Exercise and Metabolism
How fit are you?
Rest to Exercise
What changes must take place in skeletalmuscle at the beginning of exercise toprovide the necessary energy tocontinue movement?
Increase demand for:
O2
ATP
During Exercise
ATP consumption increases up to25 times than at rest
ATP needed for muscle contractions
ATP-PC system
Glycolysis
Aerobic pathway
O2 Deficit
The lag in O2 uptake at the beginning ofexercise.
This means initial ATP production mustbe anaerobic
FIG4-1~1
The Oxygen Deficit
Trained vs. Untrained Subjects O2Deficit
Trained athletes have lower oxygendeficit.
aerobic ATP production begins sooner
Due to:
Better-developed aerobic capacity
Cardiovascular or muscular adaptations
Results in less production of lactic acid
»Lactic Acid = fatigue
Trained vs. Untrained
FIG4-2~1
In Summary
In the transition from rest to light or moderate exercise,oxygen uptake increases rapidly, generally reaching asteady state within one to four minutes.
The term oxygen deficit applies to the lag in oxygenuptake in the beginning of exercise.
The failure of oxygen uptake to increase instantly at thebeginning of exercise suggests that anaerobic pathwayscontribute to the overall production on ATP early inexercise. After a steady state is reached, the body’s ATPrequirement is met via aerobic metabolism.
Recovery from Exercise
Oxygen uptake remains elevated afterexercise and into recovery
Metabolism remains elevated
Increased body temp
O2 Debt
Definition:  the excess oxygenconsumption, above rest, followingexercise
AV Hill
“to repay the oxygen deficit that occurs atexercise onset”
O Debt
O Debt
Divided into 2 portions:
Rapid Portion
2-3 minutes post exercise
Slow Portion
Greater than 30 minutes post exercise
Rapid Portion of O2 Debt
First 20%
Steep decline in O2 uptake followingexercise
Due to:
Resynthesis of creatine phosphate in muscle
Replenishment of muscle and blood O2stores
Slow Portion
80%
Slow decline in O2 consumption afterexercise
Due to:
Elevated heart rate and breathing
  energy need
Elevated body temperature
  metabolic rate
Need to supply O2 to respiratory musclesfor breathing
Excess Post Exercise OConsumption
EPOC / ODebt
Many scientists use these terms interchangeably
EPOC is greater following higher intensityexercise
Oxygen Deficit and EPOCLight vs. Heavy Exercise
Factors Contributing to EPOC
O2 Consumption During Exercise
Maximal oxygen consumption = VOmax
The maximal capacity to transport and useoxygen during exercise.
Considered by many exercise scientists tobe the most valid measurement ofcardiovascular fitness.
Factors Influencing VO2 Max:
1.Ability of cardiorespiratory system todeliver oxygen to the muscle
2.Muscle’s ability produce ATP aerobically
3.Genetics
4.Exercise training
5.Cardiovascular Disease
6.Age
VO2 max decreases with age
VO2 and Exercise Intensity
Low intensity
Fast walking
30% VO2 max
Moderate intensity
Jogging
50 – 80%
High intensity
Sprinting
85 – 150%
Examples of VO2 max
Healthy person
20ml/kg/min
Olympic Athlete
>80ml/kg/min
Heart Failure/ Transplant
<14ml/kg/min
Lactate Threshold
The point during exercise at which lacticacid starts to accumulate in the blood
Lactic Acid is produced faster than it can beremoved
Reflects the intensity of exercise
»Lactic Acid = fatigue
Training and Lactate Threshold
LT can be increased with training.
Trained athletes have a higher LT
Interval training takes advantage of thebody being able to recover from LT.
LA produced by the muscles is removed withoutit building up.
Reduces fatigue
Training and Lactate Threshold
A useful tool in training for racing andendurance sports
Long distance activity:  work just belowlactate threshold
long distance running
cycling, rowing
swimming
cross country skiing
Fuel Sources During Exercise
Carbohydrates
Blood sugar
Glycogen
Fats
FFA
Triglycerides
How do you know what fuel you are using?
Respiratory Exchange Ratio
RER
Used to estimate fuel use during exercise
Carbohydrate vs. Fat
Done non invasively
Metabolic Analysis
Carbs and Fat utilize different amounts ofO2 and produce different amounts of CO2.
Measure respiratory gasses during exercise.
C16H32O2 + 23 O2  16 CO2 + 16 H2O
VCO2
VO2
=
R =
16 CO2
23 O2
= 0.70
VCO2
VO2
R =
RER for Fats = 0.70
VCO2
VO2
=
R =
6 CO2
6 O2
= 1.00
C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O
RER for Carbs = 1.00
Respiratory Exchange Ratio
CO2/ O2
Fat oxidation requires more oxygen thancarbohydrate
Carbohydrates contain more oxygen thanfat
R Value
High R
More carbohydrates
Low R
More fat
R value of .85
.85
50% comes from fat
50% comes from carbohydrate
Estimation of Fuel Utilization During Exercise
Fuel Sources
The source that is used is determined byexercise intensity
Intense exercise utilizes carbs
Low intensity exercise utilizes fats
Rate of Fat Metabolism at DifferentExercise Intensities
F04-14
FIG4-1~3
“Crossover” Concept
Is Low-Intensity Exercise Best forBurning Fat?
At low exercise intensities (~20% VO2max)
Fuel source is about 60% from fat
However, total energy expended is low
Total fat usage is also low
Is Low-Intensity Exercise Best forBurning Fat?
At higher exercise intensities (~50% VO2max)
Lower contribution of fat as fuel source
(about 40%) from fat
Total energy expended is higher
Total fat usage is also higher
“Fats burn in the flame of carbohydrates”
Carbs are needed to introduce fats intothe cell.
Glycogen stores can be depleted duringexercise.
Is Low-Intensity Exercise Best forBurning Fat?
Prolonged Exercise (over 2 hrs)
May deplete muscle glycogen stores
No products to send through the KrebsCycle
No production of ATP
Result:  fatigue
end
Discussion Questions
How can elite marathoners run 26.2 miles at apace of 5 minutes per mile, yet very few can runjust 1 mile in 4 minutes?
Is it important for weight lifters and sprinters tohave a high capacity to consume oxygen?
From an exercise perspective, what are someadvantages of having different sources ofpotential energy for synthesizing ATP
FI31BF~1
FI31BF~1
Influence of Exercise Intensity onMuscle Fuel Source
quiz
1.At rest ATP is produced by ….aerobic
2.Tf factors contributing to o2 debt includeresynthesis or creatine phosphate and bodytemp. t
3.The upward drift in o2 uptake duringexercise is due to ….increasing bodytemperature
4.Tf maximal o2 uptake provides and overallassesment of exercise capability and isreduced in patients with cardio pulmonarydisease.  T
Crossover happens because…
1.Fast muscle fibers prefer glycolysis
2.Increasing levels of epinephrine
The rise in epinephrine increases muscleglycogen breakdown
Increased lactate production inhibits fatmetabolism
Factors Governing Fuel Selection
Sources of CarbohydrateDuring Exercise
Blood glucose
From liver (glycogen to glucose)
Primary source during low-intensity exercise
Important during long-duration exercise
As muscle glycogen levels decline
Muscle glycogen
Primary source during high-intensity exercise
Supplies much of the carbohydrate in the first hourof exercise
Factors Governing Fuel Selection
Sources of Fat During Exercise
Muscle stores of Triglycerides
Primary source of fat during higher intensityexercise
Plasma FFA
From adipose tissue
Enters Krebs cycle
Source of fat during low-intensity exercise
Becomes more important as muscletriglyceride levels decline in long-durationexercise
Work rate can still increase, eventhough there is no increase in O2consumption
FIG4-7~1
Calculate VO2 max
VO2 max = cardiac output X arterial/venusoxygen difference at peak exercise
Cardiac output- the amount bloodpumped by the heart
Arterio venus oxygen difference – thedifference in oxygen between  the arteriesand veins.
Lactate Threshold & Stats
Blood samples taken during exercise
Untrained person achieves threshold at 40-60% VO2 max
Trained person
Threshold at 65-80%VO2 max
Elite athletes
80-90 % of VO2 max
In Summary
Oxygen uptake increases in a linear fashionduring incremental exercise until VOmax isreached.
The point at which blood lactic acid risessystematically during graded exercise istermed the lactate threshold or anaerobicthreshold.
The lactate threshold has practical uses suchas in performance prediction and as amarker of training intensity.
Factors Governing Fuel Selection
Shift From Carbohydrate to FatMetabolism During ProlongedExercise
Figure 4.13