¿Cuáles son los factores limitantes del VO2max?

El camino del O2 desde la atmósfera hasta la mitocondria contiene una serie de pasos, cada uno de los cuales podría representar un impedimento potencial para el flujo de O2. Los factores fisiológicos que podrían limitar el VO2máx son: 1) la capacidad de difusión pulmonar, 2) máximo gasto cardíaco, 3) capacidad de transporte de oxígeno de la sangre, y 4) características del músculo esquelético. Los primeros tres factores pueden ser clasificados como factores “centrales”; el cuarto es llamado un factor “periférico” (Bassett and Howley, 2000).

Por más de un siglo, los científicos dedicados a la investigación cardiovascular han señalado que el “comando central” inicia la respuesta cardiovascular al ejercicio y que desempeña un papel crítico en el reflejo presor durante el ejercicio (Mitchell et al., 1983, Mitchell and Victor, 1996, Williamson et al., 2006). Esto es especialmente cierto para la regulación de la frecuencia cardíaca; por ejemplo, cuando cesa el esfuerzo voluntario al final del ejercicio, la frecuencia cardíaca rápidamente retorna a los valores normales, incluso si las señales metabólicas continúan atrapadas dentro de los músculos esqueléticos por oclusión vascular (Alam and Smirk, 1937, Levine, 2008). La cuestión de factores centrales o periféricos como limitantes del VO2máx ha sido un debate por mucho tiempo. Los trabajos conducidos a comienzos de 1970 apoyan la idea de factores centrales como limitantes del VO2máx. Clausen et al. (Clausen et al., 1973) mostraron que el entrenamiento de bicicleta con las dos piernas resultaba en un incremento en el VO2máx de los brazos. Ellos interpretaron correctamente esta evidencia de un efecto de entrenamiento cardiovascular central

El Sistema Pulmonar

La capacidad del sistema pulmonar para mantener presiones arteriales de oxígeno muy raramente representa una amenaza para el transporte de oxígeno durante la realización de ejercicio prolongados al nivel del mar (Dempsey and Manohar, 2000). No obstante algunos investigadores modernos han verificado que el sistema pulmonar puede en efecto limitar el VO2máx bajo ciertas circunstancias (Bassett and Howley, 2000). Dempsey et al. (Dempsey et al., 1984) demostraron que los atletas de elite tienen más probabilidad de sufrir una desaturación de O2 durante el trabajo máximo en comparación con los individuos normales. Los individuos entrenados tienen un gasto cardíaco mucho más alto que los individuos desentrenados (40 vs. 25 L.min-1). Esto conduce a una disminución del tiempo de tránsito de las células rojas sanguíneas en los capilares pulmonares. Consecuentemente, puede no haber suficiente tiempo para saturar la sangre con O2 antes de que salga de los capilares pulmonares. Las limitaciones pulmonares son evidentes en las personas que se ejercitan a alturas moderadamente altas (3000-5000 m) (Daniels and Oldridge, 1970, Faulkner et al., 1968, Kolias and Buskirk, 1974). Los individuos con asma y otros tipos de enfermedad pulmonar obstructiva crónica (COPD) sufren de un problema similar (una reducción en la PO2 arterial). Bajo estas condiciones, la capacidad de ejercicio puede ser incrementada con O2 adicional, el cual incrementa la “fuerza de conducción” de la difusión del O2 dentro de la sangre (23, 67). La habilidad de incrementar la capacidad de ejercicio de esta manera muestra la presencia de una limitación pulmonar.

Gasto Cardíaco Máximo

Actualmente, se sabe que el rango normal de valores de VO2máx (L.min-1) observado en hombres y mujeres entrenados y desentrenados de la misma edad es debido principalmente a la variación en el volumen de eyección máximo, dado que existe considerablemente menos variación en la frecuencia cardíaca máxima y la extracción sistémica de oxígeno. Durante el ejercicio máximo, casi todo el oxígeno disponible es extraído de la sangre que perfunde a los músculos activos (Shephard, 1977). El contenido de oxígeno de la sangre arterial es aproximadamente 200 mL de O2•L-1; en la sangre venosa que sale de los músculos en el trabajo máximo el mismo cae a 20-30 mL de O2•L-1. Esto muestra que queda poco oxígeno para ser extraído de la sangre durante el ejercicio intenso. Por lo tanto, el mecanismo dominante para el incremento en el VO2máx con el entrenamiento debe ser un incremento en el flujo sanguíneo (y transporte de O2). Es estimado que el 70-85% de la limitación en el VO2máx está relacionada con el gasto cardiaco máximo (Carretelli and di Prampero, 1987).

Los estudios longitudinales han mostrado que el incremento inducido por el entrenamiento en el VO2máx resulta principalmente de un incremento del gasto cardiaco máximo, en vez de una extensión de la diferencia sistémica a-v de O2. Ekblom et al. (Ekblom et al., 1968) encontraron que 16 semanas de entrenamiento físico incrementaron el VO2máx desde 3.15 a 3.68 L.min-1. Este incremento en el VO2máx resultó a partir de un incremento de 8 % en el gasto cardiaco (desde 22.4 hasta 24.2 L•min-1) y un incremento de 3.6 % en la diferencia a-v O2 (desde 138 hasta 143 mL•L-1).

Capacidad de Transporte de Oxígeno

Otro método para alterar el transporte de O2 a los músculos es cambiando el contenido de hemoglobina de la sangre (Ekblom et al., 1976). El doping sanguíneo es la práctica del incremento artificial del incremento del volumen de una persona de las células rojas sanguíneas totales a través de la remoción, almacenamiento, y subsiguiente reinfusión. Gledhill (Gledhill, 1982, Gledhill, 1985) completó una amplia revisión de 15-20 estudios que han examinado los efectos del doping sanguíneo. La reinfusión de 900- 1350 mL de sangre eleva la capacidad de transporte de la sangre. Ha sido demostrado que este procedimiento incrementa el VO2máx en un 4-9 % en estudios bien diseñados, doble ciego (Gledhill, 1982, Gledhill, 1985). Una vez más, estos estudios proporcionaron evidencia de una relación causa- efecto entre el transporte de O2 y el VO2máx. La evidencia acerca de que el VO2máx es limitado por el gasto cardiaco, la capacidad de transporte del oxígeno y en algunos casos el sistema pulmonar, parece ser contundente. Esta afirmación pertenece a los sujetos sanos que realizan ejercicios dinámicos para todo el cuerpo. Se considerará también si el músculo esquelético podría también ser un factor limitante del VO2máx.

Rol de la Difusión de O2 en la Determinación del VO2máx

Se ha demostrado que el incremento en el transporte de O2 puede incrementar el VO2máx (Barclay and Stainsby, 1975, Powers et al., 1989, Welch, 1982), lo cual sugiere que existe una limitación impuesta por el transporte de O2. Sin embargo, también se ha demostrado que este no es el único determinante del VO2máx (Wagner, 1992). Se ha hallado, en animales, que bajo condiciones de transporte convectivo arterial constante de O2, el incremento en la P50 (la presión de oxígeno a la cual el 50% de los sitios de unión de la hemoglobina están unidos con oxígeno) permitió que los músculos esqueléticos activos alcanzaran un mayor VO2máx (Richardson, 2000). Esto proveería evidencia de que el VO2máx a una P50 normal no está determinado por límites metabólicos mitocondriales sino por el suministro de O2. Honig et al. (Honig et al., 1992) presentaron evidencia de una limitación de difusión periférica de O2 en el músculo rojo canino. De acuerdo a sus experimentos y a un modelo matemático, el principal sitio de resistencia a la difusión de O2 ocurre entre la superficie de las células rojas sanguíneas y el sarcolema. El modelo experimental de Honig et al. (1992) es completamente diferente de aquel visto en un humano que hace ejercicio. Estos investigadores observaron que simplemente incrementando el flujo sanguíneo a los músculos aislados no es suficiente para causar un incremento en el VO2. El músculo aislado debe experimentar contracciones de modo que las mitocondrias consuman O2 (disminuyendo la PO2 intracelular). Sin un gradiente de difusión periférico, el consumo de oxígeno no se va a incrementar. Su conclusión final fue que el VO2máx es una propiedad de distribución, dependiente de la interacción del transporte de O2 y la captación de O2 mitocondrial (Honig et al., 1992). Basset y Howley (2000) concuerdan con esta conclusión; sin embargo señalan que este modelo no puede determinar cuál de estos factores limitan el VO2máx en un humano intacto que realiza un esfuerzo máximo.

Rol de la PO2 Intracelular en la Determinación del VO2máx

Recientemente se ha vuelto aparente que en los músculos esqueléticos activos, hay un substancial gradiente de PO2 vascular/intracelular, el cual puede manipularse alterando la fracción de O2 inspirado (Richardson, 2000, Richardson et al., 1995a). Richardson (2000) observó que el incremento significativo en el transporte de O2 y en el gradiente de O2 desde la sangre a la célula en músculos esqueléticos humanos in vivo respalda la teoría de que el suministro de O2 desempeña un rol importante en la determinación del VO2máx en músculos entrenados (Richardson, 2000) y sugiere que, in vivo, existiría una relación hiperbólica entre el VO2máx muscular y la PO2 intracelular, respaldando el concepto de que la tasa respiratoria máxima (VO2máx) está limitada por el suministro de O2 (Richardson, 2000)

Niveles de Enzimas Mitocondriales

Los fisiólogos han hecho grandes trabajos para examinar si los niveles de enzimas mitocondriales son un factor limitante del VO2máx (Bassett and Howley, 2000). Dentro de las fibras musculares, la mitocondria es el lugar donde el O2 es consumido en el paso final de la cadena de transporte de electrones, en teoría, doblando el número de mitocondrias se debería doblar el número de sitios para el consumo de O2 en el músculo. Sin embargo, los estudios en humanos muestran que solo hay un modesto incremento del VO2 máx. (20-40 %) a pesar de un incremento de 2.2 veces de las enzimas mitocondriales (Saltin et al., 1968). Esto es consistente con el enfoque acerca de que el VO2 máx., medido durante el ejercicio dinámico de todo el cuerpo, es limitado por el transporte de oxígeno (no las mitocondrias musculares) (Bassett and Howley, 2000).

El principal efecto del incremento de las enzimas mitocondriales es la mejora del rendimiento de resistencia, en vez de un incremento del VO2máx (Bassett and Howley, 2000). Holloszy & Coyle (Holloszy, 1973, Holloszy and Coyle, 1984) señalaron que aún en individuos con valores de VO2máx prácticamente idénticos puede haber un rango de dos veces en las enzimas mitocondriales.

Además, el entrenamiento de baja intensidad puede provocar pequeños cambios en las enzimas mitocondriales sin ningún cambio en el VO2máx, y viceversa (Klausen et al., 1981, Orlander et al., 1977). El incremento en las mitocondrias musculares puede permitir una extracción de O2 ligeramente mayor por parte de los músculos que trabajan, así contribuyendo en una menor medida a un incremento del VO2máx (Holloszy, 1973).

Rol de los Limitantes Centrales y Periféricos en la Determinación del VO2máx

De lo discutido hasta aquí parece que la pregunta persiste, ¿el VO2máx está limitado por factores centrales o periféricos? Richardson (2000) indicó que la principal observación de su estudio llevado a cabo en músculos esqueléticos humanos aislados es que incluso en un paradigma de ejercicio donde el transporte de O2 por unidad de masa muscular es muy alto, un elevado transporte de O2 inducido mediante la respiración de 100% de O2 resulta en un incremento del VO2máx en los músculos esqueléticos entrenados (Richardson, 2000). La cuestión de factores centrales o periféricos como limitantes del VO2máx ha sido un debate por mucho tiempo. Los trabajos conducidos a comienzos de 1970 apoyan la idea de factores centrales como limitantes del VO2máx. Clausen et al. (1973) mostraron que el entrenamiento de bicicleta con las dos piernas resultaba en un incremento en el VO2máx de los brazos. Ellos interpretaron correctamente esta evidencia de un efecto de entrenamiento cardiovascular central. En 1976 Saltin et al (1973) examinaron los efectos de un entrenamiento de ciclismo con una pierna sobre el incremento del VO2máx en una pierna entrenada, una pierna de control, y un entrenamiento con las dos piernas. La pierna entrenada tuvo un incremento de 23 % en comparación con el incremento de 7 % en el VO2máx de la pierna control (Saltin et al., 1977). La disparidad entre las piernas fue atribuida a adaptaciones periféricas que ocurrieron dentro del músculo esquelético entrenado. Los autores concluyeron que los factores periféricos fueron dominantes para limitar el VO2máx. Este estudio fue conducido durante 1970 como un nuevo descubrimiento acerca del tipo de fibra, densidad capilar, y actividades enzimática oxidativas que ocurrían en atletas. En ese tiempo, los investigadores pensaban que estos cambios eran esenciales para incrementar el VO2max. (Saltin et al., 1977).

Si bien es probable que siempre haya desacuerdo acerca de los factores que limitan el VO2máx muscular, varios estudios han provisto evidencia que respalda el concepto de que es el suministro de O2 más que una limitación bioquímica (Gayeski and Honig, 1988, Stainsby et al., 1989) lo que determina el VO2máx. Específicamente, utilizando una técnica óptica similar a la de Stainsby (1989), Duhaylongsd et al. (1993) reportaron resultados contrastantes en músculos de caninos, donde el ejercicio máximo resultó en una reducción casi completa de la citocromo aa3. Esto fue interpretado como el reflejo de una deficiente provisión de O2 hacia los músculos (Duhaylongsod et al., 1993). En hombres, Richardson et al. (1995) midieron la desaturación in vivo de la mioglobina durante la realización de ejercicio máximo y hallaron una caída proporcional en el VO2máx muscular con una reducción hipóxicamente inducida en la PO2 intracelular (Richardson et al., 1995b). Estos datos, respaldarían el concepto de que la tasa respiratoria máxima (VO2máx) está limitada por el suministro de O2 (Richardson et al., 1995b). Durante el ejercicio corporal total, las medidas indirectas del intercambio de gases pulmonar han continuado respaldando la importancia del suministro de O2 para determinar el VO2máx muscular (Adams and Welch, 1980, Peltonen et al., 1995), a la vez se ha provisto evidencia más directa de esto, obtenida mediante mediciones de los gases sanguíneos y del flujo sanguíneo durante ejercicios de ciclismo (Knight et al., 1993). En conclusión, En el campo de la fisiología del ejercicio, son discutidos los factores limitantes del VO2máx., usualmente en referencia a los sujetos humanos, sin enfermedades metabólicas, que realizan ejercicio para todo el cuerpo, al nivel del mar.

Bajo estas condiciones, la evidencia muestra que es principalmente la capacidad del sistema cardiorrespiratorio (i.e., corazón, pulmones, y sangre) de transportar O2 a los músculos, y no la capacidad de las mitocondrias musculares de consumir O2, lo que limita el VO2máx (Bassett and Howley, 2000). Al parecer hay un acuerdo general con respecto a los factores que limitan el VO2máx, y que este acuerdo está basado en evidencia científica válida. En general, los 75 años de investigación subsiguiente han proporcionado fuerte apoyo para las brillantes ideas de Hill et al. (1923).