kehitys ei välttämättä ole tasaista eikä tapahdu kaikilla yhtä nopeasti tai samalla tavalla. Kehon koon, lihaksiston ja muun biologisen ja kognitiivisen kypsymisen lisäksi kehitykseen vaikuttaa mm. perimä ja ympäristön tarjoamat virikkeet ja mahdollisuudet erilaisten taitojen harjoittamiselle. Yleensä nämä tilan, paikan ja ajan hahmotusta vaativat taidot kehittyvät melko hyviksi jo ennen kouluikää, mutta merkittävää kehitystä tapahtuu vielä ensimmäisinä kouluvuosinakin. (Malina ym. 2004). Yleensä poikien motorinen suorituskyky on hieman tyttöjä parempi, mutta yksilölliset ero voivat olla suuriakin. Juoksu ja hyppääminen eteenpäin opitaan melko yhtäaikaisesti. Pojat oppivat yleensä aiemmin olan yli heiton ja potkaisemisen, kun taas tytöt oppivat nopeammin hyppimään ylöspäin ja heittämään. Vaikka kiinnioton varhaistaitotasot saavutetaan myös melko yhtäaikaisesti, niin tytöt saavuttavat kiinnioton täyden taitotason poikia aikaisemmin. Taitojen kehittyminen kuvastanee jonkin verran myös tyttöjen ja poikien välisiä kulttuurieroja ja eroja ympäristön tarjoamissa harrasteissa. (Malina ym. 2004). VOIMA Lapsena sekä tytöillä että pojilla voimaominaisuudet kehittyvät luonnostaan lihasmassan kasvun ja hermoston kypsymisen myötä eikä voiman kehittymisessä ole sukupuolten välillä juurikaan eroa ennen murrosikää (Kuva 6). Vaikka lihasmassan kasvu on kasvu- ja sukupuolihormonien vähyyden vuoksi rajallista ennen murrosikää, voivat lapset ja esimurrosikäiset nuoret parantaa voimatasojaan harjoittelun avulla % normaalin kasvun muka-

20 78 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Voima (N/kg) Pojat Tytöt 5 0 Esimurrosikä Puberteetin alku Pituuskasvun huippu Puberteetin loppu Puberteetin jälkeen Kuva 6. Voiman lisääntyminen pojilla (sininen) ja tytöillä (punainen) kehityksen eri vaiheissa ilman harjoittelua (mukailtu Wilmore & Costill 2004). na tulevan kehityksen lisäksi. Ennen murrosikää voiman lisääntyminen tapahtuu pääasiassa hermostollisen kehityksen kautta ja lihasmassan kasvu lisääntyy puberteetin edetessä. (Matos & Winsley 2007). Murrosiän hormonaaliset muutokset ja etenkin poikien testosteronin määrän moninkertaistuminen lisää lihasmassaa luonnostaan ja mahdollistaa sen lisääntymisen myös harjoittelun kautta. Tämän ansiosta myös voiman kehityksessä tapahtuu selkeä harppaus. Voiman kasvun huippunopeus on noin vuoden pituuden kasvu piikin jälkeen eli tytöillä noin 13-vuotiaana ja pojilla vastaavasti 15-vuotiaana. Aikaväli 1 3 vuotta pituuskasvun huipun jälkeen onkin erityisen otollinen aika voiman kehittämiseen. (Hakkarainen 2009 a). Tytöillä lihasmassan ja voiman lisäys on huomattavasti tasaisempaa eikä poikien kaltaista hyppäystä tule. Tytöillä ja naisilla voima kehittyykin suhteessa poikiin ja miehiin enemmän hermostollisen adaptaation kuin lihaksen kasvun kautta ja suurin osa naisten ja miesten välisistä voimaeroista selittyy nimenomaan eroissa rasvattoman massan määrässä. Murrosiässä poikien hartiat levenevät ja heidän ylävartalonsa kehittyykin yleensä vahvemmaksi suhteessa alaraajoihin. Tytöillä puolestaan on alavartalon lihaksissa enemmän suhteellista voimaa kuin ylävartalossa. NOPEUS Voiman lisäksi myös nopeuden kehittyminen on optimaalisinta silloin, kun hermosolujen myelini saatio on saavuttanut riittävän tason. Nopeuden kehittyminen on voimakkaasti yhteydessä voiman ja koordinaation kehittymiseen, vaikkakin myös perimällä on ratkaiseva rooli. Nopeuden kehittymisen herkkyyskausi ajoittuu kymmenen ikävuoden molemmin puolin. Lapsuudessa laiminlyödyn nopeusharjoittelun puutteita on myöhemmin vaikea paikata. Erityisesti reaktionopeuden kehitys on voimakasta ikävuoden välillä. Lasten adenosiinitri fosfaatti- (ATP) ja fosfokreatiinipitoisuudet levossa ovat suhteellisesti yhtä suuret kuin aikuisilla, joten energialähteet eivät rajoita lasten suorituskykyä alle 15 s suorituksissa. (Mero 1998) Juoksunopeus kehittyy molemmilla sukupuolilla melko tasaisesti ikävuoden välil-

21 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 79 lä, mutta tämän jälkeen kehityksessä on voimakasta yksilöllistä vaihtelua ja sukupuolten väliset erot kasvavat. Noin 14-vuotiaasta lähtien poikien juoksunopeus ja hyppykorkeus kehittyvät selkeästi tyttöjä nopeammin. Pojat ovatkin murrosiästä lähtien keskimärin nopeampia juoksussa kuin tytöt, mikä selittyy suurimmaksi osaksi poikien suuremmalla lihasmassalla, voimalla ja askelpituudella. (Malina ym. 2004; Mero ym. 2004, 2007). Murrosiän alettua tytöillä on enemmän vaikeuksia askelpituuden ja pojilla askel tiheyden kehittämisessä. Erot selittyvät murros iän aiheuttamilla muutoksilla kehossa. Pojilla kehon ja vipuvarsien nopea pituuden muutos aiheuttaa tilapäistä kömpelyyttä ja alentaa liike tiheyttä. Tytöillä nämä muutokset eivät ole yhtä voimakkaita, mutta lantion leveneminen vaikuttaa juoksun ja muun liikkumisen biomekaniikkaan hidastaen askelpituuden kehitystä. (Hakkarainen 2009 a). ANAEROBINEN SUORITUSKYKY Energia-aineenvaihdunta. Intensiivisenkään liikunnan aikana lapset eivät saavuta yhtä korkeita laktaattipitoisuuksia, ph jää korkeammalle ja heidän suorituskykynsä mm. Wingaten 30 s maksimaalisessa polkupyöräergometritestissä on heikompi kuin aikuisilla. Lisäksi lapsilla on mitattu korkeampia adenosiinidifosfaatti -pitoisuuksia liikunnan jälkeen, koska ATP:n uudismuodostus anaerobisen energiantuoton kautta on aikuisia heikompaa. Nämä osoittavat sen, että lasten glykolyyttinen kapasiteetti on vielä kehittymätön ja anaerobinen suorituskyky heikompi kuin aikuisilla. (Riddell 2008). Heikompaa anaerobista kapasiteettia ja matalammalle jääviä laktaattipitoisuuksia lapsilla selittävät mm. tärkeiden anaerobisen energiantuottojärjestelmän entsyymien (laktaattidehydro genaasin ja fosfofruktokinaasin) alhaisemmat määrät, pienempi suhteellinen lihasmassa, suhteellisesti suurempi nestetilavuus laktaatin diffusoitumiseen sekä suurempi turvautuminen aerobiseen energiantuottoon. Lapsilla onkin tutkimuksissa mitattu merkittävästi alhaisempia hengitysosamääriä (RER) aikuisiin verrattuna, mikä osoittaa suurempaa rasvojen ja pienempää hiilihydraattien käyttöä energiaksi suhteellisesti samalla kuormitustasolla (ks. myös seuraava luku) (Riddell 2008). Myös hormonit vaikuttavat lasten energia-aineenvaihduntaan. On havaittu, että murrosikäisille nuorille kehittyy eräänlainen insuliiniresistenssi. Mahdollisesti tämä johtuu kasvaneista kasvuhormoni-, IGF-I- ja katekolamiinipitoisuuksista, jotka vastavaikuttajahormoneina vähentävät insuliinin vaikutusta. Glukoosin käyttökyky itsessään ei kuitenkaan ole heikentynyt, sillä suun kautta nautittua glukoosia nuoret käyttävät energiaksi jopa tehokkaammin kuin aikuiset. Sen sijaan mm. maksan glykogeenivarastot eivät täyty yhtä tehokkaasti kuin aikuisilla, eikä varastoja myöskään käytetä yhtä herkästi. (Riddell 2008). Lapset palautuvat korkeatehoisista suorituksista nopeammin kuin aikuiset. Asiaa voidaan tarkastella monesta näkökulmasta, mutta periaatteessa lasten nopeampi palautuminen johtuu siitä, että heillä on vähemmän mistä palautua. Lasten hermo-lihasjärjestelmä on kehittymätön, minkä vuoksi he eivät kykene rekrytoimaan ja käyttämään rekrytointijärjestyksessä ylemmän tason glykolyyttisiä motorisia yksiköitä. Tämän vuoksi lihassupistuksen nopeus sekä suhteellinen voimantuotto ja näin ollen maksimaalinen tehontuotto jää lapsilla aikuisia matalammaksi. Lisäksi maksimiteho saavutetaan aikaisemmin suhteessa omaan maksimiin. Koska lihas ei väsy yhtä paljon, se myös palautuu nopeammin. On kuitenkin viitteitä myös siitä, että EMG:llä mitattu lihasaktiivisuus palautuu lapsilla aikuisia nopeammin. Suhteessa suurempi turvautuminen hitaampiin ja aerobisempiin motorisiin yksiköihin sekä matalampi tehon tuotto selittävät myös energianlähteiden nopeampaa palautumista sekä pienempää vaihtelua happo-emästasapainossa. (Falk & Dotan 2006). Kuten jo edellä on todettu, maksimaalinen laktaattipitoisuus jää lapsilla aikuisia matalammaksi. Laktaattihuippu myös saavutetaan nopeammin, koska kuljetusmatkat ovat lyhem-

22 80 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET mät (suurempi kapillaaritiheys), jolloin laktaatti siirtyy verenkiertoon nopeammin. Lasten laktaatti palautuu nopeammin siis enimmäkseen sen vuoksi, että nopeampi maksimilaktaatin saavuttaminen suorituksen jälkeen antaa etumatkaa palautumiseen ja koska poistettavaa laktaattia on kokonaisuudessaan vähemmän. (Falk & Dotan 2006). Pienemmän lihaksen poikkipinta-alansa vuoksi kapillaaritiheys on aikuisia suurempi, jolloin lihaksen ja veren väliset siirtymämatkat ovat lyhempiä kuin aikuisilla. Näin ollen aineenvaihduntatuotteet (esim. laktaatti, vetyionit, hiilidioksidi) siirtyvät lihaksesta nopeammin verenkiertoon. Nopeammin saavutettavan laktaattihuipun lisäksi tämä selittää myös nopeampaa hapenoton kinematiikkaa. Hapenoton, ventilaatiotiheyden ja sykkeen onkin todettu lapsilla palautuvan aikuisia nopeammin. Tärkeänä tekijänä lasten nopeammassa palautumisessa on myös aikuisia suurempi aerobisen energiantuotto järjestelmän käyttö, josta kerrotaan tarkemmin seuraavassa luvussa. (Falk & Dotan 2006). Laktaatin tuottokyky, joka kuvastaa koko anaerobisen energiantuottojärjestelmän toimintaa on etenkin pojilla vahvasti yhteydessä testosteronitasoon ja II-tyypin lihassolujen pinta-alaan. Anaerobinen suorituskyky ja energiantuotto ovatkin yhteydessä lapsen kehitykseen ja ne muuttuvat murrosiän loppuun mennessä aikuisen tasolle. (Mero 1988). Suurin muutos tapahtuu murrosiän keski- ja myöhäisvaiheessa, jolloin myös tyttöjen ja poikien erot kasvavat. Murrosikään asti tyttöjen ja poikien anaerobinen suorituskyky on absoluuttisina maksimitehoina ilmaistuna hyvin samanlainen, jonka jälkeen pojat ohittavat suorituskyvyssä tytöt. Painoon suhteutettu maksimiteho alkaa kuitenkin eriytyä jo n. 10. ikävuoden jälkeen. Tyttöjen aikaisempi murrosikä selittää eron. (Wilmore & Costill 2004). Harjoittelun vaikutus anaerobiseen suorituskykyyn. Lasten anaerobinen suoritus kyky paranee murrosiän loppuun asti luonnostaan ilman harjoitteluakin. Harjoittelulla kyetään kuitenkin vielä merkittävästi parantamaan tätä kehitystä. Harjoittelu lisää lasten anaerobista kapasiteettia, joka näkyy mm. parempana suorituskykynä 30 s maksimaalisessa polkupyöräergometritestissä. Keskitehossa on mitattu 3 10 % ja huipputehossa 4 20 % parannuksia harjoittelun seurauksena lapsilla ja nuorilla. Kaikkia kehityksen takana olevia mekanismeja ei vielä tunneta, mutta harjoittelu lisää ainakin glykolyyttisten entsyymien kuten fosfofruktokinaasin aktiivisuutta. Myös voiman ja lihasmassan lisääntymisellä on merkitystä anaerobiseen kehitykseen. Sen sijaan anaerobisessa suorituksessa saavutettu veren maksimaalinen laktaattipitoisuus ei näyttäisi harjoittelun jälkeen juurikaan kasvavan. (Matos & Winsley 2007). Lapset ja nuoret ovat aineenvaihdunnallisesti mukautuvia harjoitteluun. Positiivisia bio kemiallisia ja suorituskyvyllisiä harjoitusvaikutuksia anaerobiseen tehoon voidaan saavuttaa hyvin monenlaisella harjoittelulla. Sekä puhtaalla anae robisella harjoittelulla, että siihen yhdistetyllä aerobisella, voima tai plyometrisellä harjoittelulla on saatu hyviä tuloksia. Lapsille ja nuorille suositellaankin vaihtelevia harjoituksia, joissa lyhyisiin intensiivisiin suorituksiin (sprintti juoksu/pyöräily, hypyt, heitot, plyometria; suorituksen kesto nostetaan vähitellen s:iin) yhdistetään submaksimaalista aerobista tekemistä. Hyvien tulosten saamiseksi kolme min harjoitusta (paljon nopeutta ja aerobista, mutta vähän maitohapollista) viikossa on riittävä. Vaihtelevat ja monipuoliset harjoitukset ylläpitävät lasten ja nuorten harjoittelumotivaatiota ja kiinnostusta. Oikein tehtynä ja hyvin ohjattuna anaerobinen harjoittelu on turvallista eikä haittaa esimerkiksi lapsen kehitystä, mutta liiallisesti ja väärin tehtynä se altistaa vammoille ja yliharjoittelulle sekä voi vähentää kiinnostusta urheiluun. Maitohappoa tuottava kovatehoinen anaerobinen kapasiteettiharjoittelu onkin hyvä aloittaa systemaattisesti vasta murrosiän jälkeen, kun harjoittelun

23 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 81 perusta on luotu hyväksi ja mm. munuaisten kyky poistaa syntynyttä maitohappoa ja kuona-aineita paranee (Hakkarainen 2009 a ja Matos & Winsley 2007). Kuvassa 7 on esitetty aerobisen ja anaerobisen energiantuottojärjestelmän kehittyminen ilman harjoittelua. AEROBINEN SUORITUSKYKY Energia-aineenvaihdunta. Kuten edellä todettiin, lapset turvautuvat liikunnan aikana suurimmaksi osaksi aerobiseen energiantuottoon. Lapsilla ja nuorilla aerobisen energiantuottojärjestelmän (oksidatiivisen fosforylaation) teho on suurempi kuin aikuisilla, mikä johtunee paremmasta hapen jakelusta työskenteleviin lihaksiin ja suuremmasta aerobisten energianlähteiden käytöstä. Lapset pystyvät käyttämään rasvaa paremmin energiaksi liikunnan aikana. Tämä näkyy mm. lasten aikuisia matalampina hengitysosamäärinä (RER) tietyllä suhteellisesti samalla kuormitustasolla. Lisäksi ei-urheilevat lapset saavuttavat maksimaalisen rasvojen käyttötehon korkeammilla kuormilla kuin ei-urheilevat aikuiset (40 70 % VO 2max vs % VO 2max (urheilijoilla 63 %)) ja rasvojen hapetus on tuolloin suurempaa (8 vs. 5 mg/rasvaton paino kilo/min). (Riddel 2008). Rasvojen lisäksi lapset ja nuoret käyttävät energian lähteenään aikuisia enemmän kehon ulkopuolelta (ravinnosta ja juomasta) tulevia hiilihydraatteja, mikäli sellaisia liikunnan aikana nautitaan. Sen sijaan maksan ja lihasten hiilihydraattivarastot ovat heillä pienemmät kuin aikuisilla ja myös niiden hyödyntäminen energianlähteenä vähäisempää. Ei ole kuitenkaan näyttöä siitä, että lapset ajautuisivat hypoglykeemiseen tilaan liikunnan alussa, etenkään, mikäli he ovat ruokailleet normaalisti ennen sitä. Liikunnan aikana nautituilla urheilujuomilla tai vastaavilla saattaa olla apua suorituskyvyn kan- 110 Maksimaalinen energiankulutus, % aikuisen arvosta ANAEROBINEN AEROBINEN Ikä, vuotta 16 Kuva 7. Tyttöjen ja poikien aerobisen ja anaerobisen suorituskyvyn kehitys % -aikuisen arvoista ilman harjoittelua (muokattu Zwiren 1989).

24 82 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET nalta, mutta ne eivät siis missään nimessä ole välttämättömiä. (Riddel 2008). Energia-aineenvaihdunnassa tapahtuu puberteetin aikana merkittäviä muutoksia. Etenkin puberteetin loppuvaiheessa tapahtuu selkeä muutos oksadatiivisesta aineenvaihdunnasta anaerobisempaan suuntaan. Muutos on selkeämpi pojilla kuin tytöillä. Samaan aikaan kun lihasten ja maksan glykogeenivarastojen hyödyntäminen energianlähteenä lisääntyy, vähenee kyky hyödyntää rasvoja ener giana. Murrosiän loppuun asti rasvojen hapetus kyky on tytöillä ja pojilla yhtä suuri, mutta murrosiän jälkeen RER -arvot ovat tytöillä hieman suurempia. Estrogeenillä ei kuitenkaan näyttäisi olevan tekemistä asian kanssa, sillä yli puolet pienemmästä estrogeenimäärästä huolimatta nuorilla tytöillä rasvojen käyttö on tehokkaampaa kuin aikuisilla naisilla. (Riddel 2008). Hapenottokyky. Lasten taloudellisuus on heikompi kuin aikuisilla, minkä vuoksi he kuluttavat keskimäärin enemmän happea liikuntasuorituksen aikana kuin aikuiset. Taloudellisuuden heikkous johtuu mm. kehon mittasuhteista sekä koordinaation ja hermolihas-järjestelmän toiminnan kehittymättömyydestä. Myös lepoaineenvaihdunta on heillä vilkkaampaa ja leposyke on osin pienemmän iskutilavuuden vuoksi korkeampi kuin aikuisilla. Leposyke minuutissa on pienillä lapsilla , koululaisilla ja nuorilla (Jalanko 2004). Sydämen kasvaessa ja iskutilavuuden suurentuessa syke laskee. (Zwiren 1989). Maksimaalista hapenottokykyä (VO 2max ) käytetään yleisesti aerobisen suorituskyvyn mittarina. Se ilmaistaan yleensä suhteessa kehonpainoon (ml/kg/min) etenkin lajeissa, joissa kehonpainoa joudutaan kannattelemaan. Lapsilla tämä ei kuitenkaan päde kovin hyvin, sillä kehonkoostumuksessa tapahtuu suuria muutoksia, ja painon sekä hapenottokyvyn suhde vaihtelee suuresti eri-ikäisillä. Maksimaalisen hapenottokyvyn ja suorituskyvyn välillä ei siis ole lapsilla yhtä suoraa yhteyttä kuin aikuisilla ja muiden tekijöiden vaikutus suorituskykyyn on hapenotto kykyä merkittävämpi. Suorituskykyyn vaikuttaa enemmän mm. kynnysarvot, hengityksen tehokkuus, submaksimaaliset hapen ottoja sykearvot, happimuuttujat ja/tai anaerobinen kapasiteetti. (Zwiren 1989). Hapenottokykyä rajoittavat lapsuudessa mm. sydämen ja keuhkojen kehittymättömyys, jonka vuoksi mm. iskutilavuus jää huomattavasti aikuisia matalammaksi ja hengitystilavuudet pienemmiksi. Absoluuttinen hapenottokyky (l/ min) kehittyy lapsilla ja nuorilla iän ja muun kehityksen mukana, kun keuhkot, sydän, verisuonet ja lihakset kasvavat ja vahvistuvat. Tyttöjen ja poikien kehitys on n. 12. ikävuoteen asti samanlaista, mutta tämän jälkeen tytöt alkava jäädä kehityksessä jälkeen. Tytöt saavuttavatkin hapenottokyvyn huipun jo vuotiaina kuukautisten alettua, jonka jälkeen kehitys tasaantuu ja kääntyy jopa laskuun. Liikuntaaktiivisuuden väheneminen voi ainakin osittain selittää kehitystä, mutta samansuuntaista kehitystä nähdään myös harjoittelevilla naisilla. Pojilla absoluuttisen hapenottokyvyn kehittyminen jatkuu aina murrosiän loppuun asti ja hapenottokyvyn maksimi saavutetaan n vuotiaana. Poikien kehitys on paljon testosteronin ansiota, sillä testosteroni lisää mm. aerobisten entsyymien määrää lihaksissa ja mitokondrioissa. (Zwiren 1989) Kehon painoon suhteutettu hapenotto kyky pysyy pojilla melko tasaisena koko nuoruuden ajan, mutta tyttöjen hapenottokyky suhteessa kehon painoon alkaa laskea jo 6-vuotiaasta lähtien, mutta selkeämmin pari vuotta ennen kuukautisten alkua (Kuva 8). Hapenottokyvyn lasku tytöillä johtuu suurimmaksi osaksi rasvan määrän lisääntymisestä, jolloin rasvattoman kehonpainon suhteellinen osuus vähenee. (Zwiren 1989). Harjoittelun vaikutus lasten aerobiseen suorituskykyyn. Aiemmin ajateltiin, etteivät alle murrosikäiset lapset kykene lainakaan tai juurikaan parantamaan maksimaalista hapenotto kykyään,

25 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 83 Kuva 8. Tyttöjen ja poikien maksimaalisen hapenottokyvyn kehitys lapsuuden ja nuoruuden aikana (muokattu Zwiren 1989). Yläpuolella VO 2max kehitys suhteessa kehonpainoon ja alapuolella absoluuttisina arvoina. Aineisto on kerätty luvun lopulla Pohjois-Amerikassa ja vastaa melko hyvin suomalaista sen ajan nuorison kuntoa. koska mm. kasvuhormoni ja sukupuolihormonipitoisuudet eivät ole riittävällä tasolla. Sittemmin on tarkemmissa tutkimuksissa havaittu, että etenkin oikeanlaisella harjoittelulla myös lasten hapenottokyky voi sukupuolesta ja kypsyystasosta riippumatta parantua 5 6 %. Kun huomioon otettiin vain tutkimukset, joissa oli saatu merkitseviä parannuksia, hapenotto kyvyn kehitys oli 8 10 %. Harjoitteluaika suurimmassa osassa analysoituja tutkimuksia oli 1 3 kk, mutta harjoitteluaikaa ei vaikuttanut merkittävästi havaittuun kehitykseen. Parannukset ovat joka tapauksessa pienempiä kuin aikuisilla mitatut (n %). Ero lasten ja aikuisten hapenottokyvyssä näkyy myös huipputasolla. Hyvin harjoitelleilla lapsilla on mitattu ml/kg/min

26 84 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET hapenottoarvoja (Mero ym. 1990), kun aikuisilla vastaavat lukemat voivat olla ml/kg/ min (sukupuoliero noin 10 %). Hapenotto kyvyn kehityksen rajallisuutta selittänee ainakin osaksi testosteronin alhainen pitoisuus. Aerobinen harjoitettavuus näyttääkin parantuvan merkittävästi testosteronipitoisuuden lähtiessä murrosiän alussa nousuun. Ero lasten ja aikuisten hapenottokyvyssä näkyy myös huipputasolla. Puberteetin aikana saattaakin tulla harjoittelun seurauksena jopa 10 ml/kg/min hyppäys hapenottoarvoihin, mikä osoittaa murrosiän olevan tärkeää aikaa hapenottokyvyn kehittämiselle (vrt. hapenottokyvyn luonnollinen kehitys, VO 2max pysyy samana tai laskee). (Baquet ym ja Matos & Winsley 2007). Yhtenä tekijänä lasten heikompaan ha penottokyvyn harjoitettavuuteen pidetään myös lasten luonnostaan hyvää aerobista kuntoa, joka on n. 14. ikävuoteen asti melko riippumaton aktiivisuustasosta. Koska aerobinen kunto on jo valmiiksi korkea ja mm. eräiden aerobisten entsyymien määrä jo valmiiksi korkea, on kehittymisen varaa vähemmän. Murrosiän alun jälkeen vaaditaan kuitenkin (kestävyys) harjoittelua aerobisen kunnon ylläpitämiseksi. Korkeampi aerobinen kuntotaso ei kuitenkaan ole pääasiallinen harjoitettavuutta selittävä tekijä. (Baquet ym. 2003, Brandon 2004). Myös tutkimuksissa käytetyillä harjoitustehoilla on selitetty lasten heikompaa hapenottokyvyn kehitystä. Lasten energia-aineenvaihdunta on luonnollisesti aerobisempi kuin aikuisilla ja myös anaerobinen kynnys on heillä korkeammalla kuin aikuisilla (85 % vs. 75 % Hr max ), joten hapenottokyvyn kannalta optimaalisen harjoitusvaikutuksen aikaansaamiseksi tarvitaan korkeamman intensiteetin harjoittelua. Korkeamman intensiteetin harjoittelun tarvetta tukee myös tieto siitä, että lapsilla nimenomaan glyko lyyttinen kapasiteetti on rajoittunut, kun taas aerobinen puoli on jo valmiiksi vahva. Näin ollen glykolyyttisessä kapasiteetissa on enemmän kehittymisen varaa ja sen onkin oikeanlaisella harjoittelulla todettu paranevan hyvin lapsilla varsinkin murrosiässä. Kun lisäksi tiedetään, että anaerobinen glykolyysi on saman - aikaista aerobisen energiantuoton kanssa, on loogista, että heikompi glykolyyttinen kapasiteetti näyttäisi rajoittavan myös aerobista suoritus kykyä. Aerobinen kapasiteetti paranee an aerobisen aineenvaihdunnan kehityksen kautta. Hapenottokyvyn harjoittamiseksi lasten tulisikin tehdä harjoituksia yli 80 % teholla maksimisykkeestä. Sekä tasavauhtisilla että intervalli harjoituksilla on saatu hyviä harjoitustuloksia, eikä harjoitusmuodolla olekaan niin suurta merkitystä kehitykselle kuin harjoitusteholla. Sen sijaan harjoituskertojen (3 4 kertaa viikossa) ja keston (30 60 min) lisääminen tiettyyn rajaan asti parantaa kehitystä. (Baquet ym ja Brandon 2004). Lisäksi on muistettava, että maksimaalinen hapenottokyky on vain yksi aerobisen kunnon osatekijä. Kuten aikuisilla myös lapsilla harjoittelun on todettu kehittävän näitä muitakin erityisesti kestävyys- suorituskykyyn ja terveyteen vaikuttavia osa-alueita. Tosin myös näissä kehitys on usein pienempää kuin aikuisilla. Harjoittelu vaikuttaa enimmäkseen sentraalisesti sydämeen ja sen toimintaan (sydänlihaksen ja kammioiden koko kasvaa, sydämen rentoutuminen tehostuu ja veritilavuus kasvaa), eikä niinkään perifeerisesti esimerkiksi valtimolaskimo-happieroon tai aerobisten entsyymien määrään. Harjoittelu kasvattaa lasten sydämen iskutilavuutta, mikä näkyy matalampina sykkeinä tietyllä submaksi maalisella kuormalla. Myös laktaattipitoisuus tietyllä kuormalla laskee, anaerobinen kynnys paranee ja liikkumisen taloudellisuus kehittyy, vaikka kehitys ei näykään maksimaalisessa hapenottokyvyssä suorituskyvyssä sen sijaan varmasti. (Matos & Winsley 2007). Matalatehoisella harjoittelulla, kuten leikeillä, peleillä ym. onkin tärkeä merkitys lapsille ja hänen kehitykselleen. Niillä luodaan tärkeää pohjaa tulevalle harjoittelulle ja edellytykset terveeseen elämään nyt ja tulevaisuudessa. Aerobinen harjoittelu on lapsille myös hyvin luon-

27 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn 85 nollista heidän luontaisesti vahvan aerobi sen aineenvaihdunnankin vuoksi. Puhtaasti maksimaalisen hapenottokyvyn kehittämiseen tähtäävä harjoittelu lapsilla ennen murros ikää lieneekin syytä kyseenalaistaa, sillä riskit (vammat, mielenkiinnon menettäminen urheiluun jne.) ovat huomattavasti hyötyjä suuremmat. On myös huomioitava, että maksimaalisen hapenottokyvyn harjoituksessa anaerobinen glykolyysi toimii voimakkaasti (korkeahkot laktaattipitoisuudet). Näihin ominaisuuksiin ehditään keskittyä murrosiän alun jälkeen, kun sydämen ja keuhkojen rakenteelliset ja toiminnalliset ominaisuudet ovat kypsyneet paremmin vastaamaan tämän tyyppisen harjoittelun vaatimuksia ja hormonitoiminta tukee kehitystä. Kun aerobinen pohja vahvistetaan ja yllä pidetään kunnossa lapsuusajan, on murrosiässä hyvä lähteä tekemään tehokkaampia harjoituksia. Tärkeintä on kuitenkin mielenkiinnon ja liikunnallisuuden herättäminen ja ylläpitäminen, jolla varmistetaan säännöllinen ja määrällisesti riittävä harjoittelu. Lämmönsäätely lapsilla Lasten lämmönsäätelykyky on heikompi kuin aikuisilla, minkä vuoksi heillä on suurempi vaara altistua lämpöstressille tai joutua hypotermiaan. Lämmönsäätelykyvyn kehittymättömyys vaikuttaa myös lasten suorituskykyyn kuumissa ja kylmissä olosuhteissa. Pienen lapsen lämmönsäätely alkaa toimia vasta noin kolmevuotiaana ja apokriiniset hikirauhaset (isot, haisevaa hikeä tuottavat hikirauhaset mm. kainaloissa, nivusissa ja sukupuolielimissä) alkavat toimia vasta murrosiässä. Lapsilla kehon pinta-ala on suhteessa suurempi ja toimivia hikirauhasia vähemmän. Toisaalta vilkkaamman aineenvaihdunnan vuoksi lapset myös tuottavat enemmän lämpöä. Lämpimässä ympäristössä lämpö poistuu lapsen kehosta enimmäkseen johtumalla ja säteilemällä, kun taas aikuisilla jäähdytys tapahtuu enimmäkseen haihduttamalla eli hikoilun avulla. Erittäin kuumissa oloissa, jolloin ympäristön lämpötila ylittää kehon lämpötilan, lasten viilennysmekanismi lakkaa toimimasta ja sen sijaan, että lämpöä siirtyisi ilmaan, siirtyy ilman lämpö lapsen kehoon. Myös lasten sopeutuminen lämpimiin olosuhteisiin on hitaampaa kuin aikuisilla. (Malina ym. 2004). Kylmissä olosuhteissa lasten suuri kehon pinta-ala suhteessa painoon kääntyy jälleen lasten haitaksi lämmön ylläpitämisen kannalta. Suhteellisesti suuremman kehon pinta-alan vuoksi lämpöjohtuminen on suurempaa kuin aikuisilla ja lämmön menetys voi olla suurta. Varsinkaan hoikilla lapsilla, joilla kehon rasvapitoisuus on alhainen, ei ole rasvakerroksen tuomaa lämpöeristettä. Erityisesti kylmässä vedessä, jossa lämpöjohtuminen on vielä suurempaa kuin ilmassa, on lapsilla suuri hypotermian riski. Kuormituksessa kehon tuottama lämpö helpottaa sisäisen lämmön ylläpidossa. (Malina ym. 2004). Kehityksen yksilöllisyys Biologinen ikä vs. Kalenteri-ikä. Biologisella iällä tarkoitetaan lapsen fyysisen kehityksen sen hetkistä kehitysastetta. Se voidaan määrittää esimerkiksi luuston kypsyysasteen (ns. luustoikä), hormonitasojen, sukupuoliominaisuuksien muutosten (ns. Tannerin asteikko, ks. Elin järjestelmien kasvu ja kehitys, Sukupuolielimistö) sekä pituuskasvun muutosten (esim. kasvu spurtti) perusteella. Biologisen ja kronologisesti vuosissa mitattavan kalenteri-iän välillä voi olla jopa 2 4 vuotta. Biologinen ikä on syytä huomioida urheilussa, sillä se vaikuttaa merkittävästi lapsen ja nuoren suorituskykyyn ja fyysisten ominaisuuksien harjoitettavuuteen. Esimerkiksi herkkyyskausiajattelun mukainen valmennus tulisi perustua enemmän biologiseen kuin kalenteri-ikään, koska eri ominaisuuksien kehittymisen herkkyys ja valmius vastaanottaa harjoitusta riippuu kronologista ikää enemmän kehon kypsyysasteesta. Biologisen iän huomioimatta jättäminen saattaa myös yli korostaa tai peittää lahjakkuuden, jos (ja valitettavan usein kun) myöhään kypsyviä verrataan suoraan

28 86 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET aikaisin kypsyviin. Tällöin jätetään huomioimatta se, että myöhään kypsyvällä on vielä paljon kypsymisen luonnostaan mukanaan tuomaa kehityspotentiaalia varastossa. (Hakkarainen 2009 a ja Vänttinen 2015). Suhteellinen ikä. Myös syntymäajankohdalla voi olla merkitystä urheilumenestykseen lapsuus- ja nuoruusaikana. Alkuvuodesta syntyneet voivat olla lähes vuoden loppuvuodesta syntyneitä vanhempia, millä voi olla merkittävä vaikutus kehitysasteeseen. Kasvuiässä tämä ero voi olla etu alkuvuodesta syntyneille, kun etsitään parhaita urheilijoita. Tätä kutsutaan suhteellisen iän ilmiöksi. Barnsley ja Thompson (1988) huomasivat tutkimuksissaan, että nuorisojääkiekkojoukkueissa on huomattavasti enemmän alkuvuodesta kuin loppuvuodesta syntyneitä. Deaner ym. (2013) havaitsivat kuitenkin, että aikuisikään mennessä tilanne kääntyy täysin päinvastoin. Huipputasolla suurin osa jouk kueen pelaajista onkin loppuvuodesta syntyneitä. Lisäksi havaittiin alkuvuodesta syntyneiden urheilu-urien olevan lyhempiä kuin loppuvuodesta syntyneiden. Kyse saattaa olla eräänlaisesta altavastaajateoriasta eli loppuvuodesta syntyneet joutuvat taistelemaan paikastaan jouk kueessa enemmän, mikä kantaa heidät aikuisiässä jopa helpommalla päässeiden ohi. He ovat tottuneet tekemään töitä menestyksensä ja unelmiensa eteen, mikä on myöhemmällä iällä (kun kehityksen eriaikaisuus on tasoittunut) suuri etu etenkin huipputasolla. Yhteenveto 1. Hermoston kehitys on lapsuudessa nopeaa, kun hermosolut mm. kasvavat ja myelinisoituvat ja niiden väliset yhteydet lisääntyvät. Tämän vuoksi lapsuusaika ennen murrosikää on erityisen otollista ja tärkeää aikaa taidon, koordinaation ja nopeuden kehittämiselle. 2. Kasvua säätelee monimutkainen hormonaalinen järjestelmä, jossa tärkeitä ovat mm. kasvuhormoni ja IGF (ennen murrosikää tapahtuva raajojen kasvu), androgeenit ja estrogeenit (murrosiän selkärangan kasvu) sekä tyroksiini. Murrosiässä lisääntynyt sukupuolihormonien eritys kiihdyttää epifyysilevyjen luutumista, jonka vuoksi pituuskasvu päättyy. 3. Murrosikä ja pituuskasvun huippu ajoittuvat tytöillä noin kaksi vuotta poikia aikaisemmaksi (tytöt noin 12 vuotta ja pojat noin 14 vuotta). Painon ja lihasmassan kasvun huippu on noin 0,5 vuotta pituuskasvun huipun jälkeen. Voiman kasvun huippunopeus on noin vuoden pituuden kasvupiikin jälkeen eli tytöillä noin 13-vuotiaana ja pojilla vastaavasti 15-vuotiaana. Aikaväli 1 3 vuotta pituuskasvun huipun jälkeen onkin erityisen otollinen aika voiman kehittymiseen ja kehittämiseen. Normaalia kasvua seurataan lapsilla kasvukäyrien avulla.

29 4.1 Lasten ja nuorten kasvu ja kehitys sekä niiden yhteys fyysiseen suorituskykyyn Lihasmassan ja voiman kehitys kiihtyy murrosiän jälkeen, jolloin lisääntyneet kasvuhormoni- ja testosteronipitoisuudet (etenkin pojilla) antavat siihen mahdollisuuden. Ennen murrosikää voiman kehittyminen painottuu enemmän hermostollisten tekijöiden kautta koordinaation lihaskoordinaation parantuessa. Alhaisemman testosteronimäärän vuoksi tyttöjen lihaskasvussa ei tapahdu samanlaista hyppäystä murrosiässä kuin pojilla. 5. Rasvasolujen koon kasvu on voimakasta varhaislapsuudessa ja niiden määrä voi puolestaan moninkertaistua murrosiässä liiallisen energian saannin vuoksi. Koska rasvasolujen määrään on myöhemmin vaikeampi enää vaikuttaa, on lapsuuden ja nuoruuden aikaiseen ravitsemukseen syytä kiinnittää huomiota myöhempien lihavuus- ja terveysongelmien välttämiseksi. Hormonaalisten erojen (estrogeeni vs. testosteroni) vuoksi naisten rasvakudoksen määrä kasvaa suuremmaksi kuin miehillä, mikä on myös biologisesti tärkeää naisen normaaleille aineenvaihdunnan toiminnoille. 6. Lasten energia-aineenvaihdunta toimii luonnostaan hyvin aerobisesti ennen murrosikää, koska anerobinen energiantuottojärjestelmä ei ole vielä täysin kehittynyt. Tämä näkyy mm. heikompana anaerobisena suorituskykynä ja matalammalle jäävinä laktaattipitoisuuksina sekä matalampina hengitysosamäärinä (RER) tietyllä kuormalla. Toisaalta lapset myös palautuvat korkeatehoisesta suorituksesta aikuisia nopeammin. Harjoittelulla lasten anaerobista suorituskykyä voidaan parantaa, mutta sen on tapahduttava lapsen ehdoilla ja järkevissä rajoissa. Systemaattinen anerobinen harjoittelu on järkevää vasta murrosiän jälkeen, kun siihen on hyvä hormonaalinen valmius ja kuona-aineiden poistokyky mm. munuaisissa kehittyy. 7. Maksimaalinen aerobinen suorituskyky (VO 2max ) on lapsilla aikuisia matalampi hengitys- ja verenkiertoelimistön kehittymättömyyden vuoksi. Lapsilla on mm. pienemmät keuhkot (suurempi hengitystiheys) ja erilainen sydäntoiminto (pienempi iskutilavuus ja korkeampi syke), matalampi veren hemoglobiinipitoisuus ja heikompi liikkumisen taloudellisuus kuin aikuisilla. Lasten VO 2max ei kehity ennen murrosikää yhtä tehokkaasti kuin aikuisilla, mutta tulee muistaa, että se on vain yksi aerobisen suorituskyvyn osatekijä ja lapselle luonnollisellakin aerobisella tekemisellä luodaan tärkeää pohjaa tulevaisuudelle. 8. Maltillinen ja määrältään kohtuullinen liikuntaharrastus ei vaikuta negatiivisesti lasten ja nuorten kasvuun ja kehitykseen kunhan riittävästä ravitsemuksesta huolehditaan. Lapsuuden liikuntaharrastuksella on sen sijaan terveyteen monia positiivisia vaikutuksia, joita ei voida muuten korvata ja jotka vaikuttavat pitkälle tulevaisuuteen. 9. Lasten lämmönsäätelykyky on heikompi kuin aikuisilla, mikä tulee huomioida kuumissa ja kylmissä olosuhteissa. 10. Kehityksen nopeus ja rytmi ovat yksilöllisiä, minkä vuoksi kronologisesti saman ikäiset voivat olla biologisesti hyvin erilaisessa kehitysvaiheessa. Tämä tulisi huomioida myös harjoittelun suunnittelussa ja mm. lahjakkuutta arvioitaessa.

30 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta Janne Avela, liikuntatieteiden tohtori, biomekaniikan professori, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto Antti Mero, liikuntatieteiden tohtori, valmennusopin dosentti, liikuntafysiologian professori, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto Heikki Kyröläinen, liikuntatieteiden tohtori, liikuntafysiologian professori, kuormitusfysiologian dosentti, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto Johdanto lihastyön kontrolliin Ihmisen lihastyön kontrollia on tutkittu paljon ja siitä on esitetty erilaisia teorioita. On selvää, että kontrolliin osallistuvat keskeisesti keskushermoston neuraaliset järjestelmät. Myös lihaksista tulevalla sensorisella palautteella (feedback) on merkittävä rooli lihastyön kontrollissa (kuvio 1). Lihastyön kontrolliin osallistuu myös toinen iso ja tärkeä säätelyjärjestelmä hormonaalin järjestelmä, mutta sitä ei käsitellä tässä kappaleessa. Tahdonalaisen liikkeen suunnittelu alkaa esimotorisen aivokuoren eri osissa, organisoituu primaarisessa motorisessa aivokuoressa, joka myös vastaa liikkeen toteutuksesta. Liikkeen toteutuksen säätelyyn vaikuttaa aivojen monien eri alueiden, kuten esim. pikkuaivojen, välinen vuorovaikutus. Lihasreseptoreista tuleva palaute vaikuttaa erityisesti lihastyön nopeaan kontrolliin selkäydinrefleksien kautta. Näistä tärkeimpänä on lihaspituuden muutoksiin perustuva lihassukkulasta tuleva palaute, jonka tehtävänä Isoaivokuori motoriset alueet Talamus Rinnakkainen syttyminen corollary discharge on keskushermoston käskyn sisäinen referenssikopio Tyvitumake Keskushermoston käsky central command Pikkuaivot Aivorunko Afferentti (tuova) palaute Sensoriset tuntoreseptorit Selkäydin Lihakset Kuvio 1. Lihastyön kontrolliin liittyvän informaation kulku hermolihasjärjestelmässä (mukaeltu Enoka 2008).

31 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 89 Kuvio 2. Keskus- ja ääreishermoston rakenne (mukaeltu McArdle ym. 2015). on säädellä lihasjäykkyyttä ja siten hienosäätää ihmisen liikkumista. Toisena tärkeänä lihasreseptorina on Golgin jänne-elin, jonka tehtävänä on reagoida lihaksen tuottamaan voimaan ja inhiboida lihasaktiivisuutta silloin, kun voima on rakenteellisesti liian suuri. Tämä palaute on siis lähinnä hermo-lihasjärjestelmää suojeleva mekanismi. Ihmisen lihastyön kontrolliin kuuluu myös aivorungossa ja selkäytimessa sijaitseva keskusmalligeneraattorit. Ne tuottavat stereotyyppisiä ja automaattisia rytmisiä liikkeitä, jopa ilman liikkeiden ja siten lihasreseptoreiden tuottamaa palautetta. Terveellä ihmisellä keskus- ja ääreishermosto muokkaavat jatkuvasti keskusmalligeneraattorin synnyttämiä rytmisiä liikkeitä. Hermoston rakenne ja toiminta Anatomisesti hermosto jaetaan keskushermostoon, johon kuuluvat aivot, selkäydin ja ääreishermosto, joka sisältää selkäydinhermot ja autonomisen hermoston perifeeriset osat (kuvio 2). Keskushermostosta viedään käskyjä joko motorisia hermoja (liikehermoja) tai autonomisia hermoja pitkin kehon ääreisosiin ja sisäelimiin. Ääreishermoston reseptoreista tuodaan viestejä keskushermostoon sensorisia hermoja (tuntohermoja) pitkin. Autonominen hermosto, jolla on tärkeä rooli elimistön tasapainon ylläpitämisessä, jakautuu sympaattiseen ja parasympaattiseen osaan. Edellinen osa kiihdyttää elintoimintoja kuten sydämen sykettä ja jälkimmäinen osa hidastaa niitä.

32 90 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET KESKUSHERMOSTO Keskushermosto koostuu siis aivoista ja selkäytimestä. Aivot ovat keskushermostoa hallitseva elin, jonka tehtävä on taltioida ja käsitellä aistien välityksellä saatua informaatiota siten, että ihmisen toimintakyky suhteessa ympäristöönsä säilyy. Ihmisen laaja henkinen kapasitetti ja sen toiminnan keskus sijaitsee aivoissa. Aivot koostuvat hermokudoksesta, jonka erikoistuneita soluja ovat neuronit ja gliasolut. Aivojen pääosat ovat isoaivot, väliaivot, keskiaivot, aivosilta ja pikkuaivot. Isoaivojen kuorikerroksessa sijaitsevat tuntoaivokuori ja motorinen aivokuori. Näillä alueilla sijaitsevat kaikkien kehonosien motorisiin toimintoihin liittyvät hermosolut. Eri motorisiin toimintoihin vaikuttavat aivuokuoren alueet, jotka ovat toiminnaltaan ja kooltaan erikoistuneita. Suurempaa hienomotoriikkaa vaativilla käsilihaksilla on pääsääntöisesti suuremmat alueet kuin jalkalihaksilla, ja ne sijaitsevat eri osassa aivokuorta. Aivot ovat kuitenkin muokkautuvia, ja alueiden koko ja jossakin määrin jopa sijainti voivat muuttua. Tutkimuksissa on todettu, että esimerkiksi ammattipianonsoittajilla on sor mien motoriikasta vastaava alue merkittävästi laajentunut, verrattaessa ei-soittajiin (Pascual-Leone ym. 1995). Lisäksi taitoharjoittelijoilla on todettu olevan suurempi potentiaali aivojen muokkautuvuuteen kuin kestävyysharjoittelijoilla jalkojen vastaavuusalueella (Kumpulainen ym. 2014). Tämä viittaa lisääntyneeseen synapsien lukumäärään. Kestävyysharjoittelun on taas todettu lisäävän aivojen ääreisverisuonituista (Kleim ym. 2002), joten aivojen terveyden kannalta parasta harjoittelua olisikin taitoharjoittelu, johon on sisällytetty kestävyysosioita (tai päinvastoin). Ydinjatkos, aivosilta, keskiaivot, väliaivot ja erilaiset tumakkeet muodostavat yhtenäisen kokonaisuuden nimeltään aivorunko. Osa hengitys- ja verenkiertoelimistön säätelystä tapahtuu aivorungon alueella automaattisesti (tiedostamatta). Tasapainon ja liikkeiden hienosäätelyssä on pikkuaivoilla suuri merkitys. Ne ovat puolestaan yhteydessä aivorungon kautta keskus hermoston ylempiin osiin. Ydinjatkos jatkuu alaspäin selkäytimenä (kuvio 3). Selkäytimen pokkileikkauskuvassa harmaa aine muodostaa H-kirjaimen muotoisen kuvion. H-kirjaimen kärkiä kutsutaan etuja takasarviksi. Selkäytimen etusarvista saavat alkunsa motoriset hermot eli liikehermot, joiden aksonit vievät supistuskäskyn kohti lihaksia. Sensoriset hermot liittyvät keskushermostoon selkäytimen takasarvista vieden tietoa aivoihin päin. Edellä mainitut sensoriset ja motoriset hermosolut ovat suoraan (yksi synapsi) tai välittäjähermosolujen kautta yhteydessä toisiinsa. Välittäjähermosolujen aktivaatiomuutosten avulla säädellään motoristen hermojen ärtyvyyttä ja siten refleksitoimintoja. Aivot ovat yhteydessä ääreishermostoon erilaisten laskevien ja nousevien ratojen kautta. Tärkein motorisiin toimintoihin liittyvä laskeva rata on pyramidaalirata. Pyramidaaliradan osalla, josta käytetään nimitystä kortikospinaalinen rata, on suora yhteys selkäytimestä lähteviin motorisiin hermoihin. Tämä rata ristitsee selkäytimen toiselle puolelle eli motorisen aivokuoren vasemman puolen alueet vastaavat pääsääntöisesti kehon oikean puolen lihastyöstä. Motoriseen säätelyyn liittyy myös monia muita laskevia ratoja, kuten esimerkiksi rubrospinaalinen rata, vestibulospinaalinen rata, retikulospinaalinen rata jne. Motorinen säätely on hyvin monimutkainen integraatio eri keskushermoston osien toimintojen välillä, johon vaikuttaa myös lihaksista tuleva sensorinen informaatio. ÄÄREISHERMOSTO Keskushermostosta tietoa (supistuskäsky = aktiopotentiaali) viedään lihaksiin aivo- ja selkäydinhermoja pitkin, jotka ovat liikehermoja. Liikehermoista alphamotoneuroni vie aktio potentiaalia luurankolihassoluihin ja gammamotoneuroni lihaspituutta aistivan lihassukkulan napaosiin. Suuri osa tahdonalaisista lihaksista saa hermotuksensa selkäydinhermois-

33 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 91 Kuvio 3. Liikehermot hermottavat lihassoluja eli muodostuu motorinen yksikkö (mukaeltu McArdle ym. 2015). ta ja vain pieni osa, lähinnä vain pään alueen lihakset, aivohermoista. Motorinen hermo jakaantuu kohdelihaksessa useisiin päätehaaroihin, jotka liittyvät hermo-lihasliitosten välityksella kukin yhteen lihassoluun. Yhden liikehermon hermottavat lihassolut ovat aina supistusominaisuuksiltaan samaa tyyppiä, ja yhdessä ne muodostavat hermo-lihasjärjestelmän pienimmän toiminnallisen osan ihmisellä. Tätä kutsutaan motoriseksi yksiköksi. Proprioseptorit ovat sensorisia reseptoreita, jotka aistivat elimistön itsensä tuottamia liikeärsykkeitä toimiessaan liikkeen välityksellä vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Proprioseptoreita on lihaksissa ja jänteissä, ja ne osallistuvat liikkeen ja liikkumisen säätelyyn selkäydintasolla selkäydinrefleksien muodossa. Lihassukkulat reaogoivat lihaksen pituusmuutoksiin ja välittävät siitä tietoa Ia- ja II-afferentteja pitkin keskushermostoon. Ia-afferentilla on monosynaptinen yhteys samaan lihakseen vievään liikehermoon muodostaen venytysrefleksin. Tämä refleksi on ihmisen liikkumisen tärkein selkäydintason säätelymekanismi. Sillä on suora vaikutus lihaksen neuraaliseen ohjaukseen lisäten lihaksen aktiivisuutta ja säädellen siten lihasjäykkyyttä. Golgin jänne-elimet sijaitsevat lähinnä lihaksen ja jänteen kiinnittymiskohdassa aistien ensisijaisesti lihasvoiman muutoksia. Golgin jänne-elimen päätehtävä on suojella lihasta ja sen sidekudoksia ylisuurten kuormien aiheuttamilta vammoilta. Suojelu tapahtuu välittäjähermosolun liikehermoon aiheuttaman inhibition avulla eli kuormitetun lihaksen neuraalista ohjausta vähennetään. Pacinianin elimet sijaitsevat ihossa, vatsassa ja lihaksessa lähellä Golgin jänne-elimiä. Nämä sensoriset reseptorit aistivat lähinnä liikkeen aiheuttamia (tai yleensä) paineen muutoksia ja osallistuvat omalta osaltaan proprioseptoreiden muodostamaan säätelytoimintaan. III- ja IV-afferentit muodostavat vapaita hermopäätteitä, jotka aistivat ja välittävät monia aineenvaihdunnallisia muutoksia kuten esimerkiksi hapen, vedyn ja kaliumin muutoksia soluvälitiloissa. Ne aistivat myös monia harjoituksen aiheuttaman lihassoluvaurion vapaut-

34 92 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET tamien entsyymien pitoisuusmuutoksia kuten myös lihaksen happamuuden (ph) -muutoksia. III- ja IV-afferenteilla on inhibitorinen yhteys (esi-synaptinen) Ia-afferenttiin vähentäen sen ja siten alphamotoneuronin aktiivisuutta. Vapailla hermopäätteillä onkin iso rooli harjoittelun tai liikuntasuorituksen aiheuttaman lihasväsymyksen aikaisessa neuraalisessa säätelyssä. HERMO-LIHASLIITOS Hermo-lihasliitos on perusrakenteeltaan ja toiminnaltaan samankaltainen kuin hermohermoliitos (synapsi). Hermosolu muodostuu runko-osasta (soma), tietoa soluun tuovista haaroista (dendriitit) ja tietoa vievästä haarasta (aksoni). Aksoni jakautuu viejähaarakkeisiin (telodendriitti), joista kukin muodostaa yhden lihassolun kanssa motorisen päätelevyn. Nopeissa motorisissa yksiköissä motorinen päätelevy on kooltaan suurempi kuin hitaissa. Hermolihas liitoksen tehtävänä on välittää hermosolua pitkin tuleva hermoimpulssi (aktiopotentiaali) kemiallisesti, välittäjäaineen (asetylkoliini) avulla, lihassoluun. Kemialliset tapahtumat siirtymisen yhteydessä aiheuttavat lihassolussa oman aktiopotentiaalin, joka johtaa myöhemmin lihaksen supistumiseen. Aktiopotentiaalin kulkunopeus hermossa on suoraan riippuvainen hermosolun paksuudesta (paksummassa suurempi johtumis nopeus) ja siten myös myeliinitupen määrästä (mitä paksumpi myeliinituppi sitä suurempi johtumisnopeus). Motorisessa hermosolussa (alphamotoneuroni), aktiopotentiaalin johtumisnopeus voi vaihdella välillä m/s. Nopeissa motorisissa yksiköissä johtumis nopeus on luonnollisesti korkein. Sama pätee aktiopotentiaalin johtumisnopeuteen motorisen yksikön hermottamien lihassolujen lihassolukalvolla. Nopeiden motoristen yksiköiden suhteellisella osuudella ja siten aktiopotentiaalin johtumisnopeudella onkin huomattavaa merkitystä nopeuden ja voiman tuottamisessa urheilussa ja ko. ominaisuuksien harjoitettavuudessa. Luurankolihakset Ihmisellä on yli 660 luurankolihasta, jotka osallistuvat voimatuottoon liikkeissä ja liikkumisessa. Luurankolihaksesta on 75 % vettä, 20 % proteiineja ja loput epäorgaanisia suoloja, entsyymejä, pigmenttejä, rasvoja ja hiilihydraatteja. Luurankolihas on erilaisten sidekudoksesta muodostuvien kalvorakenteiden peitossa, jotka liittyvät yhdessä jänteen kanssa luuhun. Tämä rakennelma mahdollistaa kemiallisen energian siirtymisen liike-energiaksi luurangon vipusysteemissä. Tätä rekennelmaa on kuvattu hyvin lihaksen mekaanisella mallilla (kuvio 4), jonka avulla voidaan selittää ja ymmärtää lihaksen mekaanista toimintaa. Lihaksen poikkileikkauskuva on esitetty yhdessä jänteen poikkileikkauskuvan kanssa kuviossa 5. Lihaksen hienorakennetta tarkasteltaessa sarkomeeri on lihassolun toiminnallinen yksikkö (kuvio 6). Sarkomeeri sisältää myosiini- ja aktiini filamentteja, jotka ovat supistuvia proteiineja sekä T-tubulus -järjestelmän, joka toimii lihassolun viestiverkkona levittäen aktiopotentiaalia solun ulkokerroksista solun sisäosiin. Lihassolun supistuksessa lihassoluun saapuva aktiopotentiaali vaikuttaa T-tubulus -järjestelmän pitkittäissäkkeihin vapauttaen sieltä kalsium-ioneja, jotka sitoutuvat troponiinin (myofibrillinen proteiini) aiheuttaen poikittaissiltojen Kuvio 4. Lihaksen mekaaninen malli. SK = supistuva komponentti, REK = rinnakkainen elastinen komponentti ja PEK = peräkkäinen elastinen komponentti (mukaeltu Enoka 2008).

35 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 93 Kuvio 5. Lihaksen ja jänteen poikkileikkaus (mukaeltu McArdle ym. 2015). muodostumisen myosiini- ja aktiinifilamenttien välille. Filamenttien liukumisteorian (sliding filament theory) mukan lihas lyhenee ja pitenee, koska myosiini- ja aktiinifilamenttit liukuvat lomittain muuttamatta pituuttaan. Lihassolun voimantuoton mahdollistaa välitön energialähde adenosiintrifosfaatti (ATP), jonka ansiosta poikittaissillat muuttavat aktiivisesti muotoaan ja myöhemmin kiinnittyvät syklisesti uuteen kohtaan aktiinifilamenttia. Lihassolun relaksaatio tapahtuu, kun kalsium -pumppu pumppaa kalsium-ionit takaisin pitkissäisäkkeihin. Lihasmekaniikan vaikutus voimantuottoon Urheiluvalmennuksessa on tärkeä ymmärtää lihaksen voimantuottoon vaikuttavia tekijöitä. Luurankolihas on hermoston ohjauksen alla, joten hermostollisilla tekijöillä on luonnollisesti erittäin merkittävä rooli voimantuotossa. Näihin tekijöihin palataan myöhemmin tässä luvussa. Hermostollisten tekijöiden lisäksi lihasmekaniikalla on suuri vaikutus luuranko lihaksen voimantuottoon. Lihasmekaanisiksi tekijöiksi

36 94 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Kuvio 6. Lihaksen hienorakenne (mukaeltu McArdle ym. 2015) voidaan lukea lihastyötavat, lihaspituus (nivelkulma), voima-nopeus -riippuvuus ja voimaaika -riippuvuus. Näihin kaikkiin vaikuttavat osaltaan lihas-jännekompleksin elastiset ominaisuudet. Lihastyö voidaan jakaa lähinnä lihas-jännekompleksin (ks. lihaksen mekaaninen rakenne) kokonaispituusmuutoksen perusteella isometriseen (ei pituusmuutosta) ja dynaamiseen (pituusmuutos) työhön. Jälkimmäinen jakautuu vielä eksentriseen (lihas-jännekompleksi pitenee) ja konsentriseen (lihas-jännekompleksi lyhenee) lihastyötapaan. Lihas tuottaa suurimman maksimivoiman eksentrisessa lihastyössä ja pienimmän konsentrisessa lihastyössä. Isometrisen lihastyön maksimivoima sijoittuu edellä mainittujen väliin (kuvio 7.). Ihmisen normaali liikkuminen sisältää kuitenkin harvoin pelkästään yhtä edellä mainituista lihastyötavoista. Liikkumisen aikana lihas-jännekompleksi toimii yleensä syklisesti, jossa eksentristä lihastyötä seuraa erittäin lyhyt isometrinen vaihe, jonka jälkeen tapahtuu konsentrinen lihastyö. Tästä syklistä käytetään nimitystä venymislyhenemissykli. Lihaspituuden vaikutusta voimantuottoon voidaan tarkastella voiman ja sarkomeerin pituuden välisen yhteyden perusteella. Tutkimusten perusteella on voitu havaita, että sarkomeerin suurin voima voidaan tuottaa keskipituuksilla, jossa myosiini- ja aktiinifilamenttien väliin kiinnittyneiden poikittaisiltojen lukumäärä on suurin. Kun sarkomeerin pituus lyhenee tai pitenee, poikittaissiltojen lukumäärä vähenee

37 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 95 kiinnittymispinta-alan pienenemisestä johtuen. Eristetyn lihaksen tasolla sama riippuvuus pätee pääsääntöisesti konsentrisessa ja isometrisessa lihastyössä lyhyillä- ja keskipitkillä lihaspituuksilla. Eksentrisessa lihastyössä ja pitkillä lihaspituuksilla lihas-jännekompleksin side kudos muuttaa tätä riippuvuutta, lisäten ko. tilanteissa voimantuottoa. Luurankolihas kiinnittyy kuitenkin luustoon siten, että kiinnittymiskohtien välille jää yleensä yksi tai kaksi niveltä. Tästä johtuen normaali liikkeessä luurankolihaksen voimantuottoon vaikuttavat myös erilaiset vipuvarret. Esimerkiksi kyynärvarren koukistajien voimantuotto on suurimmillaan noin asteen kulmalla, kun taas jalkakyykyssä suurimmat voimat voidaan tuottaa lähes suurimmilla nivelkulmilla ( astetta). Urheiluvalmennuksen kannalta on kuitenkin syytä huomioida, että liikkeisiin osallistuu lähes aina myös muita kuin päävaikuttajalihaksia. Tästä johtuen harjoituksissa käytettävien optimaalisten nivelkulmien arviointi voimantuoton kannalta voi olla vaikeaa. Harjoiteltaessa esimerkiksi voimaa vakiokuormalla (levytanko) suurin suhteellinen kuorma (harjoitusvaikutus) kohdistuu voimantuoton kannalta heikoimpaan nivelkulmaan. Tällöin on Kuvio 7. Lihaksen voima-nopeus -riippuvuus (v = nopeus). Konsentrisessa lihastoiminnassa voiman vähetessä nopeus lisääntyy ja eksentrisessa lihastoiminnassa voiman kasvaessa myös nopeus kasvaa (mukaeltu esim. Enoka 2008). syytä arvoida, onko harjoittelussa syytä käyttää lajispesifimpejä nivelkulmia ja siten ehkä suurempia kuormia. Voimaharjoittelussa voidaan käyttää myös muuttuvan kuormituksen laitteita, joiden tavoitteena on muuttaa kuormitusta nivelkulman mukaan siten, että kuomitus olisi maksimaalinen ja/tai optimaalinen laajemmalla nivelkulma-alueella. Vastaavaan voidaan päästä myös yhdistämällä levytankoharjoitteluun vastus kumit, joiden vastus lisääntyy tangon nousukorkeuden lisääntyessä. Luurankolihaksen voima-nopeus -riippuvuuden ymmärtäminen ja sen tiedon hyödyntäminen urheilijan testauksessa ja valmennuksessa on hyvin tärkeää. Laboratorio-olosuhteissa mitattu lihaksen voima-nopeus -riippuvuus (kuvio 7) osoittaa, kuten aikaisemmin todettiin, eri lihatyötapojen välisen eron maksimaalisessa voimantuotossa. Toisaalta se osoittaa myös sen, että nopeuden lisääntyessä konsentrinen voimantuotto heikkenee, kun taas eksentrinen voimantuotto kasvaa. Urheilijan testauksessa voima-nopeus -riippuvuuden mittaamisella voitaisiin todentaa esim. onko eri harjoituskausien harjoittelu tehonnut juuri niillä lihassupistusnopeuksilla, joita harjoittelussa on tavoiteltu. Käytännössä ko. testausta on tehty esim. suorittamalla vertikaalihyppy eri kuormilla ja rakentamalla näistä kuorma (voima) hyppykorkeus (nopeus) -käyrä. Sen avulla voidaan arvioida joko puhtaasti konsentrisen lihastyön (hyppy ilman kevennystä) tai venymis-lyhenemis -syklityyppisen lihastyönopeuden käyttöä eri kuormilla (hyppy kevennyksellä). Jälkimmäinen antaa myös jossakin määrin tietoa lihas-jännekompleksin elastisuuden hyödyntämisestä. Monien erityisesti nopeus-voimapainotteisten lajien voimaharjoittelussa maksimi- ja nopeusvoiman osuus painottuu eri tavalla peruskuntoja kilpailuihin valmistautumiskausilla. Kyseisen seurantamittauksen avulla voidaan hyvin seurata voima- ja nopeuspäiden kehittymistä vastaavalla tavalla kuin mittaamalla laboratorio-olosuhteissa varsinaisen voima-nopeus -käyrän muodon muutoksia.

38 96 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Kuvio 8. Voima-aika -käyrän muoto ja maksimivoima alaraajojen ojentalihaksistossa voima-, nopeus- ja kestävyysurheilijoilla (Häkkinen & Keskinen 1989). Motorinen yksikkö on hermo-lihasjärjestelmän pienin toiminnallinen osa, kuten myös voimantuoton perusyksikkö. Motoriset yksiköt voidaan jakaa karkeasti nopeisiin ja hitaisiin yksiköihin. Nopea motorinen yksikkö tuottaa suuremman voiman ja nopeammin kuin hidas motorinen yksikkö. Motoristen yksikkötyyppien erot ja niiden lukumääräinen osuus lihaksissa on hyvin pitkälti peritty ominaisuus. Harjoittelulla voidaan kuitenkin vaikuttaa motoristen yksiköiden lihassolujen kokoon, ominaisuuksiin ja rekrytoitumiseen (rekrytoitumiskynnys ja syttymistaajuus). Luurankolihaksen voima-aika -riippuvuus on siis ominaisuus, joka johtuu osittain perinnöllisistä tekijöistä, mutta myös harjoitusvasteesta. Urheilijan voimantuoton aikariippuvuutta (voimantuottonopeutta) voidaan mitata esim. voimadynamometreillä isometrisessä lihastyössä. Tulokset ovat osoittaneet, että enemmän nopeita motorisia yksiköitä omaava henkilö tuottaa voiman keskimäärin nopeammin kuin enemmän hitaita motorisia yksiköitä omaava henkilö. Vaikka tämä tulos tukee hyvin motoristen yksikkötyyppien välisiä voimantuottonopeuseroja, tutkimukset eivät ole voineet selvästi osoittaa mikä on perimän tai harjoittelun osuus, erityisesti urheilijoilla. Nopeusharjoittelussa pyritään luonnollisesti siihen, että lihakset pystyisivät tuottamaan mahdollisimman paljon voimaa mahdollisimman lyhyessä ajassa. Tämä tarkoittaa sitä, että hermo-lihasjärjestelmä mukautetaan rekrytoimaan kaikki motoriset yksiköt mahdollisimman nopeasti, lisäämään niiden syttymistaajuutta ja

39 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 97 lisäämään kaksoissyttymisten (doublets) lukumäärää. Kaksoissyttyminen tarkoittaa saman motorisen yksikön syttymistä kahdesti hyvin lyhyellä aikavälillä (<10 ms). Käytännössä harjoittelun tulee olla nopeatempoista ja aggressiivista nopeusvoimaharjoittelua, johon voidaan yhdistää myös maksimivoimaosioita. Kuviossa 8 on esitetty kolmen eri urheilijaryhmän (maksimivoima-, nopeus- ja kestävyyslajit) alaraajojen ojentajalihasten voima-aika -käyrän alkuosa ja maksimivoima (Häkkinen & Keskinen, 1989). Voima-aika -ja voima-nopeus -ominaisuuksien tunteminen lajista antaa varman pohjan voimaja lajiharjoittelun sunnittelulle ja toteuttamiselle. Lihas-jännekompleksin elastisilla rakenteilla ja ominaisuuksilla on merkittävä rooli lihaksen voimantuotossa ja sen välittymisessä vähintään yhden nivelen yli seuraavaan kehon segmenttiin. Lihaksen mekaanisen mallin (kuvio 4) mukaisesti lihas-jännekompleksin rinnakkaiseen elastiseen osaan katsotaan kuuluvan lihaksen kalvostorakenteet ja peräkkäiseen elastiseen osaan jänne ja myosiini- ja aktiinifilamenttien väliset poikittaissillat. Näillä elastisilla osilla on kyky varastoida itseensä energiaa (poten tiaalienergia) silloin, kun aktiiviseen lihakseen kohdistuu venytys (eksentrinen lihastyö), ja vapauttaa tätä energiaa liike-energiana lihaksen lyhentyessä (konsentrinen lihastyö). Tällä lihas-jännekompleksin elastisella ominaisuudella voidaan joko lisätä submaksimaalisen lihastyön taloudellisuutta tai lisätä lihaksen maksimaalista konsentrista voimantuottoa. Edellytys tehokkaalle elastisuuden hyödyntämiselle on se, että eksentristä lihastyötä seuraa välittömästi konsentrinen lihastyö (venymislyhenemis sykli). Jos näin ei tapahtu, elastinen energia vapautuu lämpöenergiaksi. Urheilijoilla elastisuutta on testattu mittamalla kevennyshypyn (HK) ja hypyn ilman kevennystä (HIK) välistä suhteellista hyppykorkeuseroa (Komi & Bosco, 1978). Teorian mukaan HIK suoritetaan staattisesta hyppyasennosta, jossa elastisuutta ei hyödynnetä kun taas HK suoritetaan esikevennyksellä, jolloin elastisuutta pyritään hyödyntämään maksimaalisesti. Tutkimuksissa on havaittu, että HK:n nousukorkeus on urheilijoilla keskimäärin 10 % korkeampi kuin HIK:n. Tätä erotusta nimitetään valmennuskirjallisuudessa elastisuusprosentiksi. Teoria elastisuusprosentin osalta ei ole täysin aukoton, koska tutkimuksissa on voitu osoittaa, että osa erosta johtuu esim. lonkkanivelen ojentajalihasten suuremmasta työmäärästä ja kyseisen vipuvarren hyödyntämisestä HK:llä (Fukashiro & Komi, 1987). Päkiäkontaktilla tapahtuvissa suorituksissa (esim. hyppelyt ja juoksu päkiäkontaktilla) elastisuuden osuus lienee merkittävämpi kuin tuo edellä mainittu 10 %. Elastisuutta arvioitaessa tulee ottaa huomioon, että tutkimustulokset harjoittelun vaikutuksista lihas-jännekompleksin elastisten osien ominaisuuksiin ovat hyvin ristiriitaisia. Osa tutkimuksista on todennut, että esim. voimaharjoittelu lisää jänteen jäykkyyttä (esim. Kubo ym. 2007), kun taas toiset tutkimukset eivät ole löytäneet vastaavia muutoksia (esim. Arampatzis ym. 2010). Harjoittelulla voidaan kuitenkin vaikuttaa elastisuuden hyödyntämiseen, olivat lihaksen passiiviset elastiset osat harjoitettavia tai ei. Kuten aikaisemmin todettiin, elastisuutta voidaan hyödyntää vain, jos eksentristä lihastyötä seuraa välittömästi konsentrinen lihastyö. Elastisuuden hyödyntäminen on myös sitä tehokkaampaa mitä aktiivisempi lihas on eksentrisen lihastyön aikana. Äkillinen aktiivisen lihaksen venytys laukaisee myös venytysrefleksin, jonka tehtävänä on lisätä lihasjäykkyyttä ja siten tehostaa elastisen energian hyödyntämistä (esim. Komi 1988). Elastisuuden merkitys konsentrisen voimantuoton ja nopeuden lisääjänä ei ole sen ainoa hyöty, vaan se siis parantaa myös suorituksen hyötysuhdetta ja siten taloudellisuutta. Hyvä taloudellisuus on luonnollisesti eduksi erityisesti kestävyyslajeissa. On kuitenkin syytä tiedostaa, että kestävyyslajeissa hyötysuhde on nopeusspesifi eli se kehittyy parhaiten niille supistusnopeuksille, joita harjoittelussa eniten käytetään.

40 98 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Lisääntynyt lihas-jännekompleksin elastisuus lisää sekä suorituksen nopeutta että taloudellisuutta Motorinen yksikkö Motorinen yksikkö koostuu motorisesta hermosolusta ja sen aksonin päätehaarojen hermottamista lihassoluista. Yksi motorinen hermo hermottaa useita lihassoluja, vaihdellen välillä Yhden motorisen yksikön lihassolut ovat aina samaa lihassolutyyppiä. Suurimmassa osassa luurankolihaksia motorisia yksiköitä on noin kappaletta. ( McComas 1998) Motoristen yksiköiden koko vaihtelee sen toiminnan perusteella siten, että suurta voimantuottoa ja vähemmän hienomotoriikkaa vaativissa lihaksissa motoriset yksiköt ovat suuria. Näissä lihaksissa yhden uuden motorisen yksikön rekrytoituminen lisää voimantuottoa merkittävästi. Hyvänä esimerkkinä tällaisesta lihaksesta on kaksoiskantalihas, jolla on noin 1900 lihassolua yhtä motorista yksikköä kohti (Feinstein ym. 1955). Toisaalta tarkkaa hienomotoriikkaa vaativissa lihaksissa motoristen yksiköiden koko on pieni. Tällöin uuden motorisen yksikön rekrytoitumisen aiheuttama voimatuoton lisäys on pieni ja voimantuoton kontrolli on hyvin hieno jakoinen. Tällaisia lihaksia ovat mm. silmän liikuttajalihakset, joiden motorisissa yksiköissä voi olla vain muutamia kymmeniä lihassoluja. MOTORISTEN YKSIKÖIDEN LUOKITTELU Motoriset yksiköt voidaan luokitella kolmeen eri ryhmään taulukon 1 esittämällä tavalla (Lieber 1992). Taulukon perusteella näyttäisi siltä, että nopea motorinen yksikkö (molemmat tyypit) on hyödyllinen nopeaa voimantuottoa vaativissa lajeissa ja hidas motorinen yksikkö puolestaan kestävyyttä vaativissa lajeissa (sietää paremmin väsymystä). Toisaalta lihaksissa, joissa on paljon hitaita motorisia yksiköitä, on myös paljon lihassolukalvoja, jotka osaltaan muodostavat lihaksen rinnakkaisen elastisen osan. Elastisuutta vaativissa lajeissa (esim. korkeushyppy) saattaakin olla hyödyllistä omata lukumäärällisesti yhtä paljon nopeita ja hitaita motorisia yksiköitä. Eläinkokeissa (Gordon ja Pattullo 1993, Kraus ym. 1994) on voitu tehdä ristiinhermotuksia eli nopea motorinen hermo on yhdistetty hitaasti supistuvaan lihassolukkoon ja päinvastoin. Tällöin on havaittu, että tietyn ajan kuluttua hitaasti supistuvat lihassolut ovat Taulukko 1. Motoristen yksiköiden luokittelu. Motorinen yksikkötyyppi Voiman tuotto Supistus nopeus Väsymyksen vastustus motorisessa yksikössä Lihassolutyyppi Nopea, väsyvä (FF = fast to fatigue) Nopea, väsymystä sietävä (FR = fast fatigue resistant) Hidas (S = slow fatigue resistant) korkea nopea matala nopea glykolyyttinen kohtalainen nopea korkea nopea oksidatiivisglykolyyttinen matala hidas korkea hidas oksidatiivinen

41 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 99 muuttuneet nopeammiksi ja nopeasti supistuvat lihassolut hitaammiksi. Tästä voidaan tehdä johto päätös, että hermoston ohjaustoiminta määrää lihassolujen toimintaa. Esimerkiksi ikääntymisen yhteydessä on havaittu hitaiden motoristen yksiköiden suhteellisen osuuden kasvua (Kamen ym. 1995). Tämän on todettu johtuvan siitä, että ikääntyessä tehdään vähemmän ja vähemmän nopeita ja voimakkaita liikkeitä, jolloin käyttämättä jääneiden nopeiden motoristen yksiköiden motoriset hermosolut degeneroituvat (rappeutuvat). Tästä syystä olisikin tärkeää, että ikääntyessä ylläpidetään myös harjoitteita, joissa lihas joutuu aktivoitumaan maksimaalisesti. MOTORISEN YKSIKÖN LIHASSOLUT Lihasnäytteitä analysoimalla voidaan selvittää lihaksen rakennetta ja toimintaa, jolloin mm. lihassolujakauma ja lihaksen poikkipinta-alan määrittäminen ovat laajentaneet ymmärtämystä urheilulahjakkuuden periytymisestä ja toisaalta harjoitusvaikutuksista. Lähtökohtana ovat olleet 1960-luvun menetelmäkehittely (lihasbiopsianeula; Bergström 1962) ja ensimmäiset tutkimustulokset urheilijoilla (Gollnick ym. 1972) ja harjoittelemattomilla (Johnson ym. 1973, Polgar ym. 1973). Lihasnäytteen (lihasbiopsia) ottaminen tapahtuu paikallispuudutuksella halutusta luurankolihaksesta. Toimenpide on lähes kivuton ja harjoittelu voi jatkua parin päivän keven- Taulukko 2. Ihmisen luurankolihaksen solujakaumia (lukumääräsuhde) ei-urheilijoilla. Tutkimuksen näytteet ovat pintanäytteitä, esimerkki syvänäytteestä on esitetty ulomman reisilihaksen kohdalla. Nopeita lihas soluja (%) Lähde Kaksoiskantalihas (gastrocnemius lateralis) Leveä kantalihas (soleus) Ulompi reisilihas (vastus lateralis) Suora reisilihas (rectus femoris) Kaksipäinen reisilihas (biceps femoris) Iso pakaralihas (gluteus maximus) Kolmipäinen olkalihas (triceps brachii) Hauislihas (biceps brachii) 57 Johnson ym a 46 Coyle ym Johnson ym Elder ym (pintanäyte) Johnson ym (syvänäyte) Johnson ym Johnson ym Elder ym Johnson ym Johnson ym Johnson ym Johnson ym. 1973

42 100 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET netyn harjoittelun jälkeen. Histokemiallisin ja biokemiallisin menetelmin voidaan analysoida muutaman kymmenen milligramman suuruisesta lihaspalasta ( solua) mm. nopeiden ja hitaiden lihassolujen lukumäärä, mainittujen lihassolujen pinta-alasuhde, entsyymien aktiivisuuksia, eri proteiinien määriä ja lihasten hiussuonitusta. Taulukkoon 2 on kerätty joidenkin ihmisen luurankolihaksen lihassolujakaumia harjoittelemattomilla henkilöillä. Tuloksista nähdään, että vaihtelevuutta eri lihasten välillä on huomattavasti. Esimerkiksi leveä kantalihas (soleus) on ns. asentoa ylläpitävä lihas, joka on hidastyyppinen ollen aina kävellessä ja seistessä aktiivinen. Toisaalta se on myös vahva lihas, jonka voimakkaalla aktiivisuudella on suuri merkitys juoksussa ja ponnistuksessa eksentrisen vaiheen törmäysvoimien sietämisessä (Ishikawa ym. 2005). Sen sijaan esimerkiksi kaksoiskantalihas (gastrocnemius) on nopeatyyppinen lihas, joka aktivoituu nopeissa urheilusuorituksissa ja sen merkitys korostuu esim. juoksun ja ponnistuksen konsentrisessa työntövaiheessa tuottaen liikenopeuden. Urheiluvalmennuksessa on tärkeää lähteä liikkeelle lajianalyysistä, jolloin tiedetään lihasaktiivisuusmittausten avulla mitkä lihakset ovat aktiivisia lajisuorituksen eri vaiheissa. Näitä aktiivisia lihaksia voidaan sitten käyttää lihassoluanalyyseissä mm. etsittäessä lahjakkuuksia lajiin tai seurattaessa harjoittelun vaikutuksia. Nopeissa lihassoluissa on erotettavissa karkeasti kaksi alaryhmää (IIA ja IIX(B)), joista molemmat ovat nopeita supistumisominaisuuksiltaan mutta aineenvaihdunnallisesti erilaisia (taulukko 2). Useissa tutkimuksissa on havaittu, että IIA ja IIX -lihassolujen välillä voi tapahtua harjoitteluun perustuvaa solutyyppisiirtymää (Bamman ym. 2007). Esimerkiksi voimakkaan voimaharjoittelujakson jälkeisen lepojakson jälkeen on voitu havaita IIX -lihassolutyypin lukumäärän kasvua (Andersen ym. 2005). Lukumääräsuhdetta, perusjaottelun mukaisesti nopean ja hitaan solutyyppin välillä, pidetään kuitenkin periytyvänä ominaisuutena (esim. Komi ym. 1977). Tutkimukset ovat osoittaneet, että nopeat lihassolut IIX ja IIA pystyvät 10 ja 6 kertaa suurempaan maksimitehontuottoon kuin hitaat tyyppi I lihassolut (Widrick ym. 2002). Lisäksi nopeat lihassolut IIX ja IIA pystyvät 4,4 ja 3 kertaa suurempaan supistusnopeuteen kuin hitaat lihassolut (Malisoux ym. 2006). Lihas solujen voimantuotossa, kun se on suhteutettu sen poikki pinta-alaan, eroja ei ole kuitenkaan havaittu. Toisaalta absoluuttinen voimantuotto on nopeilla lihassoluilla suurempi kuin hitailla johtuen niiden % suuremmasta poikkipintaalasta (Malisoux ym. 2006). Nopeilla lihassoluilla on myös kyky suurempaan hypertro fiaan kuin hitailla lihassoluilla (Schoenfeld, 2000). Hitaissa lihassoluissa on puolestaan enemmän mitokontrioita ja siten parempi aerobinen kapasiteetti (esim. Sullivan & Pittman, 1987). Taulukossa 3 on esitetty nopeus-, voima-, kestävyys- ja palloilulajien urheilijoiden lihassolujen lukumääräsuhteita ja pinta-alasuhteita. Jälkimmäinen lasketaan siten, että verrataan yhtä montaa nopeaa ja hidasta solua (esim. 50 nopeata solua ja 50 hidasta solua). Tulos ilmaistaan absoluuttisina pinta-alayksikköinä, absoluuttisina suhdelukuina tai prosenttijakaumina. Jos halutaan tietää kuinka paljon lihaksiston tilavuudesta on kumpaakin solutyyppiä, voidaan lukumäärä- ja pinta-alatieto yhdistää. Taulukon 3 tulokset osoittavat, että suurta nopeut ta vaativissa lajeissa (esim. 100 metrin juoksu) nopeiden solujen suuri lukumäärä näyttää olevan varsin ratkaiseva. Oikeaoppisella harjoittelulla saadaan harjoitusvaikutukset ohjattua nopeisiin soluihin, jolloin niiden pinta-ala kasvaa. Sen sijaan paljon kestävyyttä vaativissa lajeissa (esim. murtomaahiihto, pitkät kestävyysjuoksut) huippu-urheilijoiden lihaksissa on runsaasti hitaasti supistuvia lihassoluja, jotka ovat edullisia aerobisessa energiantuotossa. Maksimivoima- ja palloilulajeissa ei äärimmäinen solutyyppi ole ilmeisesti välttämätöntä huippusuorituksen kannalta.

43 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 101 MOTORISTEN YKSIKÖIDEN KÄYTTÖÖNOTTO (REKRYTOINTI) Luurankolihaksessa voimantuoton lisäys tapahtuu keskus- ja ääreishermoston välityksellä ohjaamalla siihen lisää neuraalista käskytystä. Lisääntynyt käskytys aiheuttaa uusien motoristen yksiköiden käyttöönottoa eli rekrytoitumista ja/tai lisäämällä käytössä olevien yksiköiden käskytystiheyttä (syttymistaajuus). Motoristen yksiköiden rekrytointi seuraa ns. kokoperiaatetta (Henneman ym. 1965). Tämä tarkoittaa sitä, että voimaa aloitetaan tuottaamaan ensin pienillä hitailla motorisilla yksiköillä ja voiman tarpeen kasvaessa otetaan käyttöön yhä suurempia ja siten nopeampia motorisia yksiköitä. Nykytietämyksen mukaan motoristen yksiköiden rekrytoinnin kokoperaate pätee kaikkiin tilanteisiin. Vain muutama tutkimus on osoittanut motoristen yksiköiden käänteisen rekrytoinnin olevan mahdollista ja lähinnä vain eksentrisessä lihastyössä (Nardone, Romano ja Schieppati, 1989). Olemassa olevan tutkimusaineiston perusteella motoristen yksiköiden rekrytoinnin yläraja eli raja jolloin kaikki motoriset yksiköt ovat rekrytoitu, vaihtelee lihaskohtaisesti välillä 65 85% maksimaalisesta tahdonalaisesta voimantuotosta (esim. De Luca ym. 1982, Thomas ym. 1991, Van Cutsem ym. 1997). Alaraajojen ja vartalon lihasten osalta tuo raja on lähempänä 85 %:ia ja käsien lihaksilla 65 %:ia. Voiman loppuosa tuotetaan siis lisäämällä motoristen yksiköiden käskytystiheyttä. Kuten edellisestä voi päätellä, syttymisvoiman ja rekrytointi kynnyksen välillä on positiivinen yhteys. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että kestävyystyyppinen harjoittelu saa aikaan hitaiden motoristen yksiköiden käyttöönottoa (matala voiman vaatimus), kun taas voiman ja nopeuden harjoittelu aiheuttaa myös nopeiden motoristen yksiköiden rekrytoitumista. Pyrittäessä tuottamaan voimaa mahdollisimman nopeasti, uusia motorisia yksiköitä pyritään rekrytoimaan mahdollisimman nopeasti kokoperiaatteen mukaisesti. Nopeusvoimaharjoittelu laskee motoristen yksiköiden syttymiskynnystä ja siten niiden nopeampi rekrytointi on mahdollista. Samalla motoristen yksiköiden syttymistiheys kasvaa ja kaksoissyttymisten määrä lisääntyy (Christie ja Kamen 2006). Kaksoissyttyminen tarkoittaa sitä, että sama motorinen yksikkö syttyy kaksi kertaa normaalia suuremmalla syttymistiheydellä (syttymisten väli alle 10 ms) (Simpson 1969). Motoristen yksiköiden syttymisen synkronisaation ei ole havaittu lisäävän voimantuottoa tai sen nopeutta (Yao ym. 2000). Nopeuden ja maksimivoiman harjoittelussa ongelmana ei yleensä ole kyky rekrytoida kaikki motoriset yksiköt vaan tavoitteena on kehittää niiden hermotusta, jotta edellä mainitut positiiviset muutokset suorituskyvyssä saadaan aikaan. Tämä tapahtuu vain maksimaalisen yrityksen periaatteella eli harjoittelu on ns. hermostollista harjoittelua. Urheilusuorituksessa, jossa vaaditaan jossakin suorituksen vaiheessa maksimaalista voimaa tai nopeutta, on tärkeää, että neuraalinen käskytys on maksimaalista. Jos näin ei ole, lihaksen ohjaukseen on muodostunut neuraalinen vaje. Ihmisen kykyä ohjata lihasta voidaan tutkia laboratorio-olosuhteissa maksimaalisen tahdonalaisen isometrisen supistuksen (MVC) aikaisen lihaksen tai siihen johtavan motorisen hermon sähköstimulaatiolla (Merton 1954). Sähköstimulaation voimakkuuden tulee olla riittävä rekrytoimaan kaikki kyseessä olevan lihaksen tai lihasryhmän motoriset yksiköt. Jos ko. sähköstimulaatio saa MVC:n aikana aikaisek si lisävoimantuoton, on se merkki neuraalisesta vajeesta. MVC:n jälkeen sähköstimulaatio annetaan myös passiiviseen lihakseen, jolloin näitä arvoja käyttäen voidaan laskea aktivaatiotaso (esim. Allen, Gandevia & McKenzie, 1995). Tutkimuksissa on havaittu, että harjoittelemattomuus saattaa aiheuttaa ihmisillä neuraalista vajetta (Duchateau ja Hainaut 1987), kuten myös jotkut sairaudet (Gandevia ym. 2000) ja ikääntyminen (Kent-Braun ja Ng 1999). Tämä on merkki siitä, että nopeat motoriset yksiköt eivät kestä pitkäaikaista käyttämättömyyttä. Tästä johtuen esim. kestävyysharjoittelun tulee

44 102 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Taulukko 3. Ulomman reisilihaksen (vastus lateralis), kaksoiskantalihaksen (gastrocnemius) ja hartialihaksen (posterior deltoid) solujakaumia (lukumääräsuhde) ja pinta-alasuhteita urheilijoilla. Urheilulaji Ennätys Nopeita soluja (%) Nopeuslajit/juoksu Pintaala (NS/ HS) a Lähde m (miehet; n = 1) 10,2 s 74 1,25 Gollnick ym m (miehet; n = 2) 10, s b 0,64 1,32 Costill ym m (naiset; n = 2) 11, s b 0,79 1,18 Costill ym m (miehet; n = 9) 10,7 s 66 1,22 Mero ym m (miehet; n = 8) 11,1 s 62 1,15 Mero ym m (miehet; n = 8) 11,5 s 50 0,96 Mero ym m (miehet; n = 5) 10,62 s 60 1,22 Mero m (miehet; n = 6) 10,96 s 53 1,05 Mero m, korkein yksittäinen arvo (%) mies, ulkomaalainen 10,44 s 89 Bosco ym mies, suomalainen 10,58 s 84 1,22 Mero ym nainen, ulkomaalainen 11,4 s 73 b 1,18 Costill ym nainen, suomalainen 11,24 s 74 Mero m (naiset; n = 8) 12,22 s 56 0,96 Mero m aidat (miehet; n = 1) 13,49 s 64 _ Bosco ym m aidat (miehet; n = 1) 50,82 s 64 _ Bosco ym Nopeusvoimalajit/hypyt Pituus (miehet; n = 1) 7,96 m 53 b 1,56 Costill ym Korkeus (miehet; n = 3) 2,19 m 35 Bosco ym Korkeus (miehet; n = 8) 2,12 m 62 Viitasalo ja Aura 1984 Mäkihyppy (miehet; n = 9) maajoukkue 45 Rusko 1976 Maksimivoimalajit Painonnosto (n = 2) 51 Bosco ym Painonnosto (n = 13) maajoukkue 54 1,20 Häkkinen ym. 1987

45 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 103 Taulukko 3 jatkuu. Urheilulaji Ennätys Nopeita soluja (%) Pintaala (NS/ HS) a Lähde Kuula/kiekko (miehet; n = 4) 19,30/61,10 m 62 b 1,23 Costill ym Keihäs (miehet; n = 3) 78,60 m 50 b 1,03 Costill ym Paini c (n = 5) 42 Häkkinen ym Kestävyyslajit/juoksu 800 m (miehet; n = 6) kansallinen taso 55 Rusko m (miehet; n = 7) 1.51,5 48 b 0,86 Costill ym m (miehet; n = 10) maajoukkue 36 0,59 Kyröläinen ym m (miehet: n = 8) kansallinen taso 22 Rusko m (miehet; n = 5) 14.09,0 31 b 1,15 Costill ym Pienimmät yksittäiset arvot huippumaratoonarit 1 7 b Willmoreja Costill 1994 Hiihto (miehet; n = 17) maajoukkue 37 Rusko 1976 Hiihto (naiset; n = 5) maajoukkue 40 Rusko 1976 Uinti 32 d Costill ym Uinti 60 d Nygaard ja Nielsen 1978, Palloilulajit Jääkiekko (n = 6) maajoukkue 47 Rusko 1976 Jääkiekko (n = 19) kansallinen taso 50 Green ym a = NS = nopeat solut, HS = hitaat solut; nopeiden solujen pinta-ala on suurempi kuin hitaiden, kun suhdeluku on yli 1,00 b = tutkittu lihas kaksoiskantalihas (gastrocnemius) c = paini on myös voimakas kestovoimalaji d = tutkittu lihas hartialihas (posterior deltoid)

46 104 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET sisältää riittävästi nopeiden motoristen yksiköiden rekrytointia, joka tapahtuu maksimaalisen nopeuden tai lihasvoiman harjoittelulla. On myös mahdollista, että nopeusvoimalajien urheilijoilla hermostollinen ylikuntotila voi johtaa neuraaliseen vajeeseen. Hermostollinen säätely Ihmisen lihastyön kontrollista vastaavat keskushermoston neuraaliset järjestelmät. Nämä järjestelmät voidaan jakaa selkäydintason (spinaalinen) säätelymekanismeihin ja selkäydintason yläpuolisiin (kortikaalinen; supraspinaalinen) säätelymekanismeihin. Supraspinaaliset säätely mekanismit voidaan jakaa vielä aivorunkoon ja motoriseen kuorikerrokseen. Kaikki edellä mainitut mekanismit toimivat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa ja ovat siten toisistaan riipuvaisia. SUPRASPINAALINEN ELI KORKEAMPI SÄÄTELY Motorinen aivokuori on 3 mm paksu ja se koostuu kortikaalisista neuroneista (pyrmidaalisoluista, joiden aksonit yhdistyvät mm. motorisiin neuroneihin ja nonpyramidaalisoluista, jotka eivät poistu korteksista). Motorisen aivokuoren alueita ovat primaarinen, premotorinen ja suplementaarinen motorinen alue, johon vaikuttaa taaempi päälaenlohko ja prefrontaalinen assosiaatiokuorikerros. Motorisella aivokuorella eri lihasten (liikkeiden) vastaavuusalueet ovat edustettuina niiden vaativan hienomotoriikan perusteella siten, että tarkempi hienomotoriikka vaatii isomman vastaavuusalueen. Aivojen adaptaatioperiaatteen (plastisuus) mukaisesti nämä alueet voivat kuitenkin muokkautua. On voitu osoittaa, että esim. ammattipianisteilla on suuremmat sormien lihasten vastaavuusalueet kuin ei pianisteilla (Pascual-Leone ym. 1995). Viime tutkimukset ovat myös osoittaneet, että monipuolinen taitoharjoittelu lisää aivojen plastisuusvaraa jalkojen lihasten vastaavuusalueella, toisin kuten esim. kestävyysharjoittelu (Kumpulainen ym. 2014). Tämä voidaan tulkita siten, että monipuolinen taitoharjoittelu luo motorisen oppimisen resursseja, joita voidaan sitten hyödyntää tehokkaammin yksittäisen teknisen liikesuorituksen oppimisessa. Motorinen aivokuori määrittää liikkeen alun ja lopun. Pääsääntöisesti posteriorinen parietal -aivokuori vastaa liikeen ideasta, premotorinen avokuori vastaa sen suunnitelmasta ja primäärinen motorinen aivokuori vastaa liikkeen toteutuksesta. Motorisen aivokuoren käskystä käytetään nimitystä keskushermoston käsky (central command), joka johdetaan aivorunkoon ja selkäytimeen (kortikospinaalinen rata) ja sen motorisiin neuroneihin. Käsky palaa aivorungosta takaisin aivokuorella rinnakkaisena syttymisenä ( efference copy ), joka toimii referenssinä afferentille palautteelle. SPINAALINEN SÄÄTELY Spinaalisen tason säätely tapahtuu reflektorisesti, mutta ei on-off -tyypisesti. Keskushermoston muut järjestelmät (erityisesti aivorunko) modifioivat (lisäävät tai heikentävät) refleksien voimakkuutta. Reflektorinen säätely perustuu refleksikaaren toimintaan, joka muodostuu sensorisesta radasta, motorisesta radasta ja niiden välisestä synaptisesta yhteydestä selkäytimessä. Sensorisesta reseptorista lähtevä viesti kulkee sensorisen radan kautta selkäytimeen ja sieltä motorisen radan kautta lihakseen aiheuttaen sen supistumisen (esim. patellaarirefleksi). Vasta lihastoiminnan tapahduttua saadaan tieto aivoihin. Motoriseen toimintaan vaikuttavia reseptoreita kutsutaan proprioseptoreiksi, jotka havainnoivat systeemin itsensä tuottamia stimuluksia. Tärkeimpiä proprioseptoreita ovat lihasspindelit ja Golgin jänne-elimet. Lihasspindelit. Lihasspindelit keräävät sensorista tietoa lihassolujen pituuden muutoksista. Niiden päätehtävä on aktivoitua lihaksen venytyksestä ja välittää tästä tieto sensorista Ia afferenttia (myös II afferenttia) pitkin keskushermostoon. Ia afferentti synaptoituu motoriseen hermoon, jonka aktiivisuutta spindeli pyr-

47 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 105 Kuvio 9. Lihasspindelin rakenne. Lihasspindelit sijaitsevat rinnakkain lihassolujen kanssa ja lähettävät signaaleja selkäytimeen. Aivojen aktivoimat gammamotoneuronit säätelevät lihasspindelin herkkyyttä eri lihaspituuksilla (mukaeltu McArdle ym. 2015). kii näin lisäämään. Tämä tapahtuma jäykistää lihasta ja pyrkii siten vähentämään sen venytystä. Lihasspindeli voi aktivoitua myös isometrisessä ja konsentrisessä lihastyössä siihen menevän motorisen hermotuksen (gamma motoneuroni) vaikutuksesta. Kuviossa 9 on esitetty lihasspindelin rakenne ja kuviossa 10 sen toiminta. Lihasspindelin toiminnallinen merkitys korostuu tilanteissa, joissa lihakseen kohdistuu aktiivinen venytys eli yleensä urheilusuorituksessa juoksukontaktin tai ponnistuskontaktin törmäysvaiheessa. Venytysrefleksin kauttaa se lisää ko. vaiheen lihasaktiivisuuttaa ja mahdollistaa siten suuremman venytystä vastustavan lihasjäykkyyden ja voiman. Sen ansiosta kestetään paremmin törmäysvaiheen suuret voimat ja samalla voidaan tehokkaammin varastoida elastista energiaa ja hyödyntää sitä kontaktin työntövaiheessa. Lihasjäykkyyden (muscle stiffness) on siis oltava suuri törmättäessä alustaan, joillaisia tilanteita urheilussa on paljon. Venytysrefleksin merkitys lihasjäykkyyden säätelyssä on kiistaton kuten kuva 11 osoittaa. Refleksin ollessa poissa toiminnasta lihasjäykkyydet eri voimatasoilla ovat pienempiä kuin refleksin ollessa toiminnassa (Hoffer ja Andreassen 1981). Yksisuuntaisen, ideaalisen jousen jäykkyys (k) määritellään voiman muutoksen suhteena pituuden muutokseen: k=δf/δx. Koska lihas-jännekompleksilla on havaittu olevan jousen kaltaisia ominaisuuksia, ts. kykyä varastoida ja vapauttaa elastista energiaa, lihasjäykkyyttä ja sen säätelyä on tarkasteltu hermo-lihasjärjestelmän toiminnan kannalta monissa eri yhteyksissä myös pikajuoksuun liityen (esim. Luhtanen ja Komi 1980, Mero ja Komi 1986, Kuitunen ym. 2002). Lihasjäykkyydellä tarkoitetaan esim. juoksuaskeleen aikana sitä, että jalan ojentajalihakset estävät nivelkulmien (nilkka, polvi, lonkka) pienenemisen kontaktin aikana. Käytännössä jalkojen työn lihasjäykkyyttä on arvioitu laskemalla niveljäykkyyttä nivelmomentin muutoksena suhteessa nivelkulman muutokseen. Yleisperiaatteena hyvässä suorituksessa on suuri nivelmomentti ja pieni nivelkulmamuutos. Juoksuun sovellettuna tämä tarkoittaa lyhyttä kontaktia suurella voimalla ja mahdollisimman vähän nilkka- ja polvikulman muutosta. Lihasjäykkyyden suuruuteen vaikuttavat esiaktiivisuus, short-range jäykkyys (aktiini- ja myosiinifilamenttien väliset poikittaissillat venyvät kontaktin alussa säilyttäen jonkin aikaa jäykkyyttä, mutta sitten niiden keskinäinen ote irtoaa ja jäykkyys laskee), refleksiaktiivisuus (alkaa yleensä vaikuttaa ms kontaktin alun jälkeen lisäten jäykkyyttä), lihaksen elastiset rakenteet, lihas pituus ja lihasvoima. Käytännön urheiluvalmennuksessa kaikki edellä mainitut osatekijät vaikuttavat lihasjäykkyyden suuruuteen hermotoiminnan säätelemänä, mutta lihasvoiman osuus on yleensä tärkein. Tutkimustiedon perusteella (Butler ym. 2003) näyttää siltä, että lisääntynyt lihasjäykkyys parantaa suorituskykyä. Lihasjäykkyyden säätelyn kannalta tärkeässä roolissa on siis myös lihasten sähköinen (EMG) esiaktiivisuus eli lihasten aktiivisuus ennen maahan tapahtuvaa kontaktia. Kyseinen ilmiö tarkoittaa sitä, että lihaksen jäykkyys lisääntyy (esim. Nichols ja Houk 1976) valmistauduttaessa törmäykseen. Tämä on välttämätöntä, koska elektromekaanisen (aika sähköisen aktiivisuuden ja lihaksen voimantuoton välillä) ja venytysrefleksin viiveen vuoksi tapahtuisi lihaksis-

48 106 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Kuvio 10. Venytysrefleksin toiminta esimerkin avulla esitettynä. Lihasspindelin (lihassukkulan) sensoriset reseptorit (tuntohermot) syttyvät venytyksestä ja lähettävät signaalin selkäytimen kautta liikehermoihin ja lihassolut aktivoituvat ja lyhenevät. Seurauksena on lihasspindelin rauhoittuminen. ton pettämistä törmäyksessä alustaan, jos esiaktiivisuutta ei olisi. Lihasten esiaktiivisuus on ennalta ohjelmoitu aikaisemman kokemuksen (esim. harjoittelu) perusteella (Melvill Jones ja Watt 1971; Avela ym. 1994). Toisaalta ihminen pystyy muokkaamaan esiaktiivisuutta erilaisissa olosuhteissa hyvinkin nopeasti reseptori-informaation perusteella (Avela ym. 1994). Golgin jänne-elimet. Ne sijaitsevat jänteen ja lihaksen liittymäkohdassa aistien ensisijaisesti lihasvoiman muutoksia. Toiminta tapahtuu siten, että Golgin jänne-elimen reseptorit lähettävät signaaleja selkäytimeen (Ib afferentti) inhibitorisen välineuronin kautta, joka reflektorisesti inhiboi kuormitetun lihaksen motorisia neuroneja. Siten voidaan sanoa, että Golgin jänne-elinten päätehtävä on suojella lihasta ja sen sidekudoksia loukkaantumisilta, jota ylisuuret kuormitukset voivat aiheuttaa. Käytännön urheilutilanteissa lihaksen joutuessa kovalle venytykselle sekä lihasspindelit että Golgin jänne-elimet aktivoituvat. Lopullinen vaikutus suorituskykyyn riippuu siitä, kumpi refleksitoiminta hallitsee lisäävä (fasilitoiva) vai vähentävä (inhiboiva). Urheiluvalmennuksessa pyritään harjoittelun avulla, paitsi lisäämään lihaksen voimantuottoa ja lihasjäykkyyttää, myös Golgin jänne-elimen adaptaatioon siten, että sen syttymisen vaikutus siirtyy yhä korkeammille voimatasoille. Käytännössä tämä tarkoit-

49 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 107 Kuvio 11. Venytysrefleksin merkitys lihasjäykkyyden säätelyssä. Refleksin ollessa toiminnassa lihasjäykkyys on suurempi kuin sen ollessa poissa (mukaeltu Hoffer ja Andreassen 1981). taa sitä, että esimerkiksi pudotushyppytestissä, jossa testataan hypyn nousukorkeutta eri pudotus hyppykorkeuksilta, hypyn nousukorkeus ei pelkästään lisäänny vaan myös optimipudotuskorkeus (pudotuskorkeus, josta saadaan paras hypyn nousukorkeus) siirtyy korkeammille pudotuskorkeuksille. Tämä on silloin merkki siitä, että hermo-lihasjärjestelmä kestää suurempia törmäysvoimia. Tämä mahdollistaa esimerkiksi korkeushypyssä suuremman ponnistukseen tulonopeuden. Hemo-lihasjärjestelmän kuormittaminen Luonnollinen liikkuminen. Ihmisen luonnollisen liikkumisen, juoksemisen ja kävelyn, aikana luurankolihakset vuorotellen pitenevät ja supistuvat. Tätä ilmiötä kutsutaan lihaksen venymis-lyhenemissyklukseksi (stretch-shortening cycle, SSC) (Norman ja Komi 1979). Tällöin eksentrinen ja konsentrinen lihastoiminta vuorottelevat siten, että eksentrinen vaihe vaikuttaa sitä seuraavaan konsentriseen lihastyövaiheeseen. Liikkumisen aikana jalan ojentajalihakset aktivoituvat jo ennen törmäystä (Melvill-Jones ja Watt 1979; Dietz ym. 1979). Tämän esiaktiivisuuden ajoittuminen ja suuruus riippuvat mm. jalan asennosta, odotetusta törmäyshetkestä alustaan ja oletetusta törmäyksen voimakkuudesta (Dietz 1979). Lihaksen aistinelimet (lihasspindeli ja Golgin jänne-elin) aistivat lihaspituuden ja -voiman muutoksia, ja tieto välittyy afferenttihermoja pitkin selkäytimeen. Tällä tavoin kontrolloidaan hermo-lihasjärjestelmän toimintaa joko lisäämällä lihasaktiivisuutta (lihasspindelin kautta tulevat fasilitoivat tekijät) tai vähentämällä sitä (Golgin jänne-elimen kautta tulevat inhibitoriset tekijät). Onkin esitetty, että esiaktiivisuus käynnistää lihastoiminnan kannalta sopivan refleksiaktiivisuuden, jolla lisätään lihasten jäykkyyttä ja puskuroidaan suuria törmäysvoimia (Gollhofer ym. 1984). Tämän on todettu myös parantavan liikkumisen taloudellisuutta juoksun aikana (Kyröläinen ym. 1995). Esimerkiksi juoksunopeuden lisääntyessä jalan lihakset lisäävät aktiivisuuttaan valmistautuessaan törmäykseen (kuvio 12). Lonkan, polven ja nilkan ojentajalihakset lisäävät aktiivisuuttaan ennen alustakontaktia sekä heti kontaktin alussa. Kuitenkin suurimmat lihasaktiivisuuden lisäykset on havaittu reiden takaosan

50 108 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET EMG (μv) Maksimi Hidas Iso pakaralihas 800 (μv) Ulompi reisilihas (μv) Kaksipäinen reisilihas (μv) Kaksoiskantalihas (μv) Etummainen säärilihas 200 Aika (100 ms ) Kontaktin alku loppu Kuvio 12. Eräiden jalan ojentajalihasten lihasaktiivisuusmallit kestävyysjuoksijoilla juostaessa hitaasti (ohut viiva) ja maksimaalisesti (paksu viiva) (Kyröläinen ym. 1999). lihaksissa (hamstring-lihakset) (Kyröläinen ym. 1999). Kahden nivelen yli menevinä lihaksina niiden aktiivisuus lisääntyy koko askelsyklin ajan, kun ne sekä ojentavat lantiota sekä koukistavat polvea. On esitetty, että nämä lihakset venyessään, juoksun lentovaiheen aikana, varastoivat elastista energiaa (Simonsen ym. 1985). Siten hamstring-lihakset ovat tärkeitä tehon tuottajia ja sitä kautta nopeuden lisääjiä juoksemisen aikana (Kyröläinen ym. 1999). Nopea liikkuminen. Pikajuoksussa voimantuottoaika on lyhyt (noin 0,100 s) ja sitä edeltää keskeisten jalkalihasten esiaktiivisuus. Kuvios-

51 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 109 EMG (mv) 0,6 0,4 0,2 0,0 0,6 0,4 0,2 0,0 ISOM MAX ISOM MAX JUOKSU SOL GA Kontaktiaika (ms) Kuvio 13. Pikajuoksijoiden maksimaalisten kiihdytysjuoksujen lihasaktiivisuudet leveässä kantalihaksessa (SOL) ja kaksoiskantalihaksessa (GA). Juoksun EMG-käyrän alapuolella nähdään jalkadynamometrissä pohkeilla tuotetun maksimaalisen isometrisen voiman lihasaktiivisuus (Mero ym. 2001). sa 13 on pikajuoksijoiden maksimaalisten kiihdytys juoksujen (10 m, 20 m, 30 m, 40 m) kontaktin (100 kontaktin keskiarvo) aikainen lihasaktiivisuus leveässä kantalihaksessa (SOL) ja kaksoiskantalihaksessa (gastrocnemius, GA). Kuviosta nähdään, että refleksiaktiivisuutta ajoittuu ms:n väliselle alueelle kontaktin alusta. Kuviosta nähdään myös se, että pikajuoksussa maksimaalinen isometrinen voimantuotto pohkeilla (plantaarifleksio) ei aiheuta niin suurta lihasaktiivisuutta kuin pikajuoksun dynaaminen voimantuotto kontaktissa. Taloudellisuus ja mekaaninen hyötysuhde. Taloudellisuus voidaan määritellä hapenkulutuksena submaksimaalisen kuormituksen aikana. Mekaaninen hyötysuhde on hyvä silloin, kun henkilö kykenee suorittamaan suuren työmäärän pienellä energiankulutuksella. Aerobisen kuormituksen aikana energiankulutus voidaan laskea mittaamalla hapenkulutus ja hengitysosamäärä sekä tuntemalla sitä vastaava kalorisen ekvivalentin arvo. Toistaiseksi tunnetaan vain osa tekijöistä (kuvio 14), jotka selittävät henkilöiden välisiä eroja hapen- ja energiankulutuksessa tehtäessä työtä samalla kuormalla. Biomekaanisia ja suoritustekniikkaan liittyviä tekijöitä on mitattu paljon, mutta mitään yksittäistä tekijää ei ole löydetty selittämään liikkumisen (juoksemisen) taloudellisuutta (Williams ja Cavanagh 1987, Kyröläinen ym. 2001). Kuitenkin liian pitkä jarrutusmatka etutukivaiheessa (vaakanopeuden hidastuminen) ja kehon painopisteen suuri pystyheilahtelu ovat tekijöitä, joiden on todettu heikentävän taloudellisuutta. Lisäksi on viitteitä siitä, että lihas-jännekompleksin elastisuudella voisi selittää juoksemisen taloudellisuutta. Kenialaisten juoksijoiden hyvyyttä on pyritty selittämään jo vuosi kymmeniä. Uusimmat tutkimukset osoittavat, että heillä on poikkeuksellisen pitkä akillesjänne, joka on yhteydessä elastisen energian hyödyntämiseen ja siten taloudelliseen ja tehokkaaseen suoritukseen sekä hyppelyissä että juoksun aikana (Sano ym. 2013; Kunimasa ym. 2014). Kehon rakenteellisten tekijöiden lisäksi taloudellisuutta selittää hermo-lihasjärjestelmän tehokas toiminta, joka korostuu entistä enemmän vauhdin lisääntyessä. Tällöin esiaktiivisuuden ja optimaalisen refleksitoiminnan avulla luodaan perusta kimmoisalle ja ener giaa säästävälle askeltamiselle (suuri lihasjäykkyys). Tätä ominaisuuutta voidaan parantaa harjoittelemalla. Maksimivoimanharjoittelun on todettu parantavan juoksemisen taloudellisuutta 5,0 % (Storen ym. 2008). Lisäksi hyppelyt (Turner ym. 2002) ja yhdistetty kestävyys- ja voimaharjoittelu (Millet ym. 2002) ovat myös parantaneet juoksun taloudellisuutta.

52 110 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Lihasväsymys Paikallinen lihasväsymys on pääosin voimantuottoa häiritsevien aineenvaihduntatuotteiden kasautumista (ensisijaisesti vetyionien kasaantumista eli lihaksen happamuuden (ph) laskua) ja / tai energiavarastojen (fosfokreatiini, glykogeeni) vähenemistä. Anaerobisen aineenvaihdunnan seurauksena syntyvät vetyionit aiheuttavat muutoksia myös lihastoiminnan neuraaliseen ohjaukseen sensorisen takaisinkytkennän kautta. Neuraalisessa ohjauksessa voi tapahtua kuitenkin myös itsenäisiä muutoksia, jotka johtavat neuraalisen ohjauksen vähenemiseen ja siten lihaksen tuottaman voiman heikkkenemiseen. Lihasväsymys voidaan määritellä lihaksen maksimaalisen voimantuoton heikkenemisenä tai tarpeena lisätä neuraalista ohjausta tarvittavan submaksimaalisen voiman tai tehon ylläpitämiseksi (Bigland-Ritchie 1981; Enoka 2008). Käytännössä lähes mikä tahansa urheilusuoritus tai harjoite aiheuttaa jonkin asteista lihasväsymystä. Mielenkiintoinen ilmiö lihasväsymyksen osalta on se, että sen mekanismit ovat tavoiteriippuvaisia (Enoka 2008). On helppo ymmärtää, että esimerkiksi 100 m juoksu ja maratonjuoksu aiheuttavat erilaisen väsymysreaktion ja niistä palautuminen tapahtuu erilaisella aikaviiveellä. Tästä johtuen urheiluvalmennuksen kannalta on hyvin tärkeää ymmärtää lajin vaatimukset lihasväsymysmekanismien kannalta. Hermo-lihasjärjestelmän väsymys voidaan jakaa kolmeen luokkaan (Bigland-Ritchie ja Woods, 1984): 1) keskushermoston väsymys (sentraalinen väsymys), 2) hermoimpulssin siirtyminen keskushermostosta lihakseen, ja 3) yksittäisten lihassolujen väsymys (perifeerinen väsymys). Sentraalisen väsymyksen mekanismien tarkoituksena on lähinnä optimoidan neuraalisen ohjauksen syttymistaajuus (hidastaa sitä) suhteessa väsymyksen aiheuttamaan lihaksen voimantuoton heikkenemiseen ja erityisesti hidastumiseen. Tämä tapahtuu pääsääntöisesti reflektorisesti (Ia afferentin presynaptinen inhibitio) perustuen lihaksen perifeerisen väsymyksen mekanismeihin. Tässä tehtävässä lihaksissa sijaitsevien vapaiden hermopäätteiden (III ja IV afferentit) rooli on merkittävä, sillä ne syttyvät esim. lihasväsymyksen aiheuttamien lihaksen aineenvaihdunnallisten muutosten takia. Kuvio 14. Juoksun taloudellisuuteen vaikuttavia tekijöitä (muokattu Saunders ym. 2004).

53 4.2 Hermo-lihasjärjestelmän rakenne ja toiminta 111 Erityisen mielenkiintoinen havainto on se, että lihas-jännekompleksin rakenteen löystyminen voi aiheuttaa myös spinaalisella tasolla neuraalisen ohjauksen heikkenemistä. Tutkimuksissa on havaittu, että voimakas tai jatkuvasti toistettu lihasvenytys aiheuttaa tämän löystymisen ja siten heikentää lihasspindelin venytysvastetta. Tämä vähentää Ia-afferentin aktiivisuuden summautumista motorisessa neuronissa vähentäen siten motorisen neuronin aktiivisuutta (Avela ym. 1999; Avela ym. 2004; Cramer ym. 2004). Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että tarpeeton venyttely (erityisesti staattinen venyttely) lihaslämmittelyn yhteydessä voi heikentää urheilusuorituksessa tarvittavaa voimantuottoa. Tässä urheilijan vastuu on kuitenkin suuri, koska venyttelyllä valmistetaan lihaksistoa tulevaan suoritukseen ja voidaan siten myös estää loukkaantumisia. Urheilijan täytyy itse tuntea milloin ja minkä asteinen venyttely on tarpeellista. Sentraalinen väsymys voi kuitenkin olla joissakin tapauksissa lihaksen voimantuottoa rajoittava tekiä. Silloin kysymyksessä on lähinnä supra spinaalisten tekijöiden vaikutus. Tällöin motoristen yksiköiden syttymistaajuus laskee enemmän kuin voimantuoton ohjauksen kannalta olisi tarkoituksenmukaista tai kaikkein nopeimmat motoriset yksiköt eivät rekrytoidu lainkaan. Perifeerisessä väsymyksessä mahdollisia mekanismeja on useita. Käytännön urheiluvalmennuksessa keskeiset väsymisen aiheuttajat ovat lihasten energiavarastojen väheneminen / loppuminen ja intensiivisessä anaerobisessa lihastyössä happamuuden lisääntyminen lihaksessa. Jälkimmäinen vaikeuttaa ratkaisevasti voimantuottokoneiston toimintaa (entsyymitoiminnan heikkeneminen ja välisiltojen toiminnan esto) (esim. Maughan ja Gleeson 2010). Hapen puutteessa glykolyysin lopputuotteena lihaksissa syntyvä maitohappo hajoaa nopeasti muodostumisen jälkeen vety- ja laktaattiioneiksi, jotka kuljetetaan tai diffusoituvat lihassolukalvon läpi verenkiertoon ja muihin kehon nesteosiin. Nopeat lihassolut (IIa- ja IIb-tyypin solut) ovat erikoistuneet anaerobiseen energiantuottoon, joten ne vastaavat pääosin maitohapon tuotosta. Sen sijaan hitaat lihassolut (I-tyypin solut) kykenevät II-tyypin soluja paremmin käyttämään laktaattia hyväksi palorypälehapon uudismuodostuksessa. Suurin osa laktaatista siirtyy kuitenkin sydänlihakseen ja maksaan, joissa se käytetään joko suoraan energiantuotossa (sydänlihas) tai glukoosin muodostuksessa (Corin sykli). Laktaatti on siis pieni lisäetu energiantuottoon, kun taas lisääntynyt vetyionipitoisuus on paikallisen lihasväsymyksen suurin aiheuttaja (esim. Maughan ja Gleeson 2010). Käytännön valmennuksssa mitataan veren laktaattia, mikä korreloi hyvin veren ph:n kanssa. Veren laktaatin noustessa veren ja lihaksen ph -arvo laskee eli happamuus lisääntyy. Yhteenveto 1. Ihmisen lihastyön kontrolliin osallistuvat keskushermoston neuraaliset järjestelmät (aivot ja selkäydin) ja niiden yhteistyö ääreishermoston kanssa (selkäydinhermot ja autonomisen hermoston hermot). Myös lihaksista tulevalla sensorisella palautteella (feedback) on merkittävä rooli lihastyön kontrollissa. 2. Ihmisellä on yli 660 luurankolihasta, jotka osallistuvat liikkeiden ja liikkumisen toteuttamiseen. Lihaksen supistuva komponentti on luonnollisesti absoluuttisesti suurin voiman tuottaja. Urheiluvalmennuksen kannalta on kuitenkin oleellista tuntea kaikki voimantuottoon vaikuttavat tekijät, jotka voidaan jakaa lihasmekaanisiin ja hermostollisiin tekijöihin.

54 112 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET 3. Motorinen yksikkö sisältää motorisen hermon, sen aksonin päätehaaroineen ja niiden hermottamat lihassolut. Motorisia yksikköjä on ihmisellä eri lihaksissa eri määrä vaihdellen muutamista kymmenistä yli tuhanteen. Motoriset yksiköt luokitellaan kolmeen eri ryhmään: (1) nopea ja väsyvä, (2) nopea ja väsymystä sietävä ja (3) hidas ja väsymystä hyvin sietävä. 4. Lihassoluja kuuluu yhteen motoriseen yksikköön muutamasta solusta useampaan tuhanteen soluun. Lihassolutyypit ovat hidas (I) ja nopea (II), joista jälkimmäisellä on kaksi alatyyppiä IIA, IIB (nykyisin IIB tyyppiä kutsutaan IIX:ksi). 5. Nopeuslajien urheilijoilla on enemmistö nopeita lihassoluja. Tutkimusten mukaan korkein arvo 89 % on mitattu pikajuoksijalta. Kestävyysurheilijoilla (pitkäkestoiset lajit) on enemmistö hitaita lihassoluja ja huippumaratoonareilta on mitattu jopa % hitaita lihassoluja kaksoiskantalihaksesta. 6. Motoristen yksiköiden käyttöönotto eli rekrytointi noudattaa kokoperiaatetta eli pienet hitaat motoriset yksiköt otetaan ensin käyttöön ja sen jälkeen suuret nopeat motoriset yksiköt. Pyrittäessä tuottamaan voimaa mahdollisimman nopeasti, uusia motorisia yksiköitä rekrytoidaan mahdollisimman nopeasti kokoperiaatteen mukaisesti. Nopeusvoimaharjoittelu laskee motoristen yksiköiden syttymiskynnystä ja siten niiden nopeampi rekrytointi on mahdollista. Samalla motoristen yksiköiden syttymistiheys kasvaa ja kaksoissyttymisten määrä lisääntyy. Tämä tapahtuu vain maksimaalisen yrityksen periaatteella eli harjoittelu on ns. hermostollista harjoittelua. 7. Ihmisen lihastyön säätelyjärjestelmät voidaan jakaa selkäydintason säätelymekanismeihin ja selkäydintason yläpuolisiin säätelymekanismeihin. Liikkumisessa ja urheilussa selkäydintason tärkeimmät hermostolliset säätelymekanismit liittyvät lihasspindelin ja Golgin jänne-elimen toimintaan. 8. Lihasspindeli toimii venymis-lyhenemissyklissä nopean venytyksen ja lihaksen esiaktiivisuuden yhteydessä aiheuttaen venytysrefleksin, joka lisää lihasjäykkyyttä, vastustaa lihaksen venytystä ja antaa siten elastisen energian hyödyntämisen kautta lisävoimaa (liikenopeutta) lyhenemissykliin. Samalla se lisää lihastoiminnan taloudellisuutta. 9. Golgin jänne-elin toimii nopeaa ja suurta voimaa vaativissa kuormitustilanteissa refleksi-inhibitiona suojellen lihasta, sen sidekudoksia ja jännettä. 10. Normaalissa urheilutilanteessa molemmat edellä mainitut refleksitoiminnat aktivoituvat. Lopullinen vaikutus riippuu siitä, kumpi refleksitoiminta hallitsee. Oikealla harjoittelulla (lajinomainen harjoittelu tai plyometrinen harjoittelu) voidaan refleksitoimintoja kehittää siten, että venytysrefleksi voimistuu ja toisaalta Golgin jänne-elimen inhibitio vaimenee. 11. Lihasväsymystä voi ilmetä sekä sentraalisella että perifeerisellä hermo-lihasjärjestelmän alueilla. Keskeiset väsymisen aiheuttajat urheilussa ovat aineenvaihduntatuotteiden kasautuminen, lihaksen happamuuden (ph) lasku ja/tai energiavarastojen (fosfokreatiini, glykogeeni) väheneminen. Nämä voivat myös reflektorisesti heikentää lihaksen neuraalista ohjausta.

55 Proteiinisynteesi ja proteiinien hajoaminen Juha Hulmi, liikuntatieteiden tohtori, akatemiatutkija, liikuntafysiologian dosentti, Jyväskylän yliopisto Antti Mero, liikuntatieteiden tohtori, liikuntafysiologian professori, valmennusopin dosentti, Jyväskylän yliopisto Perimä antaa raamit kudosten koolle ja laadulle, mutta elämäntavoista riippuen ne muokkaantuvat lapsuuden, nuoruuden, aikuisuuden ja ikääntymisen aikana huomattavasti. Luurankolihakset ovat jänteiden kautta luuhun tai luuranko rustoon kiinnittyviä poikkijuovaisia tahdonalaisia lihaksia. Urheiluharjoittelussa kiinnostaa erityisesti luurankolihasmassa, mikä vaikuttaa ratkaisevasti voimantuottoon. Toki muutkin kudokset ovat tärkeitä urheilussa kuten esimerkiksi poikkijuovainen tahdosta riippumaton sydänlihas. Muokkaavia tekijöitä ovat muun muassa fyysinen työ, fyysinen urheiluharjoittelu, ravinto, ikä, sairaudet, onnettomuudet ja pahat vammat. Esimerkiksi erilaisissa vammoissa lihaskudos pienenee jopa % tietyissä kehon osissa. Onneksi kuitenkin yleensä lihasmassa voidaan palauttaa osittain tai jopa kokonaan ravinnolla, lihasharjoittelulla ja tarvittaessa lääkkeillä. Urheiluharjoittelussa keskeistä on Lihaksen proteiiniaineenvaihdunta synteesi Aminohapoproteiini Lihas- hajoaminen % muutos ateria ravinnolla saavutettu lisäys ateria Aika (h) paastomenetys Lihasproteiinisynteesi Lihasproteiinien hajotus Tasapainoolosuhteet synteesi Lihasproteiini Aminohapot % muutos voimaharjoitus ravinnolla saavutettu lisäys paastomenetys Lihasten mikrovaurioiden korjaantuminen ja lihaskasvu ateria ateria hajoaminen Aika (h) Kuvio 1. Lihaksessa kuten muissakin kudoksissa jatkuvasti proteiineja vaihdetaan uusiin. Kun lihaksen koko ei muutu, proteiinien hajotus aminohapoiksi on vuorokausitasolla keskimäärin yhtä suurta kun niiden synteesi. Lihasten kasvaessa proteiinien synteesi aminohapoista on suurempaa kuin niiden hajotus voimaharjoituksen ja riittävän tai optimaalisen proteiinin- ja energiansaannin seurauksena. Muokattu lähteestä Burd ym

56 114 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET luurankolihaksen kehittäminen ja lisäksi erityisesti kestävyysharjoittelussa korostuu sydänlihaksen vahvistaminen. Näissä kummassakin tärkeässä fysiologisessa roolissa on proteiinisynteesi ja proteiinien hajoaminen. Kuviossa 1 on havainnollistettu lihaksen proteiiniaineenvaihduntaa. Luurankolihaksen kasvuperiaate. Lapsella on luurankolihaskudosta noin 25 % painostaan, tavallisella terveellä miehellä noin 45 % ja naisella noin 35 % ja vähärasvaisilla lihaksikkailla ja hoikilla ihmisillä tätä enemmän. Ikääntyessä lihasmassan suhteellinen osuus vähenee. Yksilöllisiä eroja on paljon. Luurankolihasmassasta noin % on proteiineja ja loput enimmäkseen vettä, mutta muutamia prosentteja yhteensä myös hiilihydraatteja, rasvaa ja nukleiinihappoja. Koko kehon proteiineista luurankolihakset käsittävät noin %. Luurankolihasten proteiineilla on melko hidas vaihtuvuus, mutta niitä hajotetaan ja vastaavasti uudismuodostetaan kuitenkin jonkin verran päivittäin. Aikuisella voimaharjoittelu on tärkein lihaskasvua aikaansaava sallittu menetelmä. Perusmekanismi on se, että lihassolujen proteiineja rakennetaan enemmän kuin niitä hajotetaan. Lihassolujen eli lihassyiden tilavuudesta suuri osa on putkimaisia myofibrillejä, jotka toteuttavat lihassupistuksen. Lihaskasvussa myofibrillien koko ja lukumäärä kasvaa ja tästä seuraa lihassolujen paksuuden kasvu eli hypertrofia, mikä lisää voimantuottoa (Folland ym. 2007). Ihmisen lihassolujen lukumäärä ei näytä kasvavan merkittävästi, vaan se on voimakkaasti geneettisesti säädelty. Kun lihassolut kasvavat, lihaksen tukikudoksen ja muiden rakenteiden määrä näyttää kasvavan suurin piirtein samassa suhteessa myofibrillaaristen proteiinien kasvun kanssa. Kestävyysurheilussa on vastaavasti olennaista solujen aerobisten koneistojen proteiinien (esim. mitokondriot ja niiden entsyymit) määrän lisääntyminen. Proteiinisynteesi on siis tärkeä mekanismi kaikissa urheilulajeissa lihasten adaptoitumisessa harjoittelun vaikutuksesta. Lihassolujen kasvaessa solujen proteiinisynteesikapasiteetin pitää myös lisääntyä, jotta saadaan aikaan entistä enemmän proteiineja ja kasvua. Jotta saadaan lisää tumia, käytetään nykytiedon mukaan apuna lihaskantasolujen erästä muotoa eli satelliittisoluja. Ne sijaitsevat lihassolukalvon ja lihassoluja ympäröivän tyvikalvon välisessä tilassa. Voimaharjoittelun myötä satelliittisolujen määrä lisääntyy ja ne sulautuvat lihassoluun ja luovuttavat tumansa lihassolulle. Siten proteiinisynteesikapasiteetti kasvaa ja tekee mahdolliseksi aiempaa voimakkaamman lihaskasvun (Adams ja Bamman 2012). Sydänlihas. Sydänlihasta (myokardium) on sydämen seinissä paksuna keskimmäisenä kerroksena epikardiumin ja endokardiumin välissä. Se muodostuu sydänlihassoluista (kardiomyosyytit). Viime vuosina on alettu ymmärtämään, että myös sydänlihassolut pystyvät jossain määrin uusiutumaan (Bergmann ym. 2009). On arvioitu, että 20-vuotiaalla sydänlihassolut uusiutuvat keskimäärin 1 % vuodessa ja vastaavasti 75-vuotiailla enää 0,5 %. Koko eliniän aikana ihmisen sydänlihassoluista mahdollisesti noin 50 % uusiutuu. Tässä olennaisena on solujen uudistumisprosessien lisäksi myös proteiinisynteesi. Kovassa kestävyysharjoittelussa (maksimaalisen hapenoton harjoittelu ja korkeaintensiivinen intervalliharjoittelu) sydänlihas tekee kovaa lihastoimintaa ja seurauksena on erilaisia muutoksia sydämen rakenteessa, kuten laajentuneet ontelot ja sydämen lihaksiston vahvistuminen. Ihmisellä sydänlihaksen proteiinisynteesiä ja hajotusta ei kuitenkaan pystytä tutkimaan vastaavasti kuin luurankolihasta. Proteiinisynteesi. Proteiinisynteesi on biologinen prosessi, jolla solu valmistaa aminohapoista proteiineja (kuvio 2). Lihasproteiinien rakentaminen etenee siten, että tumissa rakennetaan DNA:n geenien ohjeen avulla viesti eli lähetti-rna (transkriptio), minkä jälkeen ribosomeissa tästä viestistä rakennetaan amino happoja ketjuttamalla proteiini (tai proteiineja) prosessissa, jota kutsutaan translaatioksi. Lopuksi proteiinia vielä muokataan.

57 4.3 Proteiinisynteesi ja proteiinien hajoaminen 115 SOLULIMA TUMA DNA:n proteiinia koodaava osa 3. Lähetti-RNA kuljetetaan solulimaan 4. lrna-rna muodostaa ribosomien ja proteiniinien kanssa translaation aloituskoneiston 1. DNA:n transkriptio RNA:ksi intronit eksonit DNA:n mallijuoste Lähetti- RNA 5. Siirtäjä-RNA:t kiinnittyvät aminohappoihin 6. Siirtäjä-RNA-proteiini -kompleksi kiinnittyy ribosomiin,jossa aminohapot liittyvät toisiinsa lrna:n ohjeiden mukaiseen järjestykseen 2. Esiaste-RNA silmukoidaan lähetti RNA:ksi 7. Aminohappoketju kasvaa 8. Valmis proteiiniketju laskostuu kolmiulotteiseksi rakenteeksi Kuvio 2. Proteiinisynteesin vaiheet. Tavallisella terveellä ihmisellä proteiinien hajotus ja rakentaminen ovat tasapainossa ja nämä prosessit ovat koko ajan käynnissä. Sairauksissa ja erilaissa paastoissa proteiinien hajotus on suurempaa kuin niiden rakentaminen eli synteesi. Voimaharjoituksen aikana proteiinisynteesi on melko vähäistä, mutta se kiihtyy pian harjoituksen jälkeen ja on kiihtynyt tuntia harjoituksen jälkeen (Phillips ym. 1997). Myös kovan intensiteetin kestävyysharjoituksen, kuten lihaksia kovasti kuormittavan pyöräilyn jälkeen proteiinisynteesi on lihaksissa koholla, tosin ei aivan yhtä paljon kuin voimaharjoituksen jälkeen (Levenhagen ym. 2002, Breen ym. 2011, Lunn ym. 2012). Proteiinisynteesi on keskeistä sekä luurankolihaksen ja sydänlihaksen myofibrillien että mitokondriaalisten proteiinien rakentumisessa. Proteiinisynteesin säätelyverkko on hyvin laaja ja tietämys siitä lisääntyy koko ajan kovaa vauhtia. Se on tällä hetkellä (vuonna 2015) eräs liikuntafysiologian päätutkimusalueita. Proteiiniravinnolla ennen harjoitusta sekä sen aikana ja jälkeen on suuri vaikutus proteiinisynteesin aktiivisuuteen sekä voimaharjoituksen (van Vliet ja Burd 2015) että kestävyysharjoituksen (Breen ym. 2011, Lunn ym. 2012, Rowlands ym. 2015) jälkeen. Tämänhetkisen tutkimustiedon perusteella proteiinisynteesin ensisijainen rajoittava tekijä on translaation aloitus. Proteiini ravinnossa on olennaista tiettyjen amino happojen, kuten leusiinin aistiminen. Leusiini on lihassoluille viesti, joka kiihdyttää proteiinisynteesiä. Käytännössä proteii-

58 116 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET nin laadun määrääkin sekä välttämättömien aminohappojen että erityisesti leusiinin määrä. Esimerkiksi herassa on leusiinia noin 12 % ja muissa proteiineissa yleensä maksimissaan 8 9 %. Käytännössä noin 2 3 grammaa leusiinia tai noin 0,3 0,5 g / painokilo proteiinia kerta-annoksena näyttäisi keskimäärin olevan riittävästi optimoimaan lihasten proteiinisynteesin treenin jälkeen. Proteiinien hajotus. Proteiineja hajotetaan alkuperäisiksi aminohapoiksi ja niiden hajotustuotteiksi. Koko tässä hajottamisessa proteolyyttiset eli proteiineja hajottavat entsyymit ovat keskeisiä tekijöitä. Solun proteiineja luurankolihaksissa hajotetaan päivittäin, uusia proteiineja syntetisoidaan ja viallisia korjataan. Tietyissä erikoistilanteissa, kuten pitkissä uupumukseen johtavissa kestävyyssuorituksissa ja paastossa, proteiineja hajotetaan ja aminohappoja käytetään normaalia huomattavasti enemmän energiaksi (jopa %). Energiaksi käytetään lihaksissa paljon mm. haaraketjuisia aminohappoja (leusiini, isoleusiini ja valiini). Lisääntyneen proteiinien hajotuksen seurauksena tapahtuva aminohappojen määrän nousu on myös signaali kiihdyttää myöhemmin proteiinisynteesiä, jos energiaa on runsaasti tarjolla. Lyhytaikainen katabolinen tila harjoituksen seurauksena ei ole siis asia, jota pitäisi pelätä, kunhan muistaa syödä tämän jälkeen hyvin. Lihakset toimivatkin lähtökohtaisesti niin, että lihaskasvua tapahtuu eli proteiinisynteesi on suurempi kuin hajotus lähinnä vain, kun energiatilanne ei ole päivästä toiseen negatiivinen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että lihaksia ei kannata ainakaan edistyneemmillä urheilijoilla yrittää kasvattaa samaan aikaan kun ollaan energiavajeessa. Laadukkaan proteiininsaannin lisäksi myös riittävä energiansaanti onkin erittäin tärkeää kun harjoitellaan kovaa. KUVA: SHUTTERSTOCK

59 Hengitys- ja verenkiertoelimistö Esa Hynynen, liikuntatieteiden tohtori, urheilufysiologian asiantuntija Kilpa- ja huippu-urheilun tutkimuskeskuksessa Johdanto Hengityslihasten, hengitysteiden ja keuhkojen muodostamasta kokonaisuudesta käytetään nimitystä hengityselimistö. Se huolehtii keuhkotuuletuksesta ja hapen siirtämisestä ulkoilmasta verenkiertoon sekä hiilidioksidin siirtämisestä verenkierrosta ulkoilmaan. Sydän, veri ja verisuonisto muodostavat verenkiertoelimistön, joka kierrättää verta sydämen, kudosten ja keuhkojen välillä. Hengitys- ja verenkiertoelimistön yhteistoiminta sovitetaan kulloisenkin kuormituksen vaatimalle tasolle siten, että kaasujen vaihto kudosten, veren ja ulkoilman välillä vastaa elimistön tarpeita. Kestävyyssuorituskyvyn kannalta keskeisin muuttuja on maksimaalinen hapenottokyky, joka puolestaan on suoraan yhteydessä sydämen maksimaaliseen minuuttitilavuuteen (kuvio 1). Maksimaalinen hapenotto kyky tarkoittaa suurinta määrää happea, mitä elimistö voi ottaa ulkoilmasta ja käyttää lihastyössä. Hengityselimistön osuus on siirtää happi ulkoilmasta verenkiertoon ja verenkiertoelimistön puolestaan kuljettaa verta keuhkojen ja muun elimistön välillä. Tämän pohjalta on helppo ymmärtää, miksi oheisen kuvion esittämä yhteys on näin vahva. 40 Maksimaalinen sydämen minuuttitilavuus (l/min) ei-urheilijat kestävyysurheilijat ,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Maksimaalinen hapenottokyky (l/min) Kuvio 1. Maksimaalisen hapenottokyvyn ja sydämen minuuttitilavuuden yhteys. Minuuttitilavuus on iskutilavuuden ja lyöntikertojen tulo minuutissa (mukaeltu lähteestä McArdle ym. 2015).

60 118 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Kuvio 2. Hengityselimistön rakenne (Keskinen 2007). Hengityselimistön rakenne ja tehtävä Hengitystiet koostuvat ylä- ja alahengitysteistä (kuvio 2). Suunontelo, nenäontelo, nielu ja kurkunpää muodostavat ylähengitystiet. Alahengitystiet muodostuvat henkitorvesta ja keuhkoista, jossa ovat keuhkoputket, ilmatiehyet, keuhko rakkulat ja soluvälikudos. Ylähengitysteiden tehtävänä on muokata sisään hengitetty ilma herkille kaasujenvaihtopinnoille sopivaksi lämmittämällä ja kosteuttamalla se. Samalla pyritään estämään vieraspartikkelien pääsy syvemmälle elimistöön poimimalla suurimmat niistä nenäkarvoihin. Kaikkialla hengitysteiden pinnalla on lisäksi värekarvoja sekä limaa, joka kuljettaa hengitysilmasta tarttuneet bakteerit kohti nielua, josta lima edelleen niellään ja mahalaukun happamuus tappaa niistä suurimman osan. Nenähengityksessä ilman lämpö tilaa ja kosteutta voidaan säädellä paremmin kuin suun kautta tapahtuvassa hengityksessä, kuormituksessa nenän kautta ei aina saada riittävästi ilmaa keuhkoihin ja hengitys tapahtuu suun ja nenän kautta yhtäaikaisesti. Sisään hengitetyn ilman ohitettua kurkunpään se päätyy henkitorveen ja siitä edelleen puun oksistoa muistuttavan rakenteen kautta yhä pienempiin putkiin ja lopulta keuhkorakkuloihin. Keuhkorakkulat muodostavat ikään kuin rypäletertun, minkä pinnalla risteilee tiheä hiusverisuonisto. Yksittäiset keuhko rakkulat ovat kooltaan hyvin pieniä, läpimitta vain noin 0,2 mm, mutta aikuisen ihmisen satojen miljoonien keuhkorakkuloiden yhteen laskettu pinta-ala vastaa tenniskenttää. Keuhkoja ympäröi

61 4.4 Hengitys- ja verenkiertoelimistö 119 Kuvio 3. Tasatyönnön yhteydessä vartalon koukistuessa uloshengitys tehostuu ja palautusvaiheen aikana keuhkot täytetään. (KIHU arkisto) keuhkopussi (pleura), eli kaksi päällekkäistä kalvoa, joiden välissä on pleuranestettä, mutta ei yhtään ilmaa. Neste vähentää rintakehän liikkeiden aiheuttamaa kitkaa sisä- ja ulkopintojen välillä. Joissakin onnettomuuksissa voi keuhkopussi puhjeta, minkä seurauksena rintakehän sisään pääsee virtaamaan ilmaa ja keuhko painuu kasaan (ilmarinta). Hengityselimistön toiminta levossa ja kuormituksessa Sisäänhengitys saadaan aikaan pääasiassa pallealihaksen ja ulompien kylkiluulihasten avulla. Pallealihaksen supistuessa pallea painuu alaspäin laajentaen samalla keuhkoja vatsaa kohti. Samanaikaisesti ulommat kylkiluulihakset kohottavat rintakehää ylös sivullepäin sallien keuhkokudoksen laajentua sivusuunnassa ylöspäin. Uloshengitys tapahtuu lepotilassa normaalisti passiivisesti. Uloshengitys alkaa, kun pallealihas ja ulommat kylkiluun välilihakset rentoutuvat ja pallea pyrkii palautumaan normaaliin ylöspäin kuperaan muotoonsa. Tällöin keuhkot painuvat kasaan alhaalta päin ja toisaalta myös rintakehän paino auttaa keuhkojen tyhjenemiseen ylempää. Kudosten normaalista elastisuudesta johtuen sisäänhengityksen aikana venynyt rintakehä palautuu ennalleen, jolloin keuhkot puristuvat pienempään tilaan. Uloshengitystä voidaan lisäksi tehostaa sisempien kylkiluulihasten ja vatsan seudun lihaksiston avulla. Hengitys synkronoidaan usein liikkumisen rytmin kanssa. Esim. useisiin maastohiihtotekniikkoihin liittyvään tasatyöntöön yhdistyy vartalon eteentaivutus ja tehokas keuhkojen tyhjennys. Yläraajojen eteen-ylös palautuksen ja vartalon ojentumisen aikana vastaavasti keuhkoihin vedetään tarpeellinen määrä ilmaa. Samalla periaatteella uimareiden käsiliikkeet rytmitetään hengitysliikkeisiin niin, että tehokkaisiin taaksepäin suuntautuviin voimaosiin yhdistetään tehostettu uloshengitys ja vastaavasti lihasten rentouttamista vaativiin palautusliikkeisiin yhdistetään sisäänhengitys. Hengityksen kautta voimme ottaa happea ulkoilmasta, poistaa hiilidioksidia elimistöstä, säädellä veren happamuutta ja aikaansaada puhetta yhteistyössä puhe-elimien kanssa. Hapenotto (VO 2 ) voidaan laskea kertomalla keuhkotuuletuksen määrä (VE = ventilaatio) sisäänhengitysilman (FiO 2 ) ja uloshengitysilman (FeO 2 ) happikonsentraatioiden erotuksella. Vastaavasti hiilidioksidin tuotto lasketaan kertomalla keuhkotuuletuksen määrä (VE = ventilaatio) uloshengitysilman (FeCO 2 ) ja sisäänhengitysilman (FiCO 2 ) hiilidioksidikonsentraatioiden erotuksella. Kaasujen siirtyminen paikasta toiseen tapahtuu suuremmasta osapaineesta pienempään sitä nopeammin, mitä suurempi osapaine-ero on. Merenpinnan tasolla normaaliolosuhteissa ulkoilman hapen osapaine on 159 mmhg ja hiilidioksidin 0,3 mmhg. Sisäänhengityksen myö-

62 120 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET tä ulkoilma sekoittuu keuhkoissa olevan ilman kanssa ja alveoleissa hapen osapaine laskee 104 mmhg:iin ja hiilidioksidin osapaine taas nousee 40 mmhg:iin. Alveoleja ympäröivässä hiussuonistossa hapen osapaine on 40 mmhg ja hiilidioksidin 45 mmhg ja näiden osapaine-erojen myötä tapahtuu kaasujen vaihto keuhkokapillaarien ja alveolien välillä. Hiilidioksidin paineero on pieni, mutta koska hengittävät kalvot läpäisevät hiilidioksidia noin 20 kertaa happea paremmin ja hiilidioksidin liukeneminen vereen tapahtuu hyvin nopeasti, hiilidioksidin vaihtuminen on selvästi happea nopeampaa. Levossa hengitys on normaalisti varsin rauhallinen, aikuisella ihmisellä hengityskertoja on noin 12 sisältäen ilmaa noin 0,5 l eli lepotilan keuhkotuuletus on noin 6 l/min. Kestävyysurheilijamiehellä maksimirasituksessa hengitysfrekvenssi nousee tyypillisesti noin kertaan minuutissa kertahenkäyksen tilavuuden ollessa 3 4 l eli keuhkotuuletus ylittää maksimissa 200 l/min. Tämä riittää hyvin lepohapenkulutuksen tarpeisiin, sillä perusaineenvaihdunnan tarvitsema hapenkulutus on noin 3,5 ml/kg/min, mikä tarkoittaa esim. 70 kiloisella ihmisellä 0,245 l/ min. Kuormituksen kasvaessa hapentarve kasvaa ja siten myös kaasujen vaihto kiihtyy. Aerobinen kynnys. Kevyillä kuormitustasoilla keuhkotuuletus ja hapenkulutus kasvavat jokseenkin lineaarisesti kuormituksen tasoon, esim. juoksuvauhtiin verrattuna. Kun saavutetaan ns. aerobisen kynnyksen taso (noin % maksimaalisesta hapenottokyvystä), hengitys alkaa kiihtyä suhteessa voimakkaammin kuin hapenkulutus. Tätä muutosta voi selittää useat tekijät, mutta yhtenä keskeisenä on pidetty veren laktaatti- ja vetyionipitoisuuden nousua, mikä johtaa puskuritoiminnan myötä veren hiilidioksidipitoisuuden nousuun. Niinpä keuhkotuuletusta kasvatetaan voimakkaammin, jotta hiilidioksidia saataisiin poistettua. Ensimmäinen laktaattikynnys määritetään kohtaan, missä portaittain nousevassa kuormituksessa veren laktaattipitoisuus alkaa ensimmäisen kerran nousta perustasosta. Veren happamuuden kasvu lisää keuhkotuuletusta, mikä havaitaan hengityskaasuista keuhkotuuletuksen epälineaarisena kasvuna suhteessa suoritustehoon, -nopeuteen tai hapenkulutukseen. Tästä ilmiös tä käytetään nimitystä ensimmäinen ventilaatiokynnys. Laktaatista ja hengityskaasuista määritettävät kynnykset voivat olla hyvin lähellä toisiaan, mutta myös poiketa olennaisesti toisistaan. Niinpä puhuttaessa kynnyksistä on syytä olla tarkkana, mistä kynnyksistä on kyse. Suomessa ensimmäisestä laktaattikynnyksestä käytetään myös nimitystä aerobinen kynnys Anaerobinen kynnys. Aerobisen kynnyksen jälkeen tehon kasvu nostaa veren laktaattipitoisuutta, mutta tasaisella vauhdilla laktaatin siirtyminen ja poistuminen verestä ovat tasapainossa eli laktaattipitoisuus ei muutu suorituksen aikana. Kuormitusintensiteetin edelleen noustessa jossain vaiheessa saavutetaan ns. an ae robinen kynnys, minkä ylittyessä veren laktaattipitoisuus alkaa nousta ja samalla myös veren vetyionipitoisuus nousee tasolle, mikä edelleen kiihdyttää hengitystä. Tämä toinen laktaattikynnys (Suomessa ns. anaerobinen kynnys) on suurin suoritusteho, missä veren laktaattipitoisuus saavuttaa tasapainotilan Toisen laktaattikynnyksen jälkeen veren laktaattipitoisuuden kasvu nopeutuu suhteessa suoritustehoon. Oheisessa kuviossa (kuvio 4) on veren laktaatin ja hiihtovauhdin kuvaa-

63 4.4 Hengitys- ja verenkiertoelimistö 121 Keuhkotuuletus ,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 Veren laktaattipitoisuus 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 FeCO 2 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 Syke ,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 Kuvio 4. Keuhkotuuletuksen (l/min), uloshengityksen hiilidioksidipitoisuuden (FeCO2%), veren laktaattipitoisuuden ja sykkeen vasteet nousevatehoiseen kuormitukseen maajoukkuehiihtäjällä. Vaaka-akselina on hiihtonopeus (km/h) ja pystyssä katkoviivalla merkityt kursorit osoittavat testistä määritettyjen ensimmäisen ja toisen laktaattikynnyksen (vrt. aerobinen ja anaerobinen kynnys) paikat. jassa käytetty vaaleita apuviivoja selventämään kynnysmäärityksiä. Alimmainen vaakaviiva kuvaa perustasoa ja ensimmäinen laktaattikynnys määritetään sen ylittyessä. Ensimmäiseltä laktaattikynnykseltä lähtevä viiva (kuvaa laktaatin loivaa nousua) ja testin loppupuolen jyrkkää nousua kuvaava lineaarisovite risteävät toisen laktaattikynnyksen kohdalla. Keuhkotuuletus kasvaa enemmän kuin hiilidioksidin poisto edellyttäisi ja siten myös uloshengityksen hiilidioksidipitoisuus alkaa laskea. Kevyessä kuormituksessa keuhkotuuletusta kasvatetaan lisäämällä kertahenkäyksen tilavuutta asteittain n. 60 %:iin saakka keuhkojen tilavuudesta. Kovemmilla intensiteeteillä lisätään hengitystiheyttä, joka nousee maksimaalisessa kuormituksessa tyypillisesti kertaan minuutissa. Kuormituksessa keuhkotuuletuksen määrä on riippuvainen kuormitusintensiteetin lisäksi kehon koosta. Pienikokoisillakin ihmisillä keuhko tuuletus voi kasvaa yli 100 litraan minuutissa ja isoilla, kovakuntoisilla urheilijoilla selvästi yli 200 litraan minuutissa. Hengitys kestävyyttä rajoittavana tekijänä Yleisesti ottaen maksimaalinen tahdonalainen keuhkotuuletus ei rajoita suorituskykyä, mutta etenkin kestävyysurheilussa hengityslihasten kestävyys voi rajoittaa kaasujen vaihtoa. Nuorilla uimareilla tehdyssä tutkimuksessa havaittiin, että normaalin harjoittelun lisänä toteutettu kahdeksan viikon hengitysharjoittelu paransi hengityslihasten kestävyyttä sekä kilpailutulosta. Konkreettisesti tämä on havaittu yksittäisillä urheilijoilla, joilla on kuormitustestissä havaittu maksimaalisen keuhkotuuletuksen jäävän suhteellisen matalaksi ja jotka ovat tämän pohjalta tehneet erityistä hengityslihasten harjoit-

64 122 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Ilman kestävyysharjoittelua Kestävyyskuntoilija Kestävyysurheilija MVV Hengitysreservi Keuhkotuuletus Maksimaalinen keuhkotuuletus Hengityskynnys Suoritusteho/-nopeus Kuvio 5. Kestävyyssuorituskyvyn yhteys keuhkotuuletukseen, hengityskynnykseen (ns. anaerobinen kynnys) ja hengitysreserviin (mukaeltu lähteestä Rusko 1989). telua. Tämä on johtanut muutamassa kuukaudessa maksimaalisen keuhkotuuletuksen kasvuun, mutta samalla myös hapenkulutuksen ja suorituskyvyn nousuun. Olennaista hengityksen muuttumisessa on ollut yksittäisten henkäisyjen (Tidal Volume, TV) tilavuuden kasvu. Tämä johtaa siihen, että ns. kuolleen tilan osuus kertahenkäisystä pienenee ja sekoittuvan kaasun ja alveolaariventilaation osuus kasvaa. Hengittäminen kuluttaa myös energiaa, levossa sen osuus kokonaisenergiankulutuksesta on tosin vain pari prosenttia, mutta maksimikuormituksessa hengityslihakset voivat käyttää jopa 5 15 % kokonaisenergiankulutuksesta. Hengityslihasten kestävyydellä on siis merkitystä kestävyyssuorituskyvylle, mutta toisaalta etenkin kovalla intensiteetillä tehty kestävyysharjoittelu on samalla kestävyysharjoittelua myös hengityslihaksille. Kuviosta 5 nähdään kuinka kestävyyssuorituskyvyn kehittyessä aiemmin mainittu hengityksen epälineaarinen kiihtyminen eli ns. hengityskynnys (anaerobinen kynnys) siirtyy kovemmalle suoritusteholle. Samalla myös maksimaalinen keuhkotuuletus kasvaa lähemmäs maksimaalista tahdonalaista hengityskapasiteettia (maximal voluntary ventilation = MVV). Ilmateitä ahtauttavat ja/tai limaneritystä lisäävät tulehdukset (allergia, astma) aiheuttavat etenkin uloshengityksen vaikeutumista ja hengenahdistusoireita. Rajoittuneen hengityskapasiteetin lisäksi tämä johtaa hengityslihasten työn lisääntymiseen ja energiankulutuksen kasvuun. Kilpailutehoisissa suorituksissa keuhko tuuletus nousee niin suureksi, että pienikin virtausrajoittuneisuus alkaa merkittävästi haitata kaasujen vaihtoa. Ennen kovaa kestävyyssuoritusta suositellaan reipasta verryttelyä, joka elimistön lämmittelyn ohella avaa hengitysteitä, mutta erityisen tärkeää riittävän kova verryttely on astmaa-

65 4.4 Hengitys- ja verenkiertoelimistö 123 tikoille. Heille voi olla hyötyä 1 2 tuntia ennen kilpailua tehtävästä räväkästä alkulämmittelystä, jonka aikana hengitys kiihtyy lähelle maksimia. Tämä aiheuttaa rasitusastmareaktion, jonka jälkeen hengitysteiden lihaksisto ei enää reagoi seuraavan rasituksen aiheuttamaan ärsytykseen yhtä voimakkaasti. Verenkiertoelimistön rakenne Sydän on nelionteloinen, ontto lihas, joka sijaitsee rintalastan takana siten, että kolmasosa siitä on keskiviivan oikealla ja kaksi kolmasosaa vasemmalla puolella. Molemmissa sydän puoliskoissa on eteinen, johon veri palaa suurista laskimoista, sekä kammio, jonka supistuminen laittaa veren liikkeelle valtimoihin. Kumpikin puolisko supistuu yhtä aikaa, eteiset ennen kammioita. Sydämen yläosaan kiinnittyy suuria verisuonia: aortta lähtee vasemmasta ja keuhkovaltimo oikeasta kammiosta. Vastaavasti ylä- ja alaonttolaskimo liittyy oikeaan ja neljä keuhkolaskimoa vasempaan eteiseen. Sydämen ympärillä on kaksinkertainen kalvo eli sydänpussi. Suurin osa sydämen seinämästä on sydänlihasta, jonka paksuus vaihtelee eri puolilla sydäntä. Vaikka molemmista kammioista lähtee sama verimäärä, vasemman kammion on pumpattava verta noin seitsemän kertaa suurempaa painetta vastaan kuin oikean. Niinpä vasemman kammion seinämän paksuuskin on yli kaksinkertainen oikeaan verrattuna (12 vs. 5 mm). Eteiset sen sijaan eivät työskentele suurta painetta vastaan ja niiden seinämän paksuus onkin vain noin 2 mm. Eteisten ja kammioiden lihaskudos on miltei kokonaan erillään, ainoan lihasyhteyden muodostaa johtoratajärjestelmä, mitä myöten supistumiskäsky etenee nopeasti koko sydämeen. Harjoittelu kasvattaa sekä sydänlihaksen tilavuutta että massaa. Kestävyysurheilijan sydän voi olla lähes kaksi kertaa niin suuri kuin normaalin harjoittelemattoman sydän, jonka massa on noin g. Sydämen sisäkalvo verhoaa sydämen onteloita sisäpuolelta ja sydämen läpät ovat itse asiassa sisäkalvon poimuja. Veri muodostuu pääasiassa plasmasta ja verisoluista (punasolut, valkosolut ja verihiutaleet). Veren hapenkuljetuskyky on riippuvainen hemoglobiinin kokonaismäärästä sekä plasman tilavuudesta ja siten kokonaisverimäärästä. Aikuisella miehellä verta on tyypillisesti 5 6 litraa ja naisella 4 5 litraa. Veren soluista noin 99 % on punasoluja, joiden osuus kokoverestä eli hematokriitti on miehillä % ja naisilla %. Suomessa aikuisten normaalit veren hemoglobiinipitoisuudet ovat g/l miehillä ja g/l naisilla (kansallisesti tarkistetut, vuonna 2003 käyttöönotetut viitearvot). Alakouluikäisillä lapsilla hemoglobiinipitoisuus on tyypillisesti noin 130 g/l ja murrosiän myötä pojilla aletaan lähestyä aikuisten miesten arvoja. Kestävyysharjoittelun myötä kokonaisverimäärä voi kasvaa huomattavasti. Syksyllä 2014 KIHUssa tehdyssä tutkimuksessa kestävyysurheilijamiesten (n=19) keskimääräinen verimäärä oli yli 7 litraa (eli noin % keskivertomiestä enemmän) ja kolmella tutkitulla urheilijalla verta oli jopa yli 8 litraa. Keskimääräinen hematokriitti oli 42 % ja hemoglobiini pitoisuus oli 152 g/l, mikä osoittaa sen, ettei perusverenkuvasta pidä erehtyä arvioimaan veren hapenkuljetuskapasiteettia, koska myös plasman osuus on kestävyysurheilijoilla suuri. Verenkiertoelimistön toiminta levossa ja kuormituksessa Verenkiertoelimistön tehtävänä on kierrättää verta sydämen, keuhkojen ja kudosten välillä ja siten huolehtia hapen ja ravinteiden kuljettamisesta eri kudosten välillä, välittää kemiallisia viestejä sekä kuljettaa kudoksista pois energia-aineenvaihdunnassa syntyneitä kuona-aineita ja lämpöä. Sydämen toimintaa johtaa sydämen oikeassa eteisessä sijaitseva sinussolmuke. Se on pieni noin 1 cm leveä ja 1,5 2,0 cm pitkä erikoistunutta sydänlihasta oleva lihas/ kalvorakenteinen yksikkö. Sinussolmuke aloittaa uuden toimintakierron ennen sydämen muita osia. Edellisen supistumisen jälkeen sinussol-

66 124 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET mukkeessa alkaa aktiopotentiaali, joka leviää ensin kolmeen eteisjohtorataan. Sieltä impulssi leviää eteislihassyihin aiheuttaen eteisten supistumisen. Samalla impulssi on saavuttanut myös oikean eteisen alaosassa olevan eteis-kammiosolmukkeen, jossa impulssin kulku viivästyy sen verran (0,1 s), että eteiset ehtivät supistua ja tyhjentyä ennen kammiosupistusta. Eteiskammiosolmukkeesta aktiopotentiaali leviää eteiskammiokimpun ja kammioiden johto ratojen kautta kammioihin. Kammiot supistuvat ja sen jälkeen kierto alkaa alusta. Sydänlihas on poikkeuksellisen väsymätön työskentelijä, joka lepotilassakin supistuu noin kerran sekunnissa ja maksimaalisessa rasituksessa kolmesta neljään kertaan sekunnissa. Ilman ulkoista hermoärsytystä ja hormonaalista säätelyä sydämen sinussolmuke sykkisi kertaa minuutissa, mutta erityisesti autonomisen hermoston parasympaattisen ärsytyksen seurauksena lepotilanteessa syke on normaalisti lyöntiä minuutissa, mutta voi kestävyysurheilijoilla laskea jopa alle 30 kertaan minuutissa. Vastaavasti toinen autonomisen hermoston puoli, sympaattinen hermosto, nostaa sykettä ja kovassa kuormituksessa myös sydämen supistumisvoimakkuutta. Lapsilla syke on tyypillisesti hiukan aikuisia korkeampi, mutta murrosiässä harjoittelu ja erityisesti kestävyysharjoittelu alkaa laskea urheilevien lasten leposykettä. Kuormituksen aikana syke kasvaa kuormitusintensiteetin kasvaessa. Kasvu on jokseenkin lineaarista suhteessa kuormitusintensiteettiin, iskutilavuus Raskas harjoitus Raskas harjoitus Lepo Lepo iskutilavuus Kuvio 6. Veren virtauksen jakautuminen elimistössä levossa ja kovassa kuormituksessa (mukaeltu lähteestä Wilmore ym. 2008).

67 4.4 Hengitys- ja verenkiertoelimistö 125 mutta nousu taittuu loivemmaksi lähestyttäessä maksimisykettä. Maksimisyke on yksilöllinen, mutta on yleensä välillä krt/min. Aikuisilla pitkäaikainen kestävyysharjoittelu laskee maksimisykettä jonkin verran (yleensä 5 10 lyöntiä minuutissa). Aikuisella sydämen pumppaamaan minuuttitilavuuteen vaikutetaan sykkeen lisäksi myös iskutilavuudella, mutta lapsilla pääasiassa vain sykkeen kautta. Sydämen veltostumisvaiheen (diastole) lopussa kummankin kammion tilavuus on noin ml ja supistumisvaiheen (systole) aikana aorttaan ja keuhko valtimorunkoon työnnetään noin 70 ml verta. Sydämen iskutilavuus on siis tällöin 70 ml ja kammioihin jää systolen jälkeenkin ml verta. Kovassa kuormituksessa tätä jäännöstilavuutta saadaan pienenettyä jopa millilitraan. Kun kovassa rasituksessa myös laskimopaluu voimistuu, iskutilavuus voi nousta hyväkuntoisella aikuisella runsaaseen 100 ml, huippukestävyysurheilijoilla jopa yli 200 ml. Jo matalatehoinen kestävyysharjoittelu kasvattaa sydämen iskutilavuutta, mikä perustuu kasvaneen laskimopaluun myötä tehostuneeseen kammioiden täyttymiseen. Ns. Frank-Starlingin lakiin pohjautuen sydämen työteho paranee, kun tehostuneen täyttymisen myötä sydänlihasta venytetään enemmän. Urheilijan asento vaikuttaa myös laskimopaluuseen siten, että vaaka-asento kasvattaa paluuvirtausta. Pystyasennossa luonnollisesti painovoima haittaa veren virtausta alaraajoista takaisin sydämeen. Vedessä liikuttaessa (uinti, vesijuoksu) veden paine lisää veren paluuvirtausta sydämeen ja lisää siten iskutilavuutta. Tämä laskee vastaavasti sykettä kuivalla maalla olevaan ihmiseen verrattuna keskimäärin lyöntiä minuutissa. Minuuttitilavuuden lisäksi verenkiertoa säädellään tarkasti elintoimintojen vaatimalla tavalla. Lepotilassa sydän pumppaa noin 5 l verta minuutissa ja suuri osa tästä ohjataan sisäelimien tarpeisiin lihaksiston osuuden jäädessä vajaaseen 20 %:iin. Kuormituksessa sen sijaan suurin osa verenkierrosta ohjataan työskenteleville lihaksille. Sydän itse käyttää aina saman suhteellisen osuuden verenkierrosta, mutta esim. pintaverenkiertoon ohjataan mm. kehon jäähdytys tarpeesta riippuen 5 20 %. Oheisessa kuviossa 6 on esitetty verenvirtauksen suhteellista jakautumista elimistössä levossa ja raskaassa harjoituksessa. Veren kulku valtimoissa elimistöön perustuu verenpaineeseen, joka riippuu sydämen pumppaaman veren määrästä ja siitä, miten nopeasti veri pääsee virtaamaan valtimoista edelleen hiussuonistoon. Aikuisen normaali verenpaine on 120 mmhg / 80 mmhg eli suurempi on systolinen ja pienempi on diastolinen verenpaine. Lapsilla painearvot ovat hieman pienemmät. Nesteet pyrkivät painovoiman vaikutuksesta valumaan alaspäin, joten verenpaineen on oltava riittävän korkea, jotta myös sydämen yläpuolella saadaan veri virtaamaan hiussuoniston läpi. Perifeerinen vastus riippuu veren ja verisuonten seinämien välisestä kitkasta, mitä säätelee pitkälti suonten läpimitta. Mitä kapeampia suonet ovat, sitä suurempi vastus on. Verenpaine on suurimmillaan, kun systolen aikana veri syöksähtää vasemmasta kammiosta suuriin valtimoihin. Paineaalto kulkee pitkin valtimoita ja on tunnettavissa pulssina monesta kohtaa ihmiselimistöä. Diastolen aikana suurten valtimoiden paine laskee ja alimmillaan se on juuri ennen seuraavaa systolea. Verenpainetta mitattaessa haetaan juuri näitä suurten valtimoiden verenpaineen ääriarvoja ja puhutaankin systolisesta ja diastolisesta verenpaineesta tai kansan omaisesti ylä- ja alapaineesta. Laskimo veren paluuta sydämeen tehostavat lukuisat tekijät. Etenkin sisäänhengitysvaiheessa rintakehän sisälle syntyvä alipaine toimii eräänlaisena imurina ja myös sydän itsessään toimii heikkona imupumppuna. Tehokkaimmat laskimo verenkierron avustajat ovat kuitenkin raajojen laskimoläpät, jotka paikallaan seistessä ovat kiinni ja kannattelevat alaraajoissa yläpuolellaan seuraavaan läppään saakka olevan veripatsaan. Kun alaraajojen lihakset supistuvat, laskimot puristuvat kasaan ja veri virtaa läppien ohjaamana kohti sydäntä. Kuviossa 7 on esitetty koosteena valittujen verenkiertoelimistön toimintojen mukautuminen kestävyyssuorituksen

68 126 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET VO 2max syst. verenpaine diast. verenpaine sydämen työmäärä syke sydämen iskutilavuus aerobinen teho anaerobinen teho Kuormituksen intensiteetti (vauhti / teho) Kuvio 7. Muutamien valittujen verenkiertoelimistön toimintojen mukautuminen kestävyyssuorituksen intensiteetin kasvuun maksimaalisen hapenoton (VO 2max ) tasolle ja yli (mukaeltu lähteistä Åstrand ja Rodahl 1986, Rowland 2009, McArdle ym. 2015). intensiteetin kasvuun maksimaalisen hapenoton (VO 2max ) tasolle ja sen yli. Verenkiertoelimistön toiminta kestävyyttä rajoittavana tekijänä Keskeisin kestävyyssuorituskykyä rajoittava tekijä on maksimaalinen hapenottokyky ja sen rajoittavin tekijä on hemoglobiinimassa, eli verenkierrossa olevan kokonaishemoglobiinin määrä. Veren jakautumista työskenteleville lihaksille joudutaan kovassa rasituksessa rajoittamaan, sillä vaikka suurin osa verestä ohjataankin työskenteleville lihaksille, sitä ei riitä rajattomasti. Niinpä verimäärä ja etenkin sydämen minuuttitilavuus on keskeisessä asemassa lihasten hapetuksen kannalta. Koska minuuttitilavuus on riippuvainen sydämen sykintätaajuudesta ja iskutilavuudesta, sydämen koolla (iskutilavuudella) ja sen toimintakunnolla on iso merkitys siihen, kuinka hyvin verta saadaan kierrätettyä.

69 4.4 Hengitys- ja verenkiertoelimistö 127 Yhteenvetoa: 1. Hengityselimistö on keuhkojen, hengitysteiden ja hengityslihasten muodostama kokonaisuus, joka huolehtii keuhkotuuletuksesta ja kaasujen vaihdosta keuhkojen ja veren välillä. 2. Verenkiertoelimistö on sydämen, veren ja verisuoniston muodostama kokonaisuus, jonka tehtävänä on veren kierrättäminen sydämen, kudosten ja keuhkojen välillä. 3. Hengitys- ja verenkiertoelimistön yhteistoiminnalla huolehditaan hapen ja hiilidioksidin tehokkaasta kuljettamisesta verenkiertoelimistössä kaasujen vaihtamiseksi kudosten ja ulkoilman kesken. 4. Keuhkotuuletuksen suuruus riippuu ihmisen kehon koosta, eikä se terveillä urheilijoilla rajoita fyysistä suorituskykyä kuin poikkeustapauksissa. 5. Sykkeen nousu kuormituksessa on suorassa suhteessa kuormituksen intensiteettiin, mutta pelkkä syke ei kerro mitään suorituskyvystä. 6. Sydämen minuuttitilavuus ja iskutilavuus ovat suorassa suhteessa maksimaaliseen aerobiseen kapasiteettiin (maksimaaliseen hapenottokykyyn). 7. Lepotilassa laskimosuonisto on suurin verivarasto ja pääosa verestä kiertää maksan ja munuaisten kautta; kuormituksessa lihasten verenvirtaus kasvaa eniten; aivojen ja sydänlihaksen verensaanti turvataan kaikissa olosuhteissa. KUVA: KAI LINDQVIST

70 Energia-aineenvaihdunta Ari Nummela, liikuntatieteiden tohtori, biotieteiden yksikön johtaja, Kilpa- ja huippu-urheilun tutkimuskeskus (KIHU) Johdanto Kaikki biologiset toiminnot elimistössä tarvitsee kemiallista energiaa, jota saadaan ravinnosta. Ihminen ei kuitenkaan pysty käyttämään suoraan ruoan hapettumisesta syntyvää lämpöenergiaa niin kuin koneet vaan hiilihydraattien, rasvojen ja proteiinien sidoksiin sitoutunut kemiallinen energia pitää siirtää entsyymien säätelemissä reaktioissa adenosiinitrifosfaattiin (ATP), jota solut hyödyntävät tarpeen mukaan. Lihasten energia-aineenvaihdunnassa on useita tapoja tuottaa ATP:a. Energiantuottotavat voidaan jakaa anaerobisiin ja aerobisiin. Anaerobisesti ATP:a voidaan tuottaa suoraan lihasten fosfokreatiinivarastoista tai hiilihydraattivarastoista glykolyysin avulla. Aerobisessa energiantuotossa energiaa saadaan tuotettua hengitysilman hapen avulla hiilihydraateista, rasvoista ja proteiineista. Vaikka energiaa tuotetaan samanaikaisesti kaikilla energiantuottotavoilla, niin energiantuottonopeus määrittelee, millä tavoin ATP:n pääasiallisesti tuotetaan urheilusuorituksen aikana (Kuvio 1). Levossa energiaa tarvitaan vain elimistön perustoimintojen ylläpitämiseen, jolloin energiaa ei tarvitse tuottaa nopeasti. Levossa rasvojen aerobinen hapettaminen on riittävän nopea energiantuottotapa, minkä vuoksi levossa energiaa tuotetaan lähes pelkästään rasvoja hapettamalla. Matalatehoisessa liikunnassa lihakset tarvitsevat energiaa 2 6 kertaa nopeammin kuin levossa, jolloin energiaa tarvitaan rasvojen lisäksi myös hiilihydraateista, mutta aerobinen energiantuottonopeus riittää edelleen täyttämään energiatarpeen. Kuormittavassa urheilusuorituksessa lihakset tarvitsevat energiaa 5 25 kertaa nopeammin kuin levossa, jolloin hiilihydraattien osuus energiantuotossa on hallitseva ja rasvojen osuus putoaa murto-osaan. Matalatehoisessa liikunnassa aerobisen energiantuoton osuus on hallitseva, mutta tehon lisääntyessä anaerobisen energiantuoton osuus täytyy nousta, jotta lihakset saavat riittävän nopeasti energiaa käyttöönsä. Anerobinen energiantuotto tulee hallitsevaksi energiantuottotavaksi, kun lihasten energiantarve nousee kertaiseksi lepotilanteeseen nähden. Muutaman sekunnin maksimaalisissa suorituksissa lihasten energiantarve saattaa nousta yli 100 Kuvio 1. Eri energiatuottotapojen osuus kokonais energiantuotosta eri tehoalueilla. Energiantuotto nopeus levossa = 1. Energiantuottonopeus Aerobinen - rasvat Anaerobinen hiilihydraatit Aerobinen - hiilihydraatit Fosfokreatiini Lepo Kevyt Kohtalainen Raskas Uuvuttava Maksimi

71 4.5 Energia-aineenvaihdunta kertaiseksi lepoenergiantarpeeseen nähden, jolloin energiaa tuotetaan pääasiassa fosfokreatiinivarastoista. Energiantuottotavat Adenosiinitrifosfaatti (ATP). Lihassupistukseen tarvittava energia tulee ATP:iin sitoutuneen vapaan energian muodossa. Lihaksen ATP-varastot ovat hyvin pienet (4 6 mmol/ märkäpaino kg, Rehunen 1990), minkä vuoksi sitä täytyy muodostaa jatkuvasti lisää. ATP:n tuotto on elintärkeää, joten sen saatavuuden varmistamiseksi lihaksessa on olemassa kolme pääreittiä: fosfokreatiinivarastot (FK), glukoosin ja glykogeenin anaerobinen (glykolyysi) ja aerobinen pilkkominen (Krebsin sykli ja oksidatiivinen fosforylaatio) sekä rasvojen pilkkominen (β-oksidaatio). Fosfokreatiini (FK). Elintärkeän ATP:n tuotto säädellään siten, että ATP-varastot eivät koskaan pienene yli 40 % kovassakaan rasituksessa. ATP:n uudismuodostus tapahtuu nopeimmin FK:sta kreatiinikinaasientsyymin katalysoimassa reaktiossa (Taulukko 1). Suhteellisen pienten FK-varastojen (15 22 mmol/märkäpaino kg, Rehunen 1990) eli alaktisen kapasiteetin merkitys on suurimmillaan maksimaalista tai lähes maksimaalista tehoa vaativissa lyhytkestoisissa urheilusuorituksissa kuten pikajuoksu tai sprintti uinti. Koska FK-varastojen uudismuodostus on nopeaa, niin FK:n merkitys on suuri myös intervallilajeissa, jotka vaativat välillä maksimaalista tehoa kuten pallopelit. Glykolyysi. Glykolyysillä tarkoitetaan 10 kemiallisen reaktion sarjaa, jossa glukoosi tai glykogeeni hapetetaan palorypälehapoksi ja edelleen maitohapoksi. Glykolyysissä saadaan vain noin 5 % siitä ATP:sta, joka voidaan saada glukoosin aerobisessa energiantuotossa (Krebsin sykli). Glykolyysin hyöty on ATP:n tuottonopeus, joka on 2 3-kertainen aerobiseen energiantuottoon verrattuna (Taulukko 1). Glykolyysin lopputuotteena syntyvä maitohappo hajoaa nopeasti muodostumisen jälkeen vety- ja laktaatti-ioneiksi, jotka kuljetetaan tai diffusoituvat lihassolukalvon läpi verenkiertoon ja muihin kehon nesteosiin. Nopeat lihassolut (IIa- ja IIb-tyypin solut) ovat erikoistuneet an aerobiseen energiantuottoon, joten ne vastaavat pääosin maitohapon tuotosta. Sen sijaan hitaat lihassolut (I-tyypin solut) kykenevät II-tyypin soluja paremmin käyttämään laktaattia hyväksi palorypälehapon uudismuodostuksessa. Suurin osa laktaatista siirtyy kuitenkin sydänlihakseen ja maksaan, joissa se käytetään Taulukko 1. Eri energiantuottoreittien maksimaalinen ATP:n tuottonopeus ja energiavarastojen koko tai riittävyys lihaksessa (McArdle ym. 2014; Saltin 1990; Åstrand ym. 2003). Energialähde ATP:n tuottonopeus Varastojen koko (lihakset) O 2 ekvivalentteina (mmol/kg/s) (mmol/kg) (kj/kg) (ml/kg) Anaerobinen ATP 4 6 0,2 0,3 2 3 FK 2, ,7 1, Hiilihydraatit 1,2-2,4 3, Aerobinen Hiilihydraatit 0,4 0, Rasvat 0,

72 130 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Rasvat Hiilihydraatit Proteiinit Rasvahapot + Glyseroli -oksidaatio ATP ATP Glykogeeni + Glukoosi Glykolyysi Asetyyli CoA Maitohappo Deaminaatio / transaminaatio H 2 O Aminohapot Sytoplasma Mitokondrio Krebsin sykli CO 2 O 2 ADP H + Oksidatiivinen fosforylaatio ATP O 2 H 2 O Kuvio 2. Kaavakuva hiilihydraattien, rasvojen ja proteiinien energiantuottoreiteistä. joko suoraan energiantuotossa (sydänlihas) tai glukoosin muodostuksessa (Corin sykli). Veren laktaattipitoisuus vaikuttaa käänteisesti laktaatin siirtymiseen verenkierrosta takaisin lihakseen siten, että laktaattipitoisuuden kasvaessa laktaatin siirtyminen lihaksiin nopeutuu. Krebsin sykli. Koska glykolyysissä ei hyödynnetä kaikkea glukoosin sisältämää energiamäärää, glykolyysin lopputuote palorypälehappo muutetaan asetyyli-coa:ksi ja siirretään mitokondrioon, jossa asetyyli-coa pilkotaan edelleen hiilidioksidiksi ja vedyksi 10 kemiallisen reaktion sarjassa (Krebsin sykli). Vetyatomit voidaan hapettaa oksidatiivisessa fosforylaatiossa, jolloin muodostuu ATP:a ja vettä. Aerobisissa suorituksissa lähes kaikki glykolyysin loppu tuotteesta palorypälehaposta voidaan käyttää aerobiseen energianmuodostukseen, jolloin saadaan 18 kertaa enemmän ATP:a yhtä glukoosimolekyyliä kohti anaerobiseen energian tuottoon verrattuna ja vältytään haitallisen happamuuden (H + -ioni) lisääntymiseltä. Aerobisen energiantuoton käyttöä maksimaalisissa lyhytkestoisissa suorituksissa rajoittaa kuitenkin ATP:n tuottonopeus, sillä ATP:n tuottonopeus pienenee aerobisessa energiantuotossa % alaktiseen energiantuottoon verrattuna ja % glykolyysiin verrattuna (Taulukko 1). β-oksidaatio. Rasvavarastot ovat lähes rajaton energialähde elimistössä. Hiilihydraattivarastoihin verrattuna rasvavarastot sisältävät noin 50 kertaa enemmän energiaa. Rasva on varastoitunut rasvakudoksiin ja lihaksiin triglyserideinä, jotka hajoavat lipaasientsyymin katalysoimassa reaktiossa glyseroliksi ja rasvahapoiksi. Glyseroli voidaan edelleen pilkkoa glykolyysissä ja rasvahapot puolestaan β-oksidaatiossa. Näissä reaktioissa voidaan yhdestä triglyseridistä saada noin 12 kertaa enemmän ATP:a kuin yhdestä glukoosimolekyylistä. Rasvavarastojen käyttö energiantuotannossa on edullista niiden suuren energiamäärän vuoksi, mutta epäedullista niiden pienen energiantuotto nopeuden takia (Taulukko 1). Sen vuoksi rasvojen merkitys energiantuotossa on suurimmillaan yli kaksi tuntia

73 4.5 Energia-aineenvaihdunta 131 kestävissä suorituksissa, missä energiavarastojen riittävyys on merkittävämpi tekijä kuin suorituksen teho. Proteiinit. Vaikka proteiinien päätehtävä on olla rakennusaineena elimistössä, niin erittäin pitkäkestoisissa suorituksissa ja kovan kestävyysharjoittelujakson aikana energiaa saatetaan tarvita myös proteiineista. Lepotilassa vuorokautisesta kokonaisenergiasta noin 2 3 % tulee proteiineista, mutta useita tunteja kestävissä urheilusuorituksissa varsinkin lihas glykogeenin loputtua voi proteiinien osuus kokonaisenergiasta nousta %:iin. Erityisesti haaraketjuisia aminohappoja (leusiini, isoleusiini, valiini) voidaan typen poiston jälkeen (deaminaatio / transaminaatio) käyttää hyväksi Krebsin syklissä (Kuvio 2). Energiantuotto yhtäjaksoisessa suorituksessa Kaikki liikunta- ja urheilusuoritukset ovat tahdonalaista toimintaa. Sen vuoksi keskushermostosta lihaksiin siirtyvät käskyt määrittävät lihastyön tehon ja sitä kautta asettavat vaatimukset lihasten energiantuotolle. Riippumatta siitä onko liikunta- tai urheilusuoritus matalatehoinen tai maksimaalinen, niin ensimmäisten sekuntien aikana lihakset saavat energiansa pääosin fosfokreatiinivarastoista. Näin sen vuoksi, että glykolyysi tarvitsee useita sekunteja ja aerobinen energiantuotto kymmenistä sekunneista muutamaan minuuttiin saavuttaakseen lihastyön tehon vaatimuksen mukaisen energiantuottonopeuden. Alle 10 sekunnin maksimisuorituksessa, kuten 100 m:n juoksussa, energiaa tuotetaan pääosin käytössä olevien lihasten FK-varastoista. Energiantuoton vaatimukset kohdistuvat ensisijaisesti energiantuottonopeuteen eli miten nopeasti ATP:a pystytään tuottamaan FK-varastoista. Lyhytkestoisissa maksimaalisissa suorituksissa energiantuottonopeus on kuitenkin harvoin suoritusta rajoittava tekijä. Eri tasoisten pikajuoksijoiden vertailussa on havaittu, että paremmat pikajuoksijat pystyvät kuitenkin tyhjentämään FK-varastot nopeammin kuin hitaammat pikajuoksijat. Sen sijaan laktaatin kasautumisessa ei ole havaittu olevan merkittäviä eroja pikajuoksijoiden välillä, joten glykolyysin energiantuottonopeus ei erottele eritasoisia pikajuoksijoita toisistaan (Hirvonen ym. 1987). Sen sijaan hermo-lihasjärjestelmän tehontuottokyky on ratkaisevassa asemassa urheilusuorituksen lopputuloksen kannalta. Kun yhtäjaksoisen liikunta- tai urheilusuorituksen kesto nousee yli 10 sekunnin, glykolyysin ja aerobisen energiantuoton merkitys energiantuotossa kasvaa. Matalatehoisissakin suorituksissa tarvitaan kuitenkin kymmeniä sekunteja ennen kuin aerobinen energiantuottonopeus kasvaa suorituksen vaatimalle ns steadystate tasolle (Kuvio 3). Näin ollen kaikkien liikunta- ja urheilusuoritusten alussa muodostuu happivaje, jonka suuruus riippuu suorituksen intensiteetistä ja urheilijan maksimaalisesta hapen ottokyvystä (VO 2max ). Happivaje on sitä suurempi mitä suurempi on suorituksen teho, mutta huippukestävyysurheilijoilla, joilla on suuri VO 2max happivaje jää pienemmäksi kuin pienemmän hapenoton omaavilla urheilijoilla tai kuntoilijoilla. Minuutin kestävissä matalatehoisissa suorituksissa aerobisen energiantuoton lisäksi tarvitaan lihasten happivarastoja (6 ml/kg) ja fosfokreatiinivarastoja (8 13 ml/ kg) kokonaisenergiantarpeen täydentämiseksi. Matalatehoisissa suorituksissa ei energiaa tarvita juurikaan glykolyysin kautta, joten laktaattipitoisuus ei kevyissä suorituksissa kasva. Suorituksen tehon noustessa lähelle maksimaalista aerobista tehoa glykolyysin merkitys energiantuotossa kasvaa ja yli maksimaalisen aerobisen tehon menevissä suorituksissa glykolyysi on merkittävin energiantuottotapa (Kuviot 1 ja 3). Koska glykolyysin lopputuotteena on maitohappo, niin tällaisissa anaerobisissa suorituksissa lihasten ja veren happamuus ja laktaattipitoisuus kasvaa ja suoritus ei voi jatkua kovin pitkään ennen uupumusta. Anaerobisen kapasiteetin merkitys onkin suurin lajeis-

74 132 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Hapen tarve (ml/kg/min) Anaerobinen energiantuotto 46 % Aerobinen energiantuotto 54 % Aika (s) Hapen tarve (ml/kg/min) Hapen tarve (ml/kg/min) Anaerobinen energiantuotto 55 % Aerobinen energiantuotto 45 % Aika (s) Anaerobinen energiantuotto 43 % Aerobinen energiantuotto 57 % Aika (s) Kuvio 3. Hapenkulutus kevyessä (vihreä), raskaassa (oranssi) ja maksimaalisessa (punainen) lyhytkestoisessa suorituksessa. Katkoviivoilla on merkitty kunkin suorituksen energiantarve (hapen tarve). Maksimaalisessa noin 50 s kestävässä suorituksessa (punainen) hapenkulutus kääntyy laskuun, vaikka maksimaalisen hapenoton tasoa ei ole vielä saavutettu (KIHUn tutkimusaineistoa). sa, joissa yhtäjaksoisen maksimisuorituksen kesto on 1 2 min. Anaerobisella kapasiteetilla tarkoitetaan anaerobisen energian kokonaismäärää, mitä yhtäjaksoisessa suorituksessa pystytään tuottamaan, joten siihen vaikuttaa glykolyysin lisäksi FK-varastojen koko sekä lihasten ja veren puskurointikyky. Taulukossa 2 on arvio eri energiantuottoreittien suhteellisista osuuksista eri pituisissa juoksukilpailuissa. Anaerobisen energiantuoton merkitys pienenee ja aerobisen energiantuoton merkitys kasvaa yhtäjaksoisen suorituksen keston kasvaessa. Kahden minuutin kestoisessa maksimityössä noin puolet energiasta on arvioitu saatavan an aerobisista ja puolet aerobisista energiantuottosysteemeistä (Taulukko 2). Submaksimaalisessa kuormituksessa jo alle minuutin kestävässä suorituksessa aerobisen energiantuoton osuus kasvaa yli 50 %:iin (Kuvio 3). Pitkäkestoisissa yhtäjaksoisissa suorituksissa energiaa tuotetaan pääasiassa aerobisesti. Sen vuoksi maksimaalinen aerobinen teho (VO 2max ) on tärkeä maksimaaliseen suorituskykyyn vaikuttava tekijä lajeissa, jotka kestävät yhtäjaksoisesti 5 40 minuuttia. Hiilihydraattien ja rasvojen osuus energiantuotossa määräytyy suorituksen intensiteetin mukaan. Jos suorituksen intensiteetti on urheilijasta riippuen alle % VO 2max :sta, niin energiaa tuotetaan lähes kokonaan rasvavarastoista. Suuremmilla rasitustasoilla hiilihydraattien merkitys energiantuotossa kasvaa. Rasvat ovat pääasiallisin energianlähde vain matala tehoisissa suorituksissa, mikä tarkoittaa, että lähes kaikkien urheilulajien kilpailusuoritukissa hiilihydraatit ovat pääasiallisin energianlähde. Maratonjuoksu ja 50 km:n hiihto kes-

75 4.5 Energia-aineenvaihdunta 133 Taulukko 2. Arvio eri energiantuottoreittien suhteellisista (%) osuuksista energiantuotosta (ATP:n uudismuodostus) eripituisissa juoksukilpailuissa (Newsholme ym. 1992). Matka Fosfokreatiini Anaerobinen Glykogeeni Aerobinen Veren glukoosi (maksan glykogeeni) Triglyseridit (rasvahapot) 100 m m m 12,5 62, m m Vähän m Vähän 12,5 87, m Vähän 3 97 Maraton Ultra 80 km vähän = kestävyysjuoksussa m matkoilla fosfokreatiinia käytetään kilpailun alussa, sitten se resyntetisoidaan matkan aikana ja käytetään mahdollisessa loppukirissä. tävät kilpailu suorituksina huippu-urheilijoilla yli kaksi tuntia, mutta näissäkin lajeissa noin 75 % energiasta saadaan lihasten glykogeenivarastoista. Yksinään lihasten glykogeenit riittäisivät maailman parhailla urheilijoilla maratonkilpailuissa kuitenkin vain 1:30 1:45 tunnin kestoiseen suoritukseen, joten loput energiasta on saatava veren glukoosista (maksan glykogeeni) ja rasvavarastoista (Taulukko 2). Pitkäkestoisen suorituksen aikana sekä glykogeeni- että rasvavarastoja käytetään samanaikaisesti, mutta suorituksen edetessä rasvojen käyttö energiantuotossa kasvaa ja glykogeenivarastojen osuus pienenee. Tasavauhtisen suorituksen jatkuessa kokonaisenergiankulutus, hapenkulutus ja sydämen syke kasvavat vähitellen, mikä johtuu mm. lämmönsäätelyn aiheuttamasta lisäkuormituksesta elimistölle. Hapenkulutuksen ja sydämen sykkeen kasvu ovat huonokuntoisilla tai vähän harjoitelleilla suuremmat kuin hyväkuntoisilla kestävyysurheilijoilla. Energiantuotto intervallisuorituksessa Osa urheilulajeista on yhtäjaksoisia ja suorituksen aikainen tehovaihtelu on suhteellisen pientä (alle 20 %). Tällöin suorituksen kesto vaikuttaa suorituksen tehoon ja energiantuoton vaatimuksiin edellisessä kappaleessa kerrottujen periaatteiden mukaisesti. Näidenkin lajien kilpailuissa ja turnauksissa urheilija joutuu tekemään kuitenkin useita suorituksia ja suoritusten väliset palautumisajat vaihtelevat minuuteista muutamaan vuorokauteen. Suoritusten välinen palautumisaika on useimmiten riittävä palauttamaan energiavarastot lähtötilanteeseen ennen seuraavaa suoritusta (esim. yleisurheilun kenttälajit, juoksujen erät, telinevoimistelu, uinti, alppi lajit). Toisaalta esimerkiksi sprinttihiihdossa ja monissa kamppailulajeissa, joissa otellaan useamman kertaa päivän aikana, energia-aineenvaihdunta ei ehdi täysin palautua ja

76 134 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET 21 7, Fosfokreatiini (mmol/kg) ,0 6,9 6,8 ph 6,7 6,6 6,5 Lihaksen laktaattipitoisuus (mmol/kg) Veren laktaattipitoisuus (mmol/l) 0 6, Aika (min) Aika (min) Kuvio 4. Lihaksen FK-varastojen (sininen), ph:n (oranssi), laktaattipitoisuuden (violetti) sekä veren laktaattipitoisuuden (punainen) palautuminen maksimaalisen anaerobisen suorituksen jälkeen (mukaeltu Hermansen ym. 1984; Hirvonen ym. 1992; Rehunen 1990). riittämättömästä palautumisesta johtuva väsyminen kasautuu kilpailun loppua kohti. Palloilulajit ovat esimerkkejä lajeista, joissa lajisuoritus ei ole yhtäjaksoinen ja vakiotehoinen, vaan lajisuorituksen aikana on lukuisia enimmäkseen lyhyitä 1 5 sekunnin kovatehoisia jaksoja ja niiden välillä useiden sekuntien jopa minuuttien palautumisjaksoja. Palloilulajeissa energia-aineenvaihdunnalla ja siihen liittyvällä palautumisella on paljon merkitystä suorituksen aikana. Kilpailusuoritusten lisäksi intervalliharjoittelu on suosittua ja kannattavaa monissa lajeissa. Intervalliharjoittelulla pyritään kehittämään eri lajeissa tarvittavia ominaisuuksia. Intervalliharjoitusten etu yhtäjaksoisiin harjoituksiin on, että lyhyet työjaksot mahdollistavat suuremman tehon tuoton ja suoritusten väliset palautusjaksot mahdollistavat usean suorituksen tekemisen yhdessä harjoituksessa. Intervalliharjoituksissa suorituksen teholla, kestolla ja palautusten pituudella voidaan säädellä harjoituksen rasittavuutta ja lihasten energiantuottoa harjoituksen aikana. Intervalliharjoituksen tai intervalliluonteisen kilpailun sisällä olevissa vedoissa tai tehojaksoissa energiaa tuotetaan samojen periaatteiden mukaan kuin yksittäisissä suorituksissa. Suuri ero intervalliharjoituksen ja yhtäjaksoisen harjoituksen välillä on, että intervalliharjoituksessa yksittäiset suoritukset toistuvat useaan kertaan lyhyen palautuksen jälkeen. Elimistö käyttää palautumisajan suorituksen aikana käytettyjen energiavarastojen täydentämiseen ja suorituksen aikana muodostuneiden aineenvaihduntatuotteiden kuten laktaatin poistoon. Alle 10 sekunnin intervalleissa FK-varastot ovat ensisijaisena energianlähteenä. FK-varastoille on ominaista, että ne palautuvat hyvin nopeasti lepotasolle. Jo 30 sekunnissa saavutetaan 50 % ja kahdessa minuutissa 85 % FK-varastojen lähtötasosta. Sen vuoksi alle 10 sekunnin intervalleilla voidaan tehdä pitkiäkin harjoituksia suhteellisen kovalla teholla, jos palautumisaika on vähintään kaksi minuuttia. Palautumisaikaa lyhentämällä intervalliharjoitus muuttuu alaktisesta harjoituksesta laktiseen suuntaan. Silloin lihaksen ja veren laktaattipitoisuus alkaa nousta ja ph laskea, minkä vuoksi väsymys tulee nopeammin. Tämä on hyvä huomioida myös palloilulajeissa, jossa pelaaja ja valmentaja voi säädellä pelin rytmittämisellä ja vaihdoilla pelaajan väsymystä ja kykyä pitää yllä hyvää tempoa koko pelin ajan. Intervalliharjoituksessa suorituksen intensiteetti ja kesto määräävät miten energiaa tuotetaan suorituksen aikana. Näiden lisäksi palautusten pituudet vaikuttavat kuinka täynnä FK- ja lihasten happivarastot ovat seuraavan suorituk-

77 4.5 Energia-aineenvaihdunta 135 Fosfokreatiinipitoisuus (mmol/kg) Aika (min) Laktaattipitoisuus (mmol/l) Aika (min) Kuvio 5. Lihaksen fosfokreatiinipitoisuuden (vasen) ja veren laktaattipitoisuuden (oikea) muutos 30 min intervalliharjoituksessa 120 % VO 2max teholla polkupyörällä kuormituksen ja palautuksen suhteen ollessa 1:2. Sininen käyrä = 10 s työ ja 20 s palautus, oranssi käyrä = 20 s työ ja 40 s palautus, harmaa käyrä = 30 s työ ja 60 s palautus, keltainen käyrä = 60 s työ ja 120 s palautus (mukaeltu Saltin & Essén 1971). sen alkaessa sekä kuinka paljon edellisen suorituksen aikana kertynyttä laktaattia ja happamuutta on saatu poistettua lihaksista. Lyhyiden intervallien etu on, että aina suorituksen alussa FK- ja happivarastot ovat käytettävissä energian tuottoon, mikä pienentää haitallisen happamuuden lisääntymisen lihaksissa intervalliharjoituksen aikana. Pidemmissä intervalleissa (yli 30 s) FK-varastoista saatavan energian osuus kokonaisenergiantuotosta pienenee huomattavasti, jolloin myös FK-varastojen merkitys energiantuotossa vähenee. Intervalliharjoituksen rasittavuus kasvaa huomattavasti yksittäisen suorituksen keston noustessa yli 30 sekunnin, koska laktisesta energiantuotosta tulee hallitseva ja palautumiseen tarvitaan enemmän aikaa. Happamuuden lisääntyminen vaikuttaa myös FK-varastojen palautumisnopeuteen (Kuvio 4). Hyvän kuvan intervallien keston vaikutuksesta FK-varastoihin, laktaattipitoisuuden kasvuun ja harjoituksen kuormittavuuteen antaa Saltinin & Essénin tutkimus (1971), jossa tehtiin puolen tunnin kestoinen harjoitus polkupyörällä muuttamalla työjakson pituutta, mutta vakioimalla suorituksen teho (120 % VO 2max :sta) ja työn ja palautuksen suhde (1:2). Kuviosta 5 voidaan todeta, että lyhyillä työjaksoilla voidaan käyttää palautuksen aikaista KP-varastojen uudismuodostusta hyödyksi parhaiten, jolloin laktaatin ja väsymyksen kasautuminen pienenee harjoituksen aikana. Tutkimukseen osallistuvat henkilöt eivät kyenneet minuutin työ- ja 2 min palautusjaksoilla tekemään 30 min harjoitusta loppuun asti. Kestävyysurheilijoiden harjoittelussa on mukana myös pitkiä intervalliharjoituksia, joissa yksittäisten vetojen kesto on 2 15 min. Samalla tavalla kuin lyhyissäkin intervalleissa suorituksen intensiteetillä ja kestolla vaikutetaan anaerobisen ja aerobisen energiantuoton suhteelliseen osuuteen siten, että tehon pienentyessä ja vedon pidentyessä aerobisen energiantuoton suhteellinen osuus kasvaa. Merkittävin intervalliharjoituksen kuormittavuuteen vaikuttava tekijä on suorituksen intensiteetti, mutta myös suorituksen kestolla ja vetojen lukumäärällä on vaikutusta. Pitkien intervalliharjoitusten palautusjaksojen aikana poistetaan laktaattia ja hapenkulutus palautuu lähelle lepokulutusta jo muutamassa minuutissa suorituksen intensiteetistä riippuen (Kuvio 6). Aerobisen energiantuoton kehittämiseksi tarkoitetuissa intervalliharjoituksissa suoritusten väliset palautumisjaksot ovat yleensä 1 3 min. Lyhyiden palautumisjaksojen aikana hapenkulutus ei ehdi laskemaan aivan lepo hapenkulutuksen tasolle, jolloin seuraavan vedon hapenkulutuksen steady-state tason saavuttaminen ei vie aivan

78 136 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET 60 2x6x250 m/30 s/5 min 50 VO2 (ml/kg/min) Aika (min) Kuvio 6. Hapenkulutus intervalliharjoituksessa (2x6x250 m/30 s/5 min). Harjoitusta edelsi 5 min lämmittely (KIHUn tutkimusaineistoa). yhtä kauan aikaa kuin, jos veto olisi aloitettu täysin lepotilanteesta. Aktiivisella palautuksella voidaan myös lisätä aerobisen energiantuoton osuutta, koska kevyt kuormitus palautuksen aikana estää hapenkulutuksen laskemisen alas ja steady-state taso saavutetaan seuraavassa vedossa nopeammin. Intervalliharjoituksessa lihaksen glykogeenivarastojen riittävyys ei ole energiantuottoa rajoittava tekijä, sillä lihaksiin voi varastoitua glykogeeniä yli 150 mmol/kg. Maksimaalisessa aerobisessa kuormituksessa glykogeeniä voidaan kuluttaa 5 mmol/kg/min, joten kovassakaan harjoituksessa glykogeenivarastoja ei voida kuluttaa loppuun alle 30 minuutissa, jos lihaksen glykogeenivarastot ovat täydet. Käytännön harjoitustilanteessa aika on paljon pidempi, koska maksimaalista aerobista energiantuottoa voidaan ylläpitää yhtäjaksoisesti alle 10 min. Palloilulajien peleissä ja lajiharjoituksissa suoritus on aina intervalliluonteinen, mutta se poikkeaa edellä kuvatuista lyhyistä ja pitkistä intervalliharjoituksista siten, että intervallien intensiteetti, kesto ja palautumisajat eivät ole täysin määrättävissä ja kontrolloitavissa. Pelaajan oma kyky rytmittää peliä, oma rooli pelissä, oma taktiikka sekä vastustajan peli määrittelevät minkälaisista intervalleista peli loppujen lopuksi koostuu. Pelit ja harjoitukset eivät juuri koskaan ole samanlaisia keskenään, vaan siinä on paljon vaihtelua. Intervallien teholla ja kestolla on suuri vaikutus pelin aikaiseen kuormitukseen, joten niiden säätely pitäisi kuulua osana pelaajan henkilökohtaisessa ja joukkueen peluuttamisessa ja pelitaktiikassa. Edullisinta on, jos tehokkaat työjaksot pelin aikana olisivat mahdollisimman lyhyitä, alle viisi sekuntia, jolloin ne voidaan suorittaa pääosin FK-varastojen avulla ja pelikatkojen, palautusjaksojen ja vaihtojen aikana FK-varastot palautuisivat takaisin lähelle lepotasoa. Jos tehokkaat pelijaksot ovat liian pitkiä ja palautumisajat liian lyhyitä, lihaksiin ja verenkiertoon alkaa kertyä laktaattia ja happamuutta haitallisia määriä ja pelaaja väsyy selvästi nopeammin pelin aikana. Laktaatin poistaminen tai käyttäminen energiantuotossa on paljon hitaampaa kuin FK-varastojen uudismuodostus, joten pelissä on tärkeää huolehtia siitä, että laktaatti ja happamuus eivät kasva haitalliselle tasolle. Yleensä mmol/l veren laktaatti pitoisuudet

79 4.5 Energia-aineenvaihdunta 137 alkavat näkyä väsymyksenä suorituksessa, minkä vuoksi olisi hyvä, jos pelien aikana veren laktaattipitoisuus jäisi alle 10 mmol/l. Energiantuottoon vaikuttavat tekijät Edellisissä kappaleissa on kuvattu yleisesti, miten suoritukseen liittyvät tekijät (teho, kesto, palautus) vaikuttavat energiantuottoon erilaisissa urheilusuorituksissa. Itse suoritukseen liittyvien tekijöiden lisäksi energiantuottoon vaikuttavia yksilöllisiä tekijöitä ovat mm. urheilijan ikä, sukupuoli, urheilijan ominaisuusprofiili, aerobinen ja anaerobinen kapasiteetti, suorituksen taloudellisuus ja energiavarastot. Sukupuoli. Naiset eroavat miehistä sekä aerobisen että anaerobisen kapasiteetin suhteen. Suurimmat kehon painoon suhteutetut VO 2max arvot ovat miehillä ylittäneet jopa 90 ml/ kg/min: Bjørn Dählie ja Mika Myllylä (hiihto), ja Miguel Indurain (pyöräily). Kun VO 2max on suhteutettu kehon painoon, naisten ja miesten välinen ero VO 2max :ssä on noin 20 %. Parhailla naiskestävyysurheilijoilla VO 2max on ollut yli 75 ml/kg/min. Sukupuolten välinen ero selittyy naisten noin 10 % suuremmalla kehon rasvapitoisuudella ja noin 10 % pienemmällä veren hemoglobiinipitoisuudella. Sukupuolten välinen ero kehon painoon suhteutetussa anaerobisessa kapasiteetissa on samaa luokkaa kuin VO 2max :ssä eli %. Suurimmat veren ja lihaksen laktaattipitoisuudet on mitattu soudussa ja m:n juoksuissa, joissa raportoidut lukemat ovat olleet mmol/l miehillä ja mmol/l naisilla. Tämä sukupuolten välinen ero on vähän suurempi kuin naisten ja miesten 400 m juoksun (47,60 s vs. 43,18 s: 9,3 %) tai 100 m vapaauinnin (52,07 s vs. 46,91 s: 10,1 %) ME-tuloksissa olevat erot. Tämä johtuu siitä, että anaerobinen kapasiteetti on merkittävä, mutta ei ainoa sukupuolten välistä suorituskykyeroa selittävä tekijä em. lajeissa. Ikä. Lasten aerobinen ja anaerobinen aineenvaihdunta ei ole kehittynyt samalle tasolle kuin aikuisten, vaikka lihasten ATP-pitoisuudet eivät eroa lasten ja aikuisten välillä. Iän vaikutus VO 2max :yyn näkyy hyvin Kuviossa 7. VO 2max on mahdollisuus saavuttaa yksilöllisen maksimin noin vuoden iässä, minkä jälkeen van- 4,0 naiset miehet 3,5 3,0 VO2max (l/min) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Ikä (v) Kuvio 7. Maksimaalisen hapenottokyvyn (VO 2max ) muutos suhteessa ikään (mukaeltu McArdle ym. 2001).

80 138 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET henemisen aiheuttamien fysiologisten muutosten ja elämäntapamuutosten yhteisvaikutuksesta VO 2max laskee noin 1 % vuodessa. Lasten lihasten FK-pitoisuudet ovat vähän pienemmät kuin aikuisilla ja esipuberteetti-ikäisten lasten lihasten glykogeenipitoisuus on alle puolet aikuisten pitoisuuteen verrattuna (Eriksson & Saltin 1974; Eriksson 1980; Karlsson 1971). Glykogeenipitoisuuden lisäksi myös glykogeenin anaerobinen hyväksikäyttö ei toimi lapsilla samalla teholla kuin aikuisilla, sillä lyhytkestoisessa maksimaalisessa lihastyössä veren laktaattipitoisuus ja ph kasvavat iän myötä. Maksimaalisen kuormituksen jälkeen mitatut veren laktaattipitoisuudet jäävät 6 8-vuotiailla alle 10 mmol/l ja veren ph ei laske alle 7,2, kun aikuisilla miehillä on mitattu yli 25 mmol/l laktaattipitoisuuksia ja alle 7,0 ph lukemia. Puberteetti-ikään asti maksimaaliset veren laktaattipitoisuudet nousevat noin 1 mmol/l vuodessa ja maksimisuorituksen jälkeinen veren ph laskee 0,01 0,02 ph yksikköä vuodessa. Urheilijatyyppi ja harjoittelu. Eri energiantuottosysteemien suhteelliseen osuuteen lyhytkestoisessa suorituksessa vaikuttaa urheilijan harjoittelutausta ja työtä tekevien lihasten solujakauma ja massa. Alle minuutin kestävissä suorituksissa nopeustyyppiset urheilijat käyttävät sekä absoluuttisesti että suhteellisesti enemmän anaerobista energiantuottoa kuin kestävyystyyppiset urheilijat. Ero aerobisen ja anaerobisen energiantuoton suhteellisissa osuuksissa saattaa olla jopa yli 10 %. Tämä johtuu siitä, että nopeustyyppisillä urheilijoilla on paljon anaerobiseen energiantuottoon erikoistuneita nopeita lihassoluja (II-tyyppi) ja vähän aerobiseen energiantuottoon erikoistuneita hitaita lihassoluja (I-tyyppi) ja kestävyystyyppisillä urheilijoilla lihassolujakauma on päinvastoin. Lisäksi myös harjoittelu vaikuttaa energiantuottoon: aerobinen harjoittelu siirtää energiantuoton paino pistettä aerobiseen suuntaan ja anaerobinen harjoittelu anaerobiseen suuntaan. Vaikka kestävyystyypin suurempi aerobinen energiantuotto näkyy pienentyneenä laktaatin tuottona ja väsymyksenä lyhytkestoisissa suorituksessa nopeustyyppiin verrattuna, niin ero ei kuitenkaan näy parantuneena suorituskykynä lyhytkestoisissa suorituksissa. Tämä johtuu siitä, että lyhytkestoisissa suorituksissa vaadittavaan suureen tehontuottoon tarvitaan an aerobista energiantuottoa. Tämä tarkoittaa sitä, että vaikka hyvä hapenottokyky on hyödyksi 400 m:n juoksijalle tai 100 m:n uimarille, niin hapenoton kehittämiseen ei kannata harjoittelussa panostaa, koska on huomattavasti hyödyllisempää suorituskyvyn kannalta käyttää vastaava harjoitteluaika anaerobisen kapasiteetin kehittämiseen. Suorituksen taloudellisuus. Pitkäkestoisessa suorituksessa energiankulutukseen vaikuttaa merkittävästi urheilijan suorituksen taloudellisuus. Pitkäkestoisessa suorituksessa, jossa suorituksen teho on alle anaerobisen kynnys tehon, taloudellisuus on määritettävissä mittaamalla suorituksen hapenkulutus. Varsin käytetty tapa taloudellisuuden määrittämiseen eri urheilulajeissa on mitata steady-state -hapenkulutusta eri tehoilla / nopeuksilla ja verrata näitä arvoja urheilijoiden välillä. Kilpailutulos kestävyysjuoksussa voidaan pitkälti määrittää juoksun taloudellisuuden, VO :n ja kyvyllä juosta lähellä VO 2max 2max :ä. Huippukestävyysjuoksija pystyy juoksemaan m:ä jopa 90 % teholla VO 2max :stä. Jos hänen VO 2max on 80 ml/kg/min, hän kykenee juoksemaan 72 ml/kg/min keskimääräisellä hapenkulutuksella m:ä. Taloudellinen juoksija (190 ml/ kg/km) juoksisi m:ä 26:20, kun taas epätaloudellinen juoksija (220 ml/kg/km) viipyisi matkalla 30:30. Suoritustekniikka vaikuttaa merkittävästi suorituksen taloudellisuuteen. Uinnissa nopein uintitekniikka on samalla myös taloudellisin, sillä samalla nopeudella uitaessa hapenkulutus on pienin kroolissa selkä- ja rintauintiin verrattuna. Vastaavasti hiihdossa luistelutyyli on perinteiseen tyyliin verrattuna taloudellisempi ja samalla myös nopeampi. Kävelyä ja juoksua verrattaessa on havaittu, että jos halutaan

81 4.5 Energia-aineenvaihdunta 139 pitää kalorinkulutus mahdollisimman pienenä, niin hitailla nopeuksilla kannattaa kävellä, mutta nopeuden noustessa yli 8 km/h kannattaa kävelystä siirtyä juoksuun. Näiden esimerk kien perusteella voidaan päätellä, että energia-aineenvaihdunnan lisäksi myös muut tekijät kuten hermo-lihasjärjestelmän voimantuotto-ominaisuudet vaikuttavat suorituksen taloudellisuuteen. Vaikka taloudellisuutta on eniten tutkittu juoksussa, niin vieläkään ei osata täysin selittää esim. miksi taloudellisuus saattaa vaihdella päivittäin yhdellä urheilijalla jopa 10 %. Juoksun taloudellisuutta verrattaessa juoksijoiden välillä on havaittu, että taloudellisuuteen vaikuttaa urheilijan ikä, ulkoiset olosuhteet ja harjoittelu. Lasten taloudellisuus on aikuisia heikompi, sillä iän ja harjoittelun myötä taloudellisuus paranee. Ulkoisista olosuhteista erityisesti kuumat olosuhteet heikentävät taloudellisuutta. Juoksijan biomekaanisista tekijöistä taloudellisuuteen on havaittu vaikuttavan erityisesti juoksu nopeus, askelpituus, kehon painopisteen vertikaalimuutos askelsyklin aikana sekä juoksualusta ja juoksukenkä. Askelpituus vaikuttaa taloudellisuuteen siten, että kukin juoksija valitsee yleensä itselleen nopeuteen nähden taloudellisimman askelpituuden luonnostaan, joten sitä pidemmällä tai lyhyemmällä askeleella juokseminen on kuluttavampaa. Juoksun energiankulutus on lähes vakio suhteessa matkaan, joten juoksunopeudella ei ole suurta vaikutusta energiankulutukseen kilometriä kohti. Harjoittelu parantaa taloudellisuutta ja kehittyminen on hyvin harjoitusspesifistä: juoksijat ovat taloudellisimpia juoksussa, pyöräilijät pyöräilyssä, uimarit uinnissa ja niin edelleen. Yhteenveto 1. Lihas tarvitsee energiaa ATP:hen sitoutuneen vapaan energian muodossa. 2. ATP:n uudismuodostus tapahtuu nopeimmin FK-varastoista, jotka kuitenkin riittävät vain lyhytkestoiseen maksimisuoritukseen. 3. Glykolyysissä tuotetaan nopeasti ATP:a lihaksen glykogeenistä ja glukoosista, mutta samalla muodostuu maitohappoa, joka hajoaa nopeasti laktaatiksi ja vetyioniksi. 4. Glykogeenin ja glukoosin aerobinen hajottaminen mitokondrioissa tuottaa 18 kertaa enemmän ATP:a yhtä glukoosimolekyyliä kohti glykolyysiin verrattuna, mutta 2 3 kertaa hitaammin. 5. Elimistön rasvavarastot ovat lähes rajaton energianlähde, mutta niistä saadaan energiaa 2 3 kertaa hitaammin kuin hiilihydraattien aerobisessa energiantuotossa. 6. Urheilusuoritusten alussa energiaa tuotetaan pääasiassa FK-varastoista, sillä glykolyysi tarvitsee useita sekunteja ja aerobinen energiantuotto muutamia minuutteja tuottaakseen energiaa maksiminopeudella. 7. Aerobinen energiantuotto tulee hallitsevaksi, kun maksimisuorituksen kesto on noin kaksi minuuttia. 8. Intervallikuormituksessa suorituksen intensiteetillä, kestolla ja palautuksen pituudella vaikutetaan energiantuottoon. 9. Vaikka vielä ei tarkasti tunneta kaikkia väsymismekanismeja ja kaikkia lihasväsymykseen vaikuttavia tekijöitä, niin happamuudella ja energiavarastojen riittävyydellä on siinä keskeinen rooli.

82 Hormonaalinen järjestelmä ja kuormitus Keijo Häkkinen, liikuntatieteiden tohtori, dosentti, valmennus- ja testausopin professori, liikuntabiologian laitoksen johtaja, Jyväskylän yliopisto Juha Ahtiainen, liikuntatieteiden tohtori, yliopistotutkija, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän yliopisto Johdanto Hormonaalinen säätely on yhdessä hermostosäätelyn kanssa tärkein elimistön toimintaa ja tasapainoa ylläpitävä säätelyjärjestelmä. Sisäerite rauhaset (kuvio 1) erittävät useita elintoimintoja sääteleviä hormoneja, jotka verenkierron välityksellä kuljetetaan kohde-elimeen, jonka reseptoreihin hormoni voi sitoutua ja saada aikaan soluvasteen. Hormonit ovat joko steroideja tai aminohappo- (polypeptidi-) yhdistelmiä ja ne säätelevät geenien ja entsyymien toimintaa kohdesoluissa. Sisäeriterauhasten erittämien hormonien lisäksi on joitakin muita elimiä, jotka erittävät myös hormoneja. Eräs tällainen on munuaiset, jotka hypoksian (hapenpuute) vaikutuksesta erittävät erytropoietiinihormonia. Se toimii luuytimessä osallistumalla veren punasolujen tuotantoon. Harjoituskuormitus (esim. yksittäinen voima- tai kestävyysharjoitus) saa aikaan spesifisiä akuutteja (välittömiä) ja jossakin määrin myös pysyviä muutoksia hormonaalisessa tasapainossa pitkäaikaisen harjoittelun myötä. Keskeisten hormonien järjestelmä ja toiminta on esitetty taulukossa 1 (McArdle ym. 2015). Harjoituksen ja harjoittelun vaikutuksia hormonipitoisuuksiin Kestävyysharjoitus ja kestävyysharjoittelu. Yleisesti ottaen yksittäinen kestävyysharjoitus saa aikaan tilapäisen veren hormonipitoisuuksien kasvun, mitä ilmentää kuviossa 2 testosteronin ja kortisolin muutokset juoksumatolla uupumukseen asti (noin 85 minuuttia) suoritetussa pitkäaikaisessa testissä (Daly ym. 2005). Kuvio 1. Hormoneja tuottavien sisäeriterauhasten sijainti (mukaeltu McArdle ym. 2015). Keskimäärin hormonipitoisuuden palautuminen harjoitusta edeltävälle tasolle kestää 1 2 tuntia. Erittäin kovan harjoituksen tai kuormituksen jälkeen testosteroni voi kuitenkin olla alentuneena seuraavana päivänä. Lepohormonipitoisuudet eivät muutu tai laskevat (esim. testosteroni) useita kuukausia kestävän intensiivisen kestävyysharjoittelun myötä.

83 4.6 Hormonaalinen järjestelmä ja kuormitus 141 Taulukko 1. Yhteenveto hormonijärjestelmästä ja keskeisimmistä vaikutusmekanismeista Sisäeriterauhanen Aivolisäkkeen etulohko Aivolisäkkeen takalohko Lisämunuaisen kuorikerros Lisämunuaisen ydinkerros Hormoni Kasvuhormoni (GH = growth hormone, somatotropiini) Tyreotropiini (TSH = thyroid stimulating hormone) Kortikotropiini (ACTH = adrenokortiko-trooppinen hormoni) Gonadotropiini (FSH = follikkeleita stimuloiva hormoni, LH = luteinisoiva hormoni) Prolaktiini (PRL) Endorfiinit Vasopressiini eli antidiureettinen hormoni (ADH) Oksitoksiini Kortisoli Kortikosteroni Aldosteroni Katekolamiinit: Adrenaliini eli Epinefriini ja Noradrenaliini eli Norepinefriini Hormonin vaikutuksia Pitkällä aikavälillä (1) Kiihottaa kudoskasvua (2) Lisää rasvahappojen käyttöä energiaksi (3) Estää (inhiboi) hiilihydraattien käyttöä Kiihottaa tyroksiinin tuottoa ja vapautumista kilpirauhasesta Kiihottaa kortisolin, aldosteronin ja lisämunuaisen hormonien tuottoa ja vapautumista Kiihottavat estrogeenin ja progesteronin tuottoa munasarjoista naisella ja testosteronin tuottoa kiveksistä miehillä Inhiboi (estää) testosteronin toimintaa, mobilisoi rasvahappoja Lisää euforiaa, vaikuttaa naisella kuukautiskiertoon Kontrolloi munuaisten veden eritystä Kiihottaa kohdun ja rinnan lihaksia, tärkeä synnytyksessä ja maidon erittymisessä (1) Edistää rasvahappojen käyttöä (2) Edistää proteiinikataboliaa (hajotusta) Lisää munuaisten natriumin, kaliumin ja veden varastoitumista (1) Lisää sympaattista aktiivisuutta (2) Lisää sydämen työkykyä ja säätelee verisuonia (3) Lisää glykogeenin kataboliaa (hajotusta) (4) Lisää rasvahappojen vapautumista Kilpirauhanen Tyroksiini (T 4 ) Trijodityroniini (T 3 ) (1) Lisää aineenvaihduntaa (2) Säätelee solun kasvua ja aktiivisuutta Munuaiset Reniini Kiihottaa aldosteronin eritystä

84 142 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Taulukko 1 jatkuu. Sisäeriterauhanen Hormoni Hormonin vaikutuksia Pitkällä aikavälillä Haima Insuliini (1) Lisää hiilihydraattiaineenvaihduntaa (2) Laskee veren sokeria (3) Lisää rasva- ja aminohappojen kuljetusta soluihin Lisäkilpirauhanen Munasarjat Glukagoni Lisäkilpirauhas-hormoni Estrogeenit (estradioli ja progesteroni) (1) Lisää glukoosin vapautumista maksasta vereen (2) Lisää rasva-aineenvaihduntaa (3) Laskee aminohappotasoja (1) Kohottaa veren kalsiumin tasoa (2) Laskee veren fosfaattitasoa (1) Kontrolloivat kuukautiskiertoa (2) Lisäävät rasvan varastoitumista (3) Lisäävät naisen sukupuoliominaisuuksia Kivekset Testosteroni (1) Kontrolloi lihaksen kokoa (2) Lisää veren punasoluja (3) Vähentää kehon rasvoja (4) Lisää miehen sukupuoliominaisuuksia Pitkäaikainen harjoittelu voi myös alentaa jonkin verran yksittäisen kestävyysharjoituksen aiheuttamia välittömiä muutoksia veren hormonipitoisuuksissa. Harjoituksen hormonivaste säätelee työskentelevien lihasten energian saantia, verenkiertoelimistön toimintaa ja nestetasapainoa mahdollistaen suorituksen jatkumisen ja kuormituksesta palautumisen. Määrältään, teholtaan ja useudeltaan liiallinen kestävyysharjoittelu voi aiheuttaa immuunijärjestelmän kuormittumisen johtaen myös kortisolipitoisuuden kohoamiseen. Vastaavasti testosteronipitoisuudet voivat tällöin laskea huomattavasti. Tämä hormonitasapainon järkkyminen voi haitata harjoitteluun sopeutumista ja harjoittelusta palautumista. Erityisesti kovatehoisen kestävyys harjoituksen jälkeen tulee kiinnittää huomiota riittävään lepoon ja erilaisiin palauttaviin toimenpiteisiin kuten aktiivinen palautus ja välitön palauttava ravinto. Toinen kriittinen tekijä hormonijärjestelmän kannalta on vuorokautinen riittävä kokonaisenergian saanti ja ravinnon proteiini- ja hiilihydraattipitoisuus (Hackney 2012). Voimaharjoitus ja voimaharjoittelu. Yleisimmät voimaharjoittelun yhteydessä tutkitut anaboliset hormonit ovat testosteroni ja kasvuhormoni. Tyypillinen voimaharjoitus aiheuttaa akuutin nousun sekä testosteronin että kasvuhormonin pitoisuudessa verenkierrossa. Näiden hormonien pitoisuus palautuu lähtötasolle voimaharjoituksen tyypistä, intensiteetistä ja volyymista riippuen keskimäärin 1 2 tunnin aikana. (Kraemer ym. 1991, Häkkinen & Pakarinen 1993). Kuviossa 3 on esitetty seerumin testosteronin akuutti vaste tyypilliseen hypertrofiseen voimaharjoituskuormitukseen sekä miehillä että naisilla (Kraemer ym. 1991). Miehillä testosteronin akuutti vaste on selvästi suurem-

85 4.6 Hormonaalinen järjestelmä ja kuormitus 143 Kuvio 2. Seerumin testosteronin (A) ja kortisolin (B) pitoisuudet uupumukseen asti suoritetussa kestävyysjuoksusuorituksessa ennen suoritusta ja välittömästi 85 (±4) minuutin pituisen suorituksen jälkeen sekä 30, 60 ja 90 minuutin että 24 tunnin palautuksen kuluttua. Tähti osoittaa merkitsevän eron lähtötilanteeseen (Daly ym. 2005). Seerumin testosteroni (nmol/l) Ennen Harjoituksen puolessa välissä + * + + * * + * Minuuttia harjoituksen jälkeen + Naiset Miehet + N M Seerumin kasvuhormoni (μg/l) Ennen Harjoituksen puolessa välissä Na Naiset Mie Miehet Minuuttia harjoituksen jälkeen Kuvio 3. Akuutti testosteronin vaste miehillä ja naisilla tyypillisessä hypertrofisessa voimaharjoituksessa. Risti kuvaa sukupuolieron testosteronin pitoisuudessa ja tähti eron miehillä heidän lähtötilanteeseensa verrattuna (Kraemer ym. 1991). Kuvio 4. Akuutti kasvuhormonin vaste miehillä ja naisilla tyypillisessä hypertrofisessa voimaharjoituksessa. Lähtötilanteessa on ristillä merkitty kasvu hormonin sukupuoliero ja tähdet kuvaavat eroja lähtötilanteeseen verrattuna (Kraemer ym. 1991). pi kuin naisilla. Kuvioissa 4 on puolestaan esitetty kasvuhormonin akuutti vaste samaan voima harjoituskuormitukseen miehillä ja naisilla (Kraemer ym. 1991). Yksittäisen voimaharjoituksen toteuttamistapa (kuorman suuruus, toistojen ja sarjojen määrä, sarjapalautus, harjoituksen kokonaisvolyymi, harjoitustausta jne.) vaikuttaa siis oleellisesti akuutin hormonivasteen suuruuteen ja aikaprofiiliin (kestoon) (Kraemer ym. 1991, Häkkinen & Pakarinen 1993, Ahtiainen ym. 2003). Hypertrofisessa voimaharjoituksessa (esim. kuorma % maksimista, 8 12 toistoa uupumukseen saakka/sarja ja lyhyt sarjapalautus) kasvuhormonin vaste on suurimmillaan ja huomattavasti suurempi kuin esim. tyypillisessä nopeusvoimaharjoituksessa kuten kuviosta 5 ilmenee.

86 144 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Kuvio 5. Akuutti seerumin kasvuhormonivaste miehillä tyypillisessä hypertrofisessa voimaharjoituksessa ja tyypillisessä nopeusvoimaharjoituksessa. Tähdet osoittavat merkitsevän eron lähtötilanteeseen (Häkkinen & Pakarinen 1995, Linnamo ym. 2005). Kuvio 6. Akuutti kasvuhormonivaste kuntoilijamiehillä (KU) ja miesvoimaurheilijoilla (VU) tyypillisessä hypertrofisessa voimaharjoituksessa ennen ja 21 viikon voimaharjoittelujakson jälkeen. Tähdet kuvaavat eroja lähtötilanteeseen verrattuna (Ahtiai nen ym. 2003). Kuviosta 6 ilmenee myös selkeästi, miten voimaurheilijoilla kasvuhormonin akuutti vaste hypertrofisessa voimaharjoituskuormituksessa on suurempi kuin kuntoilijoilla (Ahtiainen ym. 2003). Lisäksi voidaan havaita, miten voimaurheilijoilla akuutti kuormitusvaste voi laskea harjoitusjakson jälkeen, kun kuormitus suori- tetaan vain samalla suhteellisella intensiteetillä (ilman varsinaista absoluuttista kuormitusvolyymin lisäämistä) kuin ennen harjoitusjaksoa. Kuntoilijoilla taasen akuutti kasvuhormoni vaste saattoi jopa hieman lisääntyä, kun kuormitus suoritettiin samalla suhteellisella intensiteetillä harjoitusjakson jälkeen kuin ennen harjoit-

87 4.6 Hormonaalinen järjestelmä ja kuormitus 145 Kuvio 7. Akuutti seerumin testosteronin vaste äärimmäisen kovassa maksimivoimaharjoituksessa (A) ja äärimmäisen kovassa hypertrofisessa voimaharjoituksessa (B), mitkä suoritettiin illalla (klo 17 19). Kuviossa näkyy myös alentunut lepotesto steronipitoisuus (aamulla) yksi (AI ja BI) ja kaksi (AII ja BII) vuorokautta molempien harjoitusten jälkeen. Tähdet kuvaavat merkitseviä muutoksia (Häkkinen ja Pakarinen 1993). telua (vaikka siis absoluuttista kuormitusmäärää ei varsinaisesti lisätty). Voimaharjoituksen aiheuttama kasvuhormonin vaste voi olla miehillä suurempi kuin naisilla ja vaste laskee ikääntymisen myötä molemmilla sukupuolilla (Häkkinen & Pakarinen 1995). Hormonivasteen lisäksi lihastyön aiheuttama aineenvaihdunnallinen ja mekaaninen kuormitus saa aikaan mm. paikallisten välittäjäaineiden erittymisen, jotka edistävät lihasten kasvua ja valkuaisaineiden synteesiä. Hormonit vaikuttavat siis yhdessä monien muiden tekijöiden kanssa hermo-lihasjärjestelmän toimintaan siten, että pitkällä aikavälillä voimaharjoittelu voi johtaa lihasvoiman ja -massan kasvuun. Voimaharjoittelu on pyrittävä ohjelmoimaan kuormituksen ja levon kannalta siten, että kovankin harjoittelujakson aikana hormonien lepopitoisuudet eivät muutu tilapäisesti liikaa (esim. testosteronin lasku) eivätkä varsinkaan liian pitkäksi aikaa. Niinpä on syytä ottaa huomioon esim. se, että erittäin kovan hypertrofisen tai maksimivoima harjoituksen jälkeen testosteronitaso ja voimataso saattavat jäädä alentuneeksi jopa 2 3 vuorokauden ajaksi (Häkkinen & Pakarinen 1993, Ahtiai nen ym. 2003). Tämä ilmenee kuviosta 7, jossa on esitetty seerumin testosteronin pitoisuus äärimmäisen kovien maksimaalisten ja hypertrofisien voimaharjoitusten aikana sekä 1 ja 2 vuorokauden palautumisjakson jälkeen. Seerumin testosteronitaso jäi alentuneeksi vähintään kahden vuorokauden ajaksi sekä maksimi- että hypertrofisen voimaharjoituksen jälkeen. Näin ollen käytännössä nämä tutkimustulokset tarkoittavat mm. yksittäisen harjoituksen määrän ja intensiteetin oikeata tarkoituksenmukaista vaihtelua, harjoittelun jaksottamista (periodistaminen) ja ohjelmoinnin yksilöllisyyden painottamista niin miesten kuin naisten voimaharjoittelussa (Fleck ja Kraemer 2014).

88 146 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Yhteenveto 1. Hormonaalinen säätely on yhdessä hermostosäätelyn kanssa tärkein elimistön toimintaa ja tasapainoa ylläpitävä säätelyjärjestelmä. 2. Hormonipitoisuudet muuttuvat yhden harjoituksen vaikutuksesta hetkellisesti, mutta palautuvat optimaalisesti (useimmat hormonit keskimäärin 1 2 tunnissa) hyvin suunnitellussa harjoittelussa. 3. Jos urheilija ajautuu ylirasitustilaan, on seurauksena mm. epätasapaino hormonitilassa. 4. Hormonipitoisuuksien mittauksilla voidaan seurata elimistön kuormitustilaa. KUVA: SUOMEN UIMALIITTO / JUSSI SALMINEN

89 Liikunnan ja harjoittelun vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan Johanna Ihalainen, liikuntatieteiden maisteri, tohtorikoulutettava, liikuntabiologian laitos, Jyväskylän Yliopisto Markus Pörsti, erikoistuva lääkäri, työterveyshuolto, Siilinjärven kunta, lisäksi mukana Suomen Hiihtoliiton lääkäriryhmässä Ihmisen immuunijärjestelmä Immuunijärjestelmä on elimistön puolustusjärjestelmä taudinaiheuttajia vastaan, joka koostuu imukudoksesta, immuunijärjestelmän soluista ja kemikaaleista. Immuunijärjestelmällä on kolme päätehtävää: suojata kehoa taudinaiheuttajilta, poistaa vaurioituneet tai tuhoutuneet solut sekä tunnistaa ja tuhota epänormaalit solut. Elimistön on jatkuvasti puolustauduttava elimistöön eri teitä tunkeutuvaa vierasta materiaalia vastaan. Suurin hyökkääjäryhmä muodostuu erilaisista elävistä taudinaiheuttajista kuten bakteereista ja viruksista. Ihmisen immuuni vaste on spesifi siinä mielessä, että se pystyy erottelemaan kemiallisesti lähellä toisiaan olevia aineita. Immuniteettireak tioihin liittyy myös kyky oppia kokemuksistaan. Puolustusjärjestelmän toiminta samaa taudinaiheuttajaa vastaan on tehokkaampaa kuin ensimmäisellä kerralla (immunologinen muisti). Immuunipuolustukseen osallistuu useita eri solutyyppejä sekä verenkierrossa että kudoksissa. Tärkeimpiä puolustussoluja ovat leukosyytit eli valkosolut, jotka voidaan jakaa neljään pääryhmään: fagosyytit, dendriittisolut, lymfosyytit ja tulehdusreaktiota vahvistavat solut. (Silverthorn 2007) Immuunijärjestelmä voidaan jakaa toiminnallisesti synnynnäiseen ja hankittuun immuniteettiin, joiden osat on esitetty kuviossa 1. Synnynnäinen ja hankittu immuniteetti toimivat yhdessä, ja synnynnäisen immuniteetin toiminta aktivoi hankitun immuniteetin. Synnynnäinen (luontainen) immuniteetti. Synnynnäisen puolustusjärjestelmän tehtävänä on estää elimistölle vieraiden aineiden tunkeutuminen elimistöön mekaanisilla ja kemiallisilla esteillä. Ensivaiheessa taudinaiheuttajien tunkeutumista kehoon estävät ihon ja limakalvojen puolustusmekanismit ja toisessa vaiheessa, jos taudin aiheuttaja pääsee kehoon, kudosten puolustusmekanismit. Kudosten puhtaanapidosta huolehtivat synnynnäiseen immuniteettiin kuuluvat fagosyytit, muut tulehdussolut sekä komplementtijärjestelmä ja hankittuun immuniteettiin kuuluva lymfosyyttipohjainen immuniteetti. (Shephard 1997; Roitt ja Delves 2001) Hankittu (adaptiivinen) immuniteetti. Synnynnäinen immuunijärjestelmä sisältää useita mekanismeja, jotka pyrkivät estämään taudinaiheuttajan pääsyn kehoon ja tuhoamaan sen. Synnynnäisen immuniteetin epäonnistuessa taudinaiheuttajan tuhoamisessa synnynnäinen immuniteetti pyrkii pitämään tulehdusreaktion hallinnassa siihen asti, että hitaammin aktivoituva hankittu immuunijärjestelmä aktivoituu. Hankittu immuniteetti perustuu elimistön kykyyn tunnistaa infektioita aiheuttavia vieraita molekyylejä. Hankitun immuniteetin aktivoituminen edellyttää, että taudinaiheuttaja aktivoi elimistön vasta-ainetuotannon (antigeenivaste). Hankittu immuniteetti käsittää kaksi eri osaa, soluvälitteisen ja humoraalisen (nesteen mukana kulkeva) immuunireaktion. Soluvälitteinen immuniteetti perustuu spesifisti ja aktiivisesti toimiviin T-soluihin, jotka voivat itse tuhota taudinaiheuttajia tai toimia yhdessä muiden puolustusreaktioiden kanssa. Soluvälitteinen immuniteetti taistelee solun sisälle päässeitä taudinaiheuttajia vastaan. Humoraalinen immuniteetti perustuu aktivoituneiden B-imusolujen

90 148 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Immuunijärjestelmä Synnynnäinen immuniteetti nopea karkea tunnistus Hankittu immuniteetti hidas spesifinen Yleispuolutusmekanismit epiteelit, limakalvot, eritteet, matala ph Fagosytoivat solut sekä luonnolliset tappajasolut Komplementtijärjestelmä Soluvälitteinen immuniteetti T-solut Humoraalinen immuniteetti plasmasolut ja B-muistisolut Estää taudinaiheuttajan pääsyn kehoon Tunnistaa ja tuhoaa taudinaiheuttajia ja erittää tulehdusvälittäjäaineita Tunnistaa ja tuhoaa veressä olevia taudinaiheuttajia Tappaa elimistön infektoituneet solut Tuhoaa syöpäsolut Tuhoaa solunulkoiset taudinaiheuttajat ja muokkaa taudinaiheuttajaa helpommin fagosytoitavaksi Kuvio 1. Immuunijärjestelmän toiminnallinen jako synnynnäiseen ja hankittuun immuniteettiin. eli plasmasolujen erittämiin ja elimistössä kiertäviin vasta-aineisiin eli immunoglobuliineihin (IgA, IgG, IgD, IgE ja IgM). Vasta-aineet ovat liuenneena elimistön nesteissä kuten veressä, syljessä, kyyneleissä ja hiessä. IgM ja IgG ovat yleisimpiä vasta-aineita veressä, kun taas syljessä IgA on yleisin vasta-aine. (Roitt ja Delves 2001) C-reaktiivinen proteiini (CRP). C-reaktiivinen proteiini (CRP) on akuutin vaiheen proteiini, jonka pitoisuus veressä nousee tulehduksessa. Sen tehtävänä on kiinnittyä vaurioituneen tai kuolleen solun pinnalle ja aktivoida komplementtijärjestelmä. Komplementtijärjestelmäksi kutsutaan ryhmää veressä kiertäviä proteiineja, jotka ovat osa synnynnäistä immuniteettiä (Nielsen 2013). Sytokiinit. Sytokiinit ovat aineita, jotka välittävät immuunijärjestelmän signaaleja solujen välillä. Sytokiinit voidaan jakaa niiden toiminnan mukaan tulehdusta vahvistaviin (pro-inflammatory, esim. IL-1, IL-8, TNF-α) ja tulehdusta vähentäviin (anti-inflammatory, esim. IL-1ra ja IL-10) sytokiineihin. Lisäksi, joillain sytokiineilla on molempia ominaisuuksia (esim. IL-6). (Nielsen 2013) Liikunnan ja harjoittelun vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan Yleisesti ottaen liikunta vahvistaa immuunijärjestelmän toimintaa ja näin ollen vastustuskykyä infektioita vastaan. Liikunnan aikaansaama vaikutus immuunijärjestelmän toimintaan riippuu kuitenkin liikunnan tyypistä, määrästä ja intensiteettistä. Harjoittelemattoman ihmisen aloittaessa kohtuullisen liikuntaharjoittelun immuunijärjestelmän toiminta vahvistuu vähitellen, mitä seuraa vastustuskyvyn paraneminen. Kovatehoinen ja/tai pitkäkestoinen

91 4.7 Liikunnan ja harjoittelun vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan 149 Kovien harjoittelujaksojen aikana kestävyysurheilijat ovat herkempiä sairastumaan infektioihin kuin tavalliset kuntoilijat Kuvio 2. J-käyrällä kuvataan harjoittelun ja ylähengitystieinfektioriskin välistä yhteyttä. Kohtuullinen liikunta ja harjoittelu vähentävät hengitystieinfektion riskiä, kun taas raskas harjoittelu lisää sairastumisriskiä (Nieman 1997). suoritus taas aiheuttaa kovan kuormituksen myös immuunijärjestelmälle, minkä seurauksena vastustuskyky heikkenee. Tämän vuoksi urheilijat, etenkin kestävyyslajeissa, ovat huomattavasti herkempiä sairastumaan infektioihin kuin tavalliset ihmiset. Kovan harjoittelun ja ylähengitystieinfektioiden esiintyvyyden välinen yhteys on löydetty myös intervallityyppisissä lajeissa, kuten tenniksessä ja jalkapallossa. (Nieman 1999; Novas ym. 2003; Gleeson 2007; Putlur ym. 2004). Ylähengitystieinfektio on yleisin lääketieteellinen urheilijoiden suoritusta estävä sairaus niin talvi- kuin kesäolympialaisissakin (Spence ym. 2007). Vancouverin talviolympialaisissa vuonna 2010 tehdyn tutkimuksen mukaan kahdeksan prosenttia urheilijoista sairastui kilpailujen aikana. Sairastuneista joka kolmannella tauti vaikutti hengityselimistöön. (Engebretsen ym ) Kilpailujen yhteydessä hengitystieinfektiot ovat merkittävä ongelma, sillä vähäisetkin flunssaoireet voivat estää kilpailemisen ja heikentää suorituskykyä. Ylähengitystieinfektioiden esiintyvyys kilpailuihin osallistuvilla kestävyysurheilijoilla on osoitettu olevan 2 6 -kertainen verrattuna samanlaisen kestävyystaustan omaaviin henkilöihin, jotka eivät kilpaile. Tämän katsotaan johtuvan kilpailusuorituksen aikaansaamasta fyysisestä kuormituksesta sekä lisääntyneestä psyykkisestä stressistä (Gleeson 2007). Alttiutta sairastua ylähengitystieinfektioihin on perinteisesti kuvattu J-kirjaimen muotoisena käyränä (kuvio 2). Kohtuullinen liikunta suojaa infektioilta, mutta huippu-urheilijoilla on lisääntynyt riski sairastua ylähengitystieinfektioihin. On myös esitetty, että harjoittelun ja infektioriskin välinen suhde olisi S-kirjaimen muotoinen: huippu-urheilijat erottuvat huipun taakse jäävistä urheilijoista immuunijärjestelmällä, joka suojaa tehokkaammin infektioilta kovan fyysisen ja psyykkisen stressin aikana (Malm 2006). Kovaan harjoitteluun liittyvä infektioherkkyys johtuu immuunijärjestelmän heikentyneestä toiminnasta (Gleeson 2007). Harjoittelun lisäksi myös muut tekijät vaikuttavat infektioiden esiintymiseen. Sairastumisriski on kohonnut etenkin urheilijoilla, jotka kärsivät unen puutteesta, henkisestä stressistä, huonosta ravitsemuksesta tai pudottavat painoa. (Nieman 2008.) Sairastumisriskiä lisää huomattavasti aiempi sairausjakso, josta ei ole täysin palauduttu. Kolmasosa maratonjuoksijoista, jotka sairastuivat maratonin jälkeen, olivat olleet sairaana kolmen viikon ajanjaksona ennen maratonia (Ekblom ym. 2006). Liikunnan ja harjoittelun välittömät ja pitkäaikaiset vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan Yksi liikuntakerta aiheuttaa immuunijärjestelmän toiminnassa monenlaisia muutoksia, jotka

92 150 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET ovat yhteydessä liikunnan tyyppiin, kuormittavuuteen ja kestoon. Valkosolujen määrä verenkierrossa kasvaa jo kuormituksen aikana ja heti sen jälkeen. Tämä johtuu lähinnä neutrofiilien ja lymfosyyttien määrän lisääntymisestä. Kovatehoisen tai pitkäkestoisen kuormituksen loputtua immuunijärjestelmän toiminnan on osoitettu heikkenevän 3 72 tunniksi. Immuunijärjestelmän toiminnan heikkeneminen johtuu lymfosyyttien määrän ja aktiivisuuden vähenemisestä (etenkin luonnolliset tappaja solut) sekä syljen Immunoglobuliini A -pitoisuuden vähenemisestä (Nieman 1997). Ajan, jonka immuunijärjestelmän toiminta on heikentynyt, on esitetty olevan avoin ikkuna (kuvio 3), joka antaa viruksille ja bakteereille mahdollisuuden aiheuttaa infektio elimistössä (Nieman 2003). Avoimen ikkunan pituus riippuu liikunnan intensiteettistä ja kestosta ja sen on osoitettu olevan myös hyvin yksilöllinen. Tämän vuoksi kovien harjoitusten, kilpailujen ja palautusjaksojen rytmittäminen on erittäin tärkeää. (Friman ym ) Lepotilassa urheilijoiden ja kuntoilijoiden välillä ei ole havaittu eroja immuunijärjestelmän toiminnassa. On kuitenkin huomattava, että akuutti harjoitusvaste saattaa vaikuttaa tuloksiin jopa yli 48 tuntia, minkä vuoksi urheilijoiden mittaukset tulisi toteuttaa ainakin kahden lepopäivän jälkeen. Harjoittelun aikaansaama pitkäaikainen stressi vaikuttaa etenkin synnynnäiseen immuunijärjestelmää (mm. neutrofiilien ja luonnollisten tappaja solujen toiminnan heikkeneminen), mutta myös hankittuun immuniteettiin (T- ja B-solujen toiminta). Kovan pitkäkestoisen tai kovatehoisen harjoittelun, kuten kovien harjoitusleirien, on osoitettu heikentävän puolustusjärjestelmän toimintaa pidempiaikaisesti. Tästä palautuminen voi vaihdella seitsemästä päivästä jopa kuukausiin (Bishop & Gleeson 2009). Novasin ym. (2003) mukaan urheilijoiden harjoittelujakso vaikuttaa infektio-oireiden esiintymiseen. Urheilijoilla esiintyy oireita enemmän raskailla harjoitusviikoilla, jolloin harjoitusten yhteiskesto ja -kuormitus on kovempi. Urheilijoille, jotka harjoittelevat kovaa ilman riittävää palautumista, voi kehittyä krooninen immuunivasteen heikkeneminen (kuvio 3). Immuunivasteen Kuvio 3. Kohtuullisella teholla suoritettu liikunta vahvistaa immuunijärjestelmän toimintaa (vihreä nuoli). Kovatehoinen harjoittelu saa aikaan palautumisvaiheessa avoimen ikkunan (punainen nuoli), jonka aikana urheilija on herkempi sairastumaan heikentyneen immuunijärjestelmän toiminnan vuoksi. Toistettaessa kovia harjoituksia ilman riittävää palautumista vaikutukset kumuloituvat ja immuunijärjestelmän toiminta saattaa olla heikentynyt pidempään (mukaeltu Smith 2003; Pedersen & Ullum 1994).

93 4.7 Liikunnan ja harjoittelun vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan 151 heikkenemisen on esitetty olevan seurausta: 1) stressihormonien (gluko kortikoidit) määrän lisääntymisestä, mikä heikentää soluvälitteisen immuunijärjestelmän toimintaa, 2) tulehdusta vahvistavien ja heikentävien sytokiinien epätasapainosta ja 3) lisääntyneitten vapaiden radikaalien määrästä (Gleeson & Walsh 2012; Smith 2003). Immuunijärjestelmän toiminnan heikkeneminen on yhdistetty myös alipalautumiseen/ ylikuntoon. Immuunijärjestelmän tilan seurannalla ei kuitenkaan voida yksiselitteisesti ennustaa ylikuntoa (Meeusen ym. 2013). Useat tutkimukset ovat yrittäneet löytää biomarkkereita, joiden avulla voitaisiin tunnistaa urheilijat, jotka ovat herkempiä sairastumaan infektioihin. Tällä hetkellä syljen immunoglobuliini A -pitoisuuden (Neville ym. 2008; Ihalainen ym. 2015) sekä interleukiini-10 antigeenivasteen (Cox ym. 2010) on todettu eroavan terveenä pysyvien ja sairastumisherkkien urheilijoiden välillä. Immuunijärjestelmän toiminta muuttuu ikääntyessä ja ylipainon seurauksena. Tulehdustekijöiden, kuten tulehdusta lisäävien sytokiinien ja CRP:n, on osoitettu olevan koholla. Tätä kutsutaan matalaintensiteettiseksi tulehdukseksi, ja se on yhteydessä muun muassa sydän- ja verenkiertoelimistön sairauksien ja diabeteksen esiintyvyyteen. Säännöllinen liikunta vähentää matalaintensiteettistä tulehdusta. Liikunnan aikaansaama tulehdusta vähentävä vaikutus perustuu 1) jokaisen liikuntakerran aikaansaaman tulehdusta vähentävien sytokiinien määrän nousuun sekä 2) mahdollisesti harjoittelun aikaansaaman rasvamassan vähentymiseen (katso yleiskatsaus Gleeson ym. 2011). Kuinka urheilija voi välttää infektioita? Sairastuminen heikentää suorituskykyä ja vähentää harjoittelu- ja palautumispäiviä, minkä takia urheilijoiden tulee kiinnittää erityistä huomiota sairauspäivien vähentämiseen. Urheilijoiden, valmentajien ja lääkärien tulisi olla erittäin tarkkaavaisia etenkin suurentuneen infektio riskin, kuten kovien harjoitusviikkojen, kevennettyjen herkistelykausien sekä kilpailujen aikana ja kiinnittää huomiota muun muassa urheilijoiden palautumiseen sekä ravitsemukseen. (Gleeson ym. 2013). On merkittävää huomata, että yksilölliset erot immuunijärjestelmän toiminnassa, palautumisessa, harjoittelukapasiteetissa sekä kokonaisstressin sietokyvyssä ovat suuria. Tämän vuoksi sairauspäiväkirjan pito harjoittelupäiväkirjan ohessa on suositeltavaa. Tällöin voidaan tunnistaa ne jaksot, joiden aikana kyseinen urheilija on herkkä sairastumaan. Altistuminen taudinaiheuttajille. Altistus ilmassa oleville taudinaiheuttajille lisääntyy kovatehoisen harjoittelun yhteydessä johtuen lisääntyneestä hengitystiheydestä ja -tilavuudesta. Urheilijoita suositellaan käyttämään hengityssuojainta etenkin kylmissä ja kuivissa olosuhteissa tehtävissä kovatehoisissa harjoituksissa. Kylmässä harjoittelun on osoitettu heikentävän immuunijärjestelmän toimintaa enemmän kuin normaalissa lämpötilassa suoritetun harjoittelun. Kylmässä harjoittelun on osoitettu vaikuttavan muun muassa keuhkoputkien limakalvoihin ja värekarvoihin. Näyttöä suuremmasta sairastuvuudesta ja/tai pidemmistä sairausjaksoista ei kuitenkaan ole (Gleeson & Walsh 2011). Urheilijoiden tulisi välttää sairastavia ihmisiä ja huolehtia erityisesti käsi hygieniasta. Lisäksi jokaisella urheilijalla tulee olla oma henkilökohtainen juomapullo, eikä juomapulloja, kuppeja tai pyyhkeitä tulisi jakaa toisten urheilijoiden kanssa. (Walsh ym ) Lisäksi jokaisen urheilijan tulisi huolehtia kattavasta rokotesuojasta sekä kotimaassa että ulkomailla (ainakin influenssarokote) (Gleeson & Walsh 2011). Influenssa voi aiheuttaa kovia yleisoireita, korkeaa kuumetta, lihaskipuja, nuhaa sekä yskää ja siihen liittyy merkittävästi kohonnut jälkitautien kuten poskiontelotulehduksen ja keuhkokuumeen riski, jolloin toipumisaika voi pahimmillaan olla viikkoja. Rokotteita on saatavilla loka- ja marraskuussa. Rokote antaa % suojan infektiolta. Suuri vaihtelu johtuu viruk-

94 152 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET sen muuntumiskykyisyydestä, mutta useimmiten rokote vähintäänkin lieventää taudinkuvaa. Rokoteajankohta on pyrittävä ajoittamaan siten, ettei rokotetta annettaisi heti raskaan fyysisen kuormituksen jälkeen. Kovasta harjoituksesta tai kilpailuista tulisi olla ainakin kaksi vuorokautta. Myös rokotuksen jälkeen harjoittelun on syytä olla 1 3 vuorokautta kevennettyä, sillä immuunijärjestelmä on rokotteen jälkeen rasituksessa eikä välttämättä toimi optimaalisesti muita taudinaiheuttajia vastaan. Harjoittelu. Vastustuskyvyn ylläpitämiseksi harjoittelu tulisi aina tauon jälkeen aloittaa matalalla ja kohtuullisella määrällä ja teholla asteittain lisääntyen, jotta immuunijärjestelmän toiminta ei heikkene ja infektioriski nouse. Tämä tulee ottaa huomioon etenkin sairausjakson jälkeen. Harjoittelun ohjelmointi kuormituksen suhteen on merkittävässä osassa immuunijärjestelmän tehokkaan toiminnan ylläpitämisessä: kevyempiä jaksoja tarvitaan immuunijärjestelmän tilan riittävään palautumiseen. Harjoittelussa tulee välttää yksipuolisuutta ja turhaa ylikuormitusta. (Gleeson ym. 2013). Pitkän harjoittelu- ja kilpailukauden jälkeen myös ylimenokauden levolla on merkitystä. Etenkin niille urheilijoille, jotka ovat sairastaneet kilpailukauden aikana paljon, suositellaan useamman viikon lepoa, jotta myös immuunijärjestelmä pääsee palautumaan ennen seuraavan harjoittelukauden alkua. (Walsh ym. 2011). Ravinto. Ravinto vaikuttaa lähes kaikkiin immuunijärjestelmän osiin, sillä rasva, hiilihydraatit ja proteiinit osallistuvat immuunijärjestelmän solujen aineenvaihduntaan ja proteiinisynteesiin. Lisäksi kivennäisaineet ja vitamiinit ovat olennaisessa osassa immuunijärjestelmän solujen muodostuksessa ja antioksidanttipuolustuksessa. (Gleeson 2006) Useimmiten tavallinen monipuolinen sekaravinto riittää immuunijärjestelmän normaaliin toimintaan. Riittävä energiansaanti, hiilihydraattien ja proteiinien tasapaino sekä mikroravintoaineiden puutteiden välttäminen ovat avainasemassa terveyden ylläpitämisessä. Hiilihydraattien nauttimisen (30 60 g/h) harjoituksen aikana ja sen jälkeen on osoitettu vähentävän immuunijärjestelmän toiminnan heikkenemistä vähentyneen stressihormonivasteen vuoksi. Vitamiineista tulee erityisesti huolehtia raudan, sinkin, sekä A-, E-, D-, B6 ja B12-vitamiininen riittävästä saannista. Sinkkilisällä (yli 75 mg/vrk) voidaan lyhentää flunssaoireiden kestoa ja vakavuutta, jos lisä aloitetaan 24 tunnin sisällä oireiden ilmestymisestä. Useiden lisäravinteiden (Echinacea, kversetiini, ternimaito, glutamiini) on ehdotettu tehostavan immuunijärjestelmän toimintaa. Useimpien ravintolisien on todettu toimivan vain eläinkokeissa tai potilasryhmillä eikä selkeää hyötyä ole havaittu terveillä urheilijoilla. (Gleeson ym. 2007). Joidenkin vitamiinien ja mineraalien korkeiden saantien on todettu olevan yhteydessä heikentyneeseen immuunivasteeseen (Gleeson ym. 2007). Esimerkiksi liian korkean raudansaannin on todettu olevan yhteydessä sairastumisherkkyyteen. Tämän vuoksi rautalisää tulisi käyttää vain tarpeeseen, seuraten veren hemoglobiini- ja ferritiinipitoisuuksia (Gleeson 2006). Uni. Unenpuutteen on osoitettu olevan yhteydessä sairastuvuuteen. Alle kuusi tuntia yössä nukkuva sairastuu infektioon kolme kertaa todennäköisemmin kuin yli seitsemän tuntia yössä nukkuva. Urheilijoiden kanssa unesta keskusteltaessa on hyvä huomioida, että ihmiset useimmiten yliarvioivat unen määrää jälkeenpäin. Tämän vuoksi nukkumaanmeno- ja heräämisaikoja on hyvä kirjata systemaattisesti ylös tasaisin väliajoin. (Prather 2015). Myös unen laadun seuranta on huippu-urheilijalla perusteltua (Gleeson & Walsh 2011). Terveystilan ja suorituskyvyn seuranta. Urheilijan terveystilan seuranta on erittäin tärkeässä asemassa, kun pyritään huippusuorituksiin. Yleisimmät analysoitavat verimuuttujat ovat valkosolut, valkosolujakauma, punasolut, hemoglobiini ja rauta-arvot (ferritiini). Koska ylikunto/alipalautuminen on usein yhteydessä heikentyneeseen immuunijärjestelmän toimintaan ja sairastumisherkkyyteen, tulee val-

95 4.7 Liikunnan ja harjoittelun vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan 153 mennuksessa kiinnittää huomiota rasitustason seurantaan. Tähän voidaan käyttää esimerkiksi sykevälivaihtelua, mielialakyselyjä, kuormittuneisuusmittareita (mm. juoksunopeus harjoituksessa) ja suorituskykymittauksia (Gleeson ym. 2013). On huomattava, että rasitustilaan vaikuttaa fyysisen stressin lisäksi myös psykologinen stressi, jonka käsittelyyn saa apua urheilupsykologilta (Gleeson & Walsh 2011). Liikunta ja harjoittelu infektion aikana ja sen jälkeen Täyslepo, jos infektion yleisoireita kurkkukipua kuumetta poikkeavaa väsymystä kiihtynyt leposyke KUVA: SHUTTERSTOCK Patogeenien aiheuttama ylähengitysteiden infektio kestää yleensä 7 14 vuorokautta, ja sen yleisimpiä oireita ovat yskä, nenän tukkoisuus, kuume, lihaskivut ja huonovointisuus. Joka vuosi kausiflunssa alkaa lokakuussa huipentuen tammikuuhun (Martin ym. 2009). Infektion aikana keho on kovassa rasitustilassa, minkä vuoksi harjoittelu ei tuota haluttua vastetta. Infektio laskee suorituskykyä sekä sen aikaansaaman immuunivasteen vuoksi että hoidoksi käytetyn vuodelevon vuoksi. Viikon mittaisen kuumeisen infektion on osoitettu laskevan lihasvoimatasoa jopa 15 %. Aerobiseen kapasiteetin on osoitettu hetkellisesti heikkenevän jopa 25 % kuumeisen infektion jälkeen. Voimatasojen laskun on esitetty johtuvan infektion aikaansaamasta lihasten kataboliasta, kun taas aerobisen suorituskyvyn laskua on selitetty katabolian lisäksi veren volyymin pienenemisellä, hemoglobiinin laskulla sekä autonomisen hermoston toiminnan heikkenemisellä. Lisäksi infektio ja kuume heikentävät lihaskontrollia vaikuttaen negatiivisesti koordinaatioon. (Friman 1998.) Kuumeisen infektion aikana suositellaan aina täyttä lepoa. Myös kuumeettomassa infektiossa, jossa esiintyy yleisoireita (lihassärkyä, lihaskipuja, nivelsärkyjä ja päänsärkyä) ja/ tai kurkkukipua suositellaan täyttä lepoa kunnes oireet ovat hävinneet. Erityisesti ensimmäisten 1 3 vuorokauden aikana tulee harjoittelussa noudattaa erityisvarovaisuutta ja seurata, millaisiksi infektio-oireet kehittyvät. Lievissä infektioissa, joissa oireena on nuha ilman muita oireita, tulee kolmen vuorokauden ajan noudattaa harjoittelussa varovaisuutta, jonka jälkeen suositellaan asteittaista paluuta tehokkaaseen harjoitteluun, mikäli uusia oireita ei esiinny. (Friman ym. 2011).

96 154 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET Infektioiden ehkäisy käytännössä Harjoittelun suunnittelussa vastuu on aina valmennuksella, lääkärit eivät ole valmennuksen asiantuntijoita. Altistumista erilaisille taudinaiheuttajamikrobeille eli viruksille ja bakteereille on pyrittävä minimoimaan Käsihygienia on ensiarvoisen tärkeää Huolellinen käsienpesu ennen ruokailua Ravintolalinjastosta ruokaa haettaessa käsien desinfiointi (oma käsidesipullo) sen jälkeen, kun ruoka on annosteltu lautasille yleisillä ottimilla. Mahdollisesti voi käyttää kertakäyttöisiä kumisormikkaita. Avokäsin kättelyä on suositeltavaa vältellä etenkin kilpailun jälkeen Kotioloissa pyritään välttämään kontaktia sairastuneiden ihmisten kanssa etenkin kilpailujen ja leirien jälkeen. Avoimen ikkunan yhteydessä tulee olla erityisen tarkka Nopeasti lämmintä ja kuivaa vaatetta ylle kilpailun ja kovan harjoituksen jälkeen Mahdollisimman nopeasti juomaa ja energiaa Sairastunut urheilija tulee eristää muista urheilijoista leirillä ja kilpailumatkoilla Pääsääntöisesti urheilijan kotiutus: leirille tai kilpailumatkalle on useimmiten hyödytöntä jäädä sairastamaan. Majapaikassa omaan huoneeseen Ruokailu eri pöydässä muun joukkueen kanssa Siirtymiset mieluummin huoltajien/valmentajien kanssa samassa autossa, kuin terveiden urheilijoiden Pyrkimys 100 % rokotekattavuuteen urheilijoiden, lähipiirin ja huollon piirissä Influenssarokotteen ottaminen on suositeltavaa kaikille urheilijoille, korostuneesti talvilajien urheilijoille Lisäksi suositellaan pneumokokkirokotetta, koska streptococcus pneumoniae on yksi yleisimmistä hengitystieinfektioita aiheuttavista bakteereista ja voi aiheuttaa rajujakin infektioita, kuten rajuoireista keuhkokuumetta. Urheilijan sairastuessa hengitystieinfektioon ei ole perusteltua aloittaa antibioottihoitoja varmuuden vuoksi. Valtaosa infektioista on virusperäisiä, eivätkä antibiootit nopeuta virusinfektion paranemista, mutta voivat aiheuttaa merkittäviäkin sivuoireita, jolloin lääkekuurista voi olla enemmän haittaa kuin hyötyä. Mahdolliset antibioottihoidot on syytä aloittaa vain lääketieteellisesti perustelluista syistä.

97 4.7 Liikunnan ja harjoittelun vaikutukset immuunijärjestelmän toimintaan 155 Yhteenveto 1. Ihmisen elimistön on jatkuvasti puolustauduttava siihen eri teitä tunkeutuvaa vierasta materiaalia kuten bakteereja ja viruksia vastaan. 2. Puolustusjärjestelmä jakaantuu toiminnallisesti synnynnäiseen ja hankittuun immuniteettiin. 3. Urheilijat, etenkin kestävyyslajeissa, ovat huomattavasti herkempiä sairastumaan infektioihin kuin tavalliset ihmiset. Hengitystieinfektioiden ja harjoittelun määrän suhdetta on perinteisesti kuvattu J-käyrällä. Kohtuullinen harjoittelu vähentää hengitystieinfektion riskiä, kun taas raskas harjoittelu lisää sairastumisriskiä. 4. Sekä yksi liikuntakerta että pitkäaikainen harjoittelu vaikuttavat immuunijärjestelmän toimintaan. Kohtuullinen liikunta vahvistaa immuunijärjestelmän toimintaa. Kovan kuormituksen jälkeen ( avoin ikkuna -teoria) immuunijärjestelmän toiminta on heikentynyt. Tuona aikana bakteerit ja virukset voivat päästä elimistöön normaalia helpommin. Kovien harjoittelujaksojen jälkeen immuunijärjestelmän toiminnan palautuminen voi kestää useita viikkoja. 5. Monipuolisella ja riittävällä ravinnolla taataan immuunijärjestelmän normaali toiminta. Erityistä huomiota tulee kiinnittää hiilihydraattien riittävään saantiin. Lisäravinteiden ei ole osoitettu parantavan immuunijärjestelmän toimintaa terveillä urheilijoilla. 6. Unenpuute ja lisääntynyt psykologinen stressi lisäävät sairastumisherkkyyttä. 7. Urheilijan sairastuessa, jos oireena on vain nuha, tulee harjoittelua keventää kolmen vuorokauden ajan. Jos sairauden oireina on kurkkukipua, yleisinfektion oireita, kuumetta, poikkeavaa väsymystä tai kiihtynyt leposyke suositellaan täyslepoa. HUOM! Tämän kirjan kaikkien lukujen lähdeluettelot löytyvät kustantajan kotisivuilta

98 156 HARJOITTELUN FYSIOLOGISET JA BIOMEKAANISET PERUSTEET KUVA: POLAR ELECTRO OY Liikunta- ja hyvinvointialan koulutuskeskus PT Coaching Academy on moderni koulutuskeskus, joka kouluttaa valmennustyön ammattilaisia liikunta- ja hyvinvointialalle. PTCA valmentajakoulutuksessa opiskelu perustuu nykyaikaiseen valmennusideologiaan ja tapahtuu aina pienryhmissä huippukouluttajien johdolla. Tutustu koulutustarjontaamme ja laadi henkilökohtainen opintosuunnitelma.