سیستم های انرژی بدن و مصرف انرژی

مصرف انرژی در بدن و سیستم‌های انرژی مورد بحث قرار گرفته است که می‌تواند برای ورزشکاران جالب و مفید باشد. در این مقاله، به طور خلاصه شما را با این موضوع آشنا می‌کنیم. انرژی آزاد شده به دلیل هضم مواد غذایی، به طور مستقیم برای سلول‌های عضلانی قابل استفاده نیست. به جای آن، این انرژی در یک ترکیب شیمیایی به نام آدنوزین تری‌فسفات (ATP) ذخیره می‌شود که در عضلات استفاده می‌شود. ATP در سلول‌های عضلانی و کبد ذخیره می‌شود و هنگام نیاز سلول عضلانی به انرژی تجزیه می‌شود و انرژی ذخیره شده در آن برای انقباض عضلات استفاده می‌شود. به عبارت دیگر، شکستن ATP در واقع منبع فوری انرژی برای فرآیند انقباض تارهای عضلانی است. ATP دارای سه گروه فسفات با انرژی بالا است. هنگام شکستن ATP، یکی از پیوندهای فسفات از مولکول جدا می‌شود و تقریباً ۸۰۰۰ کالری (۸ کیلوکالری) انرژی آزاد می‌شود و فسفات آزاد و آدنوزین دی‌فسفات (ADP) تشکیل می‌شود.

کراتین فسفات (CP) یک ماده شیمیایی مهم است که به علاوه ATP،

بخشی از انرژی ذخیره را فراهم می‌کند. CP به صورت مستقیم به عنوان منبع انرژی استفاده نمی‌شود، بلکه برای بازسازی ATP از ADP استفاده می‌شود. هنگام شکستن CP، انرژی زیادی آزاد می‌شود و کراتین و فسفات آزاد تشکیل می‌شوند. این انرژی برای تولید مجدد ATP قابل استفاده است.

سیستم‌های انرژی در فعالیت‌های ورزشی، با توجه به شدت و مدت زمان فعالیت، از طریق سه مسیر سوخت و سازی، نیازهای انرژی را تأمین می‌کنند. روش تولید و ذخیره ATP در این سیستم‌ها یکسان است.

این سیستم‌های انرژی به دو دسته بی‌هوازی و هوازی تقسیم می‌شوند.

۱- دستگاه‌های انرژی بی‌هوازی (سیستم ATP-CP) به معنای فعالیت‌هایی هستند که بدون نیاز به اکسیژن انجام می‌شوند. این فعالیت‌ها با استفاده از سوخت و ساز بی‌هوازی یا منابع بی‌هوازی ATP، انرژی مورد نیاز برای تولید مجدد ATP را از طریق واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کنند، بدون نیاز به حضور اکسیژن تنفسی.

۲- در برخی از فعالیت‌ها، زمان کافی برای رسیدن اکسیژن تنفسی به سلول‌های عضلانی وجود ندارد و به همین دلیل، برای تأمین انرژی مورد نیاز از موجودی اکسیژن در دسترس استفاده نمی‌شود. به عبارت دیگر، در ورزش‌هایی مانند پرتاب نیزه، پرتاب دیسک، دو ۱۰۰ متر و شیرجه، که زمان اجرای آنها بسیار کم است (حدود ۱۰ ثانیه) و با حداکثر شدت انجام می‌شوند، دستگاه بی‌هوازی برای تأمین انرژی استفاده می‌شود.

۳- در این سیستم، ATP و CP که در عضلات ذخیره شده‌اند، به هنگام فعالیت، انرژی مورد نیاز را تأمین می‌کنند. بدین ترتیب، برای تولید انرژی، نیازی به حضور اکسیژن نیست. با این حال، باید توجه داشت که به دلیل محدودیت ذخیره اکسیژن در عضلات و سلول‌ها، فعالیت‌هایی که به طور مداوم انجام می‌شوند و نیاز به تأمین انرژی برای مدت طولانی دارند، بیشتر به دستگاه هوازی وابسته هستند.

دو مسیر متابولیکی برای تأمین انرژی در بدن وجود دارند که عبارت‌اند از:

۱- سیستم فسفاژن: در این سیستم، انرژی برای تولید ATP از طریق فسفوکراتین (کراتین فسفات) و ATP به دست می‌آید. این دو ماده در مجموع به عنوان فسفاژ شناخته می‌شوند. سیستم فسفاژ تنها از گلوکز برای تجدید ATP استفاده نمی‌کند. مقدار ATP موجود در عضلات، حداکثر تا ۵ تا ۶ ثانیه فعالیت حفظ قدرت عضلات را پشتیبانی می‌کند، به عنوان مثال، برای انجام یک دویدن سریع به مسافت ۵۰ تا ۶۰ متر. به طور ساده، انرژی قابل دسترس فوری که از تجزیه ATP در این سیستم تأمین می‌شود، تنها برای پاسخگویی به نیازهای انرژی تمرینات سریع با شدت بالا و مدت زمان کوتاه است.

۲- سیستم اسید لاکتیک: این سیستم همچنین به عنوان گلیکولیز یا تجزیه قند شناخته می‌شود. دلیل نامگذاری این سیستم نیز این است که این سیستم صرفاً از گلوکز برای تجدید ATP استفاده می‌کند. در این سیستم، گلوکز از سوی سلول‌ها تجزیه می‌شود و به اسید لاکتیک تبدیل می‌شود و در نهایت ATP تولید می‌شود. این سیستم بیشتر در فعالیت‌های هوازی با شدت بالا و مدت زمان متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به طور خلاصه، سیستم فسفاژن و سیستم اسید لاکتیک دو مسیر انتخابی برای تأمین انرژی در فعالیت‌های بدنی هستند، که به میزان و مدت زمان فعالیت، شدت و نوع فعالیت بستگی دارد.

بنابراین، در یک فعالیت شدید، انرژی ذخیره شده که به صورت ATP در عضلات موجود است، به سرعت مصرف می‌شود و ضروری است که ATP مصرفی به طور مداوم جایگزین شود. در این شرایط، کراتین فسفات به سرعت و به سهولت به ATP تبدیل می‌شود. به این ترتیب، می‌توان گفت که غلظت ATP در نتیجه مصرف کراتین فسفات در یک حد ثابت نگهداری می‌شود. به طور خلاصه، می‌توان نتیجه گرفت که ATP و کراتین فسفات (CP) قادرند حداکثر انقباض عضلانی را برای مدت زمان حداکثر ۱۰ ثانیه، به عنوان مثال در یک دویدن سریع به مسافت ۸۰ تا ۱۰۰ متر، حفظ کنند. برخی از فعالیت‌هایی که انرژی مورد نیاز عضلات خود را از این سیستم (فسفاژن) تأمین می‌کنند، شامل پرتاب نیزه، پرتاب دیسک، پرش طول، پرش ارتفاع، شیرجه، اسپایک قدرتمند در والیبال، و شیرجه یک دروازه‌بان می‌شوند.

لازم است به چند نکته مهم توجه کنیم:

۱- ذخیره CP در عضلات بیشتر از ذخیره ATP است.
۲- با هر شکستن یک مول ATP، بین ۷ تا ۱۲ کیلوکالری انرژی قابل استفاده آزاد می‌شود. این مقدار بستگی به تعداد مولکول‌ها و نوع اتم‌های موجود در ATP دارد.
۳- در کل وزن عضلات بدن، تنها بین ۵۷۰ تا ۶۹۰ میلیمول فسفاژن ذخیره شده است. این مقدار بسیار کمتر از ذخیره ATP است که حدوداً بین ۷/۵ تا ۹/۶ کیلوکالری انرژی را تشکیل می‌دهد. به همین دلیل، سیستم فسفاژن تنها می‌تواند به نیازهای انرژی فعالیت‌های شدید و با مدت زمان بسیار کوتاه پاسخ دهد.
۴- بدون وجود این سیستم (سیستم انرژی)، حرکات سریع و پرقدرت امکان‌پذیر نخواهند بود. زیرا این نوع فعالیت‌ها نیازمند تأمین سریع انرژی ATP هستند. به عبارت دیگر، سیستم فسفاژن نماینده‌ی سریع‌ترین و در دسترس‌ترین منبع ATP عضلانی است.

سیستم اسید لاکتیک (گلیکولیز بی‌هوازی) به فرایند تجزیه گلیکوژن و گلوکز در غیاب اکسیژن اطلاق می‌شود. این فرایند برای بازتولید ATP در عضلات به عنوان گلیکولیز بی‌هوازی شناخته می‌شود. در این سیستم، کربوهیدرات (قند ساده) به صورت ناقص تجزیه شده و به جای آن، اسید لاکتیک و انرژی تولید می‌شود. به همین دلیل، این سیستم به عنوان سیستم اسید لاکتیک نیز شناخته می‌شود. به طور ساده‌تر، در ورزش‌هایی که مدت زمان اجرای آن‌ها بین ۱ تا ۳ دقیقه است، از این سیستم برای تأمین انرژی استفاده می‌شود، مانند دویدن در مسافت‌های ۴۰۰ و ۸۰۰ متر و ورزش کشتی. در این فعالیت‌ها، میزان کافی اکسیژن در عضلات موجود نیست، بنابراین گلوکز موجود در عضلات به اسید لاکتیک و ATP تبدیل می‌شود. در واقع، در این سیستم، گلوکز عامل اصلی تأمین انرژی عضلات است. لازم به ذکر است که در بدن، تمام کربوهیدرات‌ها به گلوکز، که به سرعت مورد استفاده قرار می‌گیرد، تبدیل می‌شوند و یا به صورت گلیکوژن در کبد و عضلات برای استفاده مستقبلی ذخیره می‌شوند.

وقتی اسید لاکتیک، یکی از فرآیندهای جانبی گلیکولیز بی‌هوازی که در سیستم بی‌هوازی اتفاق می‌افتد، به مقدار زیادی در عضلات و خون تجمع می‌یابد، باعث خستگی عضلانی می‌شود و به عنوان یک عامل محدود کننده برای استفاده بیشتر از این سیستم در تأمین انرژی عمل می‌کند. در فرآیند تجزیه گلیکوژن، انرژی آزاد می‌شود و این انرژی برای بازسازی ATP مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقایسه با سیستم هوازی و در حضور اکسیژن، گلیکولیز بی‌هوازی تنها قادر به تولید تعداد محدودی مول ATP است. به عنوان مثال، در گلیکولیز بی‌هوازی، تجزیه ۱ مول گلیکوژن تنها می‌تواند ۳ مول ATP تولید کند و دلیل آن هم همان موضوعی است که ذکر شد. هنگام انجام تمرینات ورزشی خسته کننده، عضلات و خون قبل از ظهور خستگی تحمل تجمع مقدار معینی از اسید لاکتیک را دارند و بروز خستگی از بازسازی سریع انرژی مصرف شده جلوگیری می‌کند. بنابراین، گلیکولیز بی‌هوازی، مانند دستگاه فسفاژن، در تمرینات ورزشی بسیار اهمیت دارد، زیرا تولید و ذخیره نسبتاً سریعی از ATP را فراهم می‌کند. به عنوان مثال، تمرینات ورزشی با سرعت بین ۱ تا ۲ دقیقه (حداکثر) به طول می‌انجامند و تأمین ATP به طور قابل توجهی به دستگاه فسفاژن و گلیکولیز بی‌هوازی وابسته است.

بطور خلاصه، گلیکولیز بی‌هوازی شامل موارد زیر است:

۱. تولید اسید لاکتیک که باعث خستگی عضلانی می‌شود.
۲. عدم نیاز به حضور اکسیژن.
۳. استفاده تنها از کربوهیدرات (قندها)، از جمله گلیکوژن و گلوکز، به عنوان سوخت.
۴. تولید تعداد محدودی ATP جهت بازسازی انرژی.
۵. انجام فعالیت‌ها و واکنش‌های این سیستم در سارکوپلاسم (سیتوپلاسم سلول عضلانی) سلول.