منشاء تمام انرژی‌ها در جهان، نور خورشید است که به صورت انرژی نورانی آشکار میشود. در فرآیند فتوسنتز گیاهان، نور به انرژی شیمیایی تبدیل میشود و این انرژی در گیاهان ذخیره میشود. در واقع، ما نیز انرژی مورد نیاز خود را از طریق مصرف گیاهان یا حیواناتی که از گیاهان تغذیه می‌کنند، به دست می‌آوریم. مواد مغذی مصرفی پس از فرآیندهای موردنیاز، در بدن به صورت کربوهیدرات‌ها، چربی‌ها و پروتئین‌ها ذخیره می‌شوند. این سه نوع سوخت اصلی یا به عبارت دیگر سویستراهای انرژی، در صورت لزوم در سلول‌های بدن تجزیه شده و انرژی ذخیره شده در آنها آزاد میشود. هر سلول دارای فرآیندهای شیمیایی است که سابستراها را به انرژی تبدیل می‌کند و این انرژی توسط همان سلول یا سلول‌های دیگر بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ به این فرآیند انرژی زیستی گفته میشود. تمامی واکنشهای شیمیایی که در بدن رخ می‌دهند، متابولیسم نامیده می‌شوند.
متابولیسم و مکانیزم تولید انرژی در سیستم زنده
با توجه به حقیقتی که در نهایت تمام انرژی به گرما تبدیل میشود، میتوانیم مقدار انرژی آزاد شده از واکنشهای زیستی را بر اساس میزان گرما که تولید میشود، محاسبه کنیم. در دستگاههای زیستی، انرژی به واحد کالری اندازه‌گیری میشود. به تعریف، یک کالری معادل مقدار انرژی گرمایی است که می‌تواند دمای یک گرم آب را یک درجه سانتیگراد افزایش دهد، به عبارت دیگر، دما را از 14.5 درجه سانتیگراد به 15.5 درجه سانتیگراد برساند. در مورد انسان، انرژی به واحد کیلوکالری بیان میشود، که هر کیلوکالری معادل ۱۰۰۰ کالری کوچک است.
گاهی وقت‌ها، وقتی کالری را با “C” بزرگ نشان می‌دهند، منظور همان کیلوکالری است. زیرا که کیلوکالری از نظر فنی و علمی دقیق‌تر است. مقدار انرژی آزاد نیز در داخل سلول‌ها صرف رشد و ترمیم سراسر بدن میشود. چنین فرآیندهایی در هنگام ورزش، توده عضلانی را می‌سازد و به ترمیم عضلات پس از تمرین یا آسیب دیدگی کمک می‌کند. همچنین، برای انتقال فعال موادی مانند سدیم، پتاسیم و یون‌های کلسیم از عرض غشای سلول‌ها، به انرژی نیاز است. انتقال فعال برای بقای سلول و حفظ تعادل حیاتی بسیار مهم است. میوفیبریل‌ها نیز بخشی از انرژی تولید شده در بدن را صرف سرخوردن و درهم رفتن تارچه‌های آکتین و میوزین می‌کنند تا عمل عضله و تولید نیرو امکان‌پذیر شود.
انرژی موقعی آزاد میشود که پیوندهای شیمیایی شکسته شوند، زیرا این پیوندها هستند که عناصر را برای تشکیل مولکول‌ها به هم وصل می‌کنند. مواد غذایی اصلی ترکیب شده‌اند از کربن، هیدروژن و (در صورت وجود پروتئین) از ازت. پیوندهای مولکولی که این عناصر را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارند، نسبتاً ضعیف هستند، به همین دلیل وقتی پیوندها شکسته می‌شوند، انرژی کمی آزاد میشود. در نتیجه، از انرژی مواد غذایی به طور مستقیم برای فعالیت‌های سلولی استفاده نمی‌شود، بلکه، انرژی موجود در باندهای مولکولی مواد غذایی در داخل سلول‌ها به صورت شیمیایی آزاد میشود و سپس به صورت ترکیبی بسیار پرانرژی به نام آدنوزین تری‌فسفات (ATP) ذخیره میشود.
هنگام استراحت،
انرژی مورد نیاز بدن تقریباً به طور یکسان از تجزیه کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها تأمین میشود. پروتئین‌ها نقش مهمی در بدن ایفا می‌کنند، علاوه بر این که در نقش آنزیم‌ها به واکنشهای شیمیایی کمک می‌کنند، در ترمیم و ساخت بافت‌ها نقش اساسی دارند. با این حال، سوخت و ساز پروتئین‌ها انرژی کمی تولید می‌کند. هنگام فعالیت‌های عضلانی شدید و کوتاه مدت، برای تولید ATP، کربوهیدرات‌ها بیشتر مصرف می‌شوند و بدن کمتر به چربی‌ها برای تولید انرژی نیازمند است. در فعالیت‌های ورزشی طولانی و کم شدت‌تر، کربوهیدرات‌ها و چربی‌ها برای تداوم تأمین انرژی بیشتر مورد مصرف قرار می‌گیرند.
میزان مصرف کربوهیدرات در هنگام فعالیت ورزشی بستگی به دسترسی به کربوهیدرات و آمادگی عضله برای متابولیسم کربوهیدرات دارد. همه کربوهیدرات‌ها در نهایت به گلوکز تبدیل می‌شوند (قند یک واحدی یا قند ساده). گلوکز یک نوع قند ساده است که از طریق خون به تمام بافت‌های بدن منتقل میشود. در شرایط استراحت، کربوهیدرات مصرف شده در عضلات و کبد به صورت گلیکوژن ذخیره میشود.
گلیکوژن در سیتوپلاسم سلول‌های عضلانی ذخیره میشود تا زمانی که سلول از آن برای تولید ATP استفاده کند. گلیکوژن ذخیره شده در کبد، در صورت نیاز، دوباره به گلوکز تبدیل میشود و سپس با خون به بافت‌های فعال منتقل میشود تا متابولیزه شود. ذخایر گلیکوژن در عضلات و کبد محدود هستند. به همین دلیل، در فعالیت ورزشی طولانی و شدید، این ذخایر خالی می‌شوند مگر اینکه رژیم غذایی ورزشکار حاوی مقدار زیادی کربوهیدرات باشد. بنابراین، برای تأمین ذخایر کربوهیدرات بدن به صورت پایدار، مهم است که مقدار قابل توجهی از منابع غذایی حاوی نشاسته و قند مصرف شوند. بدون مصرف کربوهیدرات کافی، عضلات از منبع اصلی انرژی خود محروم می‌شوند.
چربی‌ها در واقع بخش اصلی انرژی مورد نیاز در فعالیت‌های ورزشی کم شدت و طولانی را تأمین می‌کنند. ذخایر انرژی بدن به صورت چربی، از نظر مقدار و انرژی بالقوه، بسیار بیشتر از ذخایر کربوهیدرات است. در یک شخص میانسال با وزن متوسط، مقدار ذخیره چربی دو برابر مقدار ذخیره در یک شخص لاغر است، در حالی که مقدار ذخیره کربوهیدرات آنها تقریباً یکسان است. با این حال، چربی به راحتی در دسترس سلول برای متابولیسم قرار نمی‌گیرد، زیرا باید ابتدا از شکل پیچیده و مرکب خود، یعنی تری‌گلیسرید، به ترکیبات ساده و اولیه خود، یعنی گلیسرول و اسیدهای چرب آزاد، تبدیل شود. این تنها اسیدهای چرب آزاد هستند که برای تشکیل ATP مورد استفاده قرار می‌گیرند.
انرژی که از تجزیه یک گرم چربی (4.9 کیلوکالری در هر گرم) به دست می‌آید، بیشتر از مقدار کربوهیدرات است (1.4 کیلوکالری در هر گرم). با این حال، سرعت آزاد شدن انرژی از چربی به قدری آهسته است که نمی‌تواند تمام نیاز به انرژی در فعالیت عضلانی شدید را تأمین کند. چربی‌های دیگری که در بدن وجود دارند، انرژی تولید نمی‌کنند. فسفولیپیدها جزء اصلی ساختمان تمام غشاءهای سلولی هستند و در اطراف بعضی از رشته‌های عصبی بزرگ غلافی محافظ ایجاد می‌کنند. استروئیدها علاوه بر آن که در ساختمان غشاء سلولی یافت می‌شوند، در تولید هورمون‌ها مانند استروژن و تستوسترون نقش مهمی دارند.
پروتئین‌ها هم به عنوان یک منبع کوچک از انرژی استفاده می‌شوند، اما برای استفاده از پروتئین‌ها باید ابتدا به گلوکز تبدیل شوند. در شرایط تخلیه شدید انرژی یا گرسنگی شدید، پروتئین به عنوان منبع انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا از طریق تولید اسیدهای چرب آزاد، برای سلول منبع انرژی ایجاد کند. فرآیندی که در آن پروتئین یا چربی به گلوکز تبدیل میشود، با نام “گلوکز نئوژنز” شناخته میشود. همچنین، فرآیند تبدیل پروتئین به اسیدهای چرب با نام “لیپوژنز” شناخته میشود. پروتئین می‌تواند ۵ تا ۱۰ درصد از انرژی مورد نیاز در فعالیت‌های ورزشی درازمدت را تأمین کند. تنها اسیدهای آمینه پروتئین هستند که برای تولید انرژی استفاده می‌شوند. هر گرم پروتئین 1.4 کیلوکالری انرژی آزاد می‌کند.
برای اینکه انرژی آزاد مفید شود، میزان آزاد شدن انرژی باید تحت کنترل قرار گیرد و وابسته به ترکیب شیمیایی باشد. مقدار انرژی آزاد شده تا حدودی توسط انتخاب منبع اصلی سوخت تعیین میشود. انتخاب مقدار زیادی از یک منبع سوخت خاص، باعث میشود سلول‌ها به آن منبع بیشتری وابسته شوند و نسبت به منابع دیگر وابستگی بیشتری داشته باشند. این تأثیر در زمینه دسترسی به انرژی را “اثر عمل جمعی” نامیده میشود.
آنزیم،
یک مولکول پروتئینی ویژه است که میزان آزاد شدن انرژی را کنترل می‌کند. بسیاری از این آنزیم‌ها، فرایند تجزیه (کاتابولیسم) ترکیبات شیمیایی را تسهیل می‌کنند. روشی که آنزیم‌ها باعث تجزیه سریع ترکیبات شیمیایی می‌شوند، مشابه یک “قفل و کلید” است. با این حال، بسیاری از آنزیم‌ها پس از پیوستن به ترکیبات شیمیایی، ساختار خود را تغییر می‌دهند. با این وجود، مفهوم قفل و کلید الگوی جالبی را ارائه می‌دهد تا تعامل بین ترکیبات انرژی‌زا (مانند گلوکز) و آنزیم‌های مؤثر در انتقال انرژی درون سلول را توضیح دهد. اغلب آنزیم‌ها عناوین پیچیده‌ای دارند، اما به طور معمول با پسوند “آز” ختم می‌شوند. به عنوان مثال، آنزیم مهمی که در شکستن مولکول ATP و آزاد شدن انرژی ذخیره شده در آن نقش دارد، به نام “آدنوزین تری فسفاتاز” شناخته میشود.
نظرات کاربران