Energetyka skurczu mięśnia – plan prezentacji
- Praca mięśniowa (wysiłek) wykonywany jest kosztem energii
- Maszyny – energia cieplna, w warunkach wysokiej temperatury
- Organizm ludzki – energia chemiczna w warunkach zasadniczo izotermicznych (stała temperatura)
- Adenozynotrifosforan (ATP) nukleotyd, zawiera 3 reszty kwasu ortofosforowego (V), resztę adeniny i rybozy – bezpośrednie źródło energii dla mięśni
- Hydroliza ATP katalizowana przez ATP-azy (enzymy katalizujące hydrolizę ATP do ADP i ortofosforanu(V), który łączy się z cząsteczką ATPazy, powodując jej fosforylację) dostarcza energii, która w komórce zużywana jest do wielu procesów (m.in.: transport przez błony, biosynteza, praca mięśni).
- Zasoby ATP w mięśniach szkieletowych człowieka są małe i wynoszą około 24 mmol na kilogram suchej masy mięśniowej. Zatem w wysiłku o maksymalnej intensywności bez resyntezy ATP jego zapas w komórkach mięśniowych uległby wyczerpaniu w ciągu zaledwie 2 sekund.
W związku z tym konieczna jest ciągła resynteza ATP poprzez dwa główne procesy metaboliczne: beztlenowe (szybkie) i tlenowe (wolne)
Metabolizm beztlenowy niekwasomlekowy
- Najszybszy sposób powstawania energii, produkuje największą ilość energii w ciągu sekundy
- Resynteza ATP w reakcjach rozpadów fosfagenów (związek ADP i fosfokreatyny) w mięśniu
PCr + ADP + H+ -> ATP + Cr
- Bardzo ograniczone zasoby fosfokreatyny w komórce mięśniowej
- Energia na około 5-6 sekund pracy fizycznej
- Nie jest używany tlen, nie powstaje kwas mlekowy
- Odbudowa fosfagenów w pierwszych 30 sekundach po skończonym wysiłku osiąga 70% wartości wyjściowych, po 35 minutach następuje pełna regeneracja zasobów fosfokreatyny
- W efekcie wieloletniego procesu treningowego zauważa się raczej niską poprawę efektywności tego rodzaju procesów metabolicznych
Metabolizm beztlenowy kwasomlekowy
Glikoliza beztlenowa
glukoza + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 cząsteczki pirogronianu + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O
- Energia powstaje bardzo szybko, bez użycia tlenu
- Cząsteczka glukozy otrzymana po rozpadzie glikogenu przechodzi przez szereg procesów uwalniając cząsteczki energii
- Produkty końcowe – pirogronian oraz atomy wodorowe – przetwarzane w kwas mlekowy
- Kwas mlekowy może być uwalniany do krwi i metabolizowany. Gdy tempo usuwania kwasu mlekowego z mięśnia jest wolniejsze niż jego produkcja następuje wtedy zakwaszenie mięśnia i przekłada się do na znaczny spadek szybkości. Gdy organizm nie jest w stanie dostarczać wystarczającej ilości energii na drodze beztlenowej z powodu zbyt dużej kwasicy metabolicznej, zaczyna tworzyć energię w oparciu o metabolizm tlenowy – obniżenie prędkości.
- W efekcie wieloletniego procesu treningowego zauważa się znaczną poprawę efektywności tego rodzaju procesów metabolicznych
Metabolizm tlenowy
Wraz z wydłużaniem czasu trwania wysiłku rośnie znaczenie procesów tlenowych w produkcji ATP, a w wysiłkach dłuższych niż 30 sekund ich udział jest znaczny. Umownie przyjmuje się, że wysiłki długotrwałe to te, których czas trwania mierzony jest w minutach i godzinach.
- Znacznie ograniczona produkcja energii w ciągu sekundy
- Możliwe jest ciągłe dostarczanie energii w bardzo długim czasie
- Występuje znaczne opóźnienie pełnej aktywacji metabolizmu tlenowego, co tworzy tzw. deficyt tlenowy podczas początkowego etapu wysiłku fizycznego. Procesy tlenowe potrzebują czasu, aby dostarczyć energię, zapotrzebowanie energetyczne pokrywane jest w początkowej fazie przez procesy beztlenowe
- w efekcie wieloletniego procesu treningowego zauważa się bardzo dużą poprawę efektywności tego rodzaju procesów metabolicznych
Metabolizm kwasów tłuszczowych
- Udział kwasów tłuszczowych w produkcji ATP jest dominujący podczas wysiłku o niskiej intensywności trwającego kilka godzin
- Produkcja ATP oparta na fosforylacji oksydacyjnej (B-oksydacji) kwasów tłuszczowych –
szereg reakcji przekształcenia kwasów tłuszczowych w acetylokoenzym A (acetylo-CoA), który dostarczany do cyklu Krebsa, przekształcany jest w ATP
Metabolizm glukozy
- Udział glukozy w produkcji ATP jest dominujący przy długotrwałych wysiłkach o dużej intensywności
- Glikoliza tlenowa; końcowe produkty – pirogronian i atomy wodorowe są dalej metabolizowane – nie powstaje kwas mlekowy. Kwas pirogronianowy przechodzi przez cykl Krebsa z czego powstaje dwutlenek węgla, a atomy wodorowe są metabolizowane do wody, przechodząc przez tzw. łańcuch elektronów. W wyniku tych procesów powstają cząsteczki energii.
- Wyczerpanie zasobów glikogenu – w czasie intensywnej pracy po 90 minutach –spowoduje zwolnienie tempa produkcji ATP, co doprowadzi do spadku intensywności ćwiczeń fizycznych
Maksymalna moc produkcji ATP w mięśniu czworogłowym uda, przy wykorzystaniu FFA (free fatty acids – wolne kwasy tłuszczowe) jako substratu dla fosforylacji oksydacyjnej, wynosi około 1,4 mmol ATP (natomiast gdy substratem energetycznym w tym procesie są węglowodany, wielkość ta jest prawie dwa razy większa i wynosi około 2,7 mmol ATP
Metabolizm białek
Proporcja wytwarzania energii z aminokwasów wzrasta przy bardzo wysokich obciążeniach i objętościach treningowych
W czasie około 2-godzinnego treningu pływackiego metabolizm białek dostarcza nawet do 15% ogólnego zapotrzebowania organizmu, podczas gdy spalanie kwasów tłuszczowych może dostarczyć od 30 do 50%
Niektóre aminokwasy są wykorzystywane w procesie glukoneogenezy – cząsteczki te dostają się z mięśni do krwi oraz transportowane są do wątroby, gdzie zamieniane są w glukozę. Następnie ta cząsteczka glukozy trafia z powrotem do krwioobiegu i dostarczana jest do pracujących mięśni jako substrat energetyczny dla procesów tlenowej glikolizy.
W przypadku rozpatrywania różnych metabolizmów wysiłkowych należy pamiętać, że nie da się w pełni wyizolować jednego metabolizmu w trakcie pracy fizycznej. Oprócz bardzo krótkich wysiłków, gdzie przede wszystkim aktywowany jest tylko metabolizm fosfagenów, w innych przypadkach następuje tzw. nakładanie się procesów metabolicznych w tworzeniu energii.
Maksymalny pobór tlenu (VO2max), zwany popularnie „pułapem tlenowym",
to największa ilość tlenu, jaką zużywa organizm w ciągu jednej minuty.