Tre sistemi di energia metabolica

Di solito parliamo di energia in termini generali, come in "Non ho molta energia oggi" o "Puoi sentire l'energia nella stanza." Ma cos'è davvero l'energia? Dove otteniamo l'energia per muoversi? Come lo usiamo? Come ne otteniamo di più? In definitiva, cosa controlla i nostri movimenti? Le tre vie metaboliche dell'energia sono le sistema fosfageno, glicolisi e  sistema aerobico. Come funzionano e qual è il loro effetto?

Albert Einstein, nella sua infinita saggezza, ha scoperto che l'energia totale di un oggetto è uguale alla massa dell'oggetto moltiplicato per il quadrato della velocità della luce. La sua formula per l'energia atomica, E = mc², è diventata la formula matematica più riconosciuta del mondo. Secondo la sua equazione, ogni modifica dell'energia di un oggetto provoca una modifica della massa di quel oggetto. La modifica dell'energia può venire in molte forme, tra cui meccaniche, termiche, elettromagnetiche, chimiche, elettriche o nucleari. L'energia è tutto intorno a noi. Le luci della tua casa, un forno a microonde, un telefono, il sole; tutte trasmettono energia. Anche se l'energia solare che riscalda la terra è piuttosto diversa dall'energia utilizzata per eseguire una collina, l'energia, come dice la prima legge della termodinamica, non può essere né creata né distrutta. È semplicemente cambiato da una forma all'altra.

ATP Re-Sintesi

L'energia per ogni attività fisica proviene dalla conversione di fosfati ad alta energia (adenosina trifosfato-ATP) a fosfati a minore energia (adenosina difosfato-ADP; adenosina monofosfato-AMP; e fosfato inorganico, P_i). Durante questa ripartizione (idrolisi) di ATP, che è un processo che richiede acqua, viene prodotta una proton, energia e calore: ATP + H₂O -^© ADP + P_i + H⁺ + energia + calore. Dal momento che i nostri muscoli non immagazzinano molto ATP, dobbiamo costantemente risintetizzarlo. L'idrolisi e la risintesi dell'ATP sono quindi un processo circolare: l'ATP viene idrolizzato in ADP e P_i, poi ADP e P_i combinare per resynthize ATP. In alternativa, due molecole di ADP possono combinarsi per produrre ATP e AMP: ADP + ADP -^© ATP + AMP.

Come molti altri animali, l'uomo produce ATP attraverso tre percorsi metabolici che consistono in molte reazioni chimiche catalizzate: il sistema di fosfagene, la glicolisi e il sistema aerobico. Quale percorso i tuoi clienti utilizzano per la produzione primaria di ATP dipende da come hanno rapidamente bisogno e quanto ne hanno bisogno. Il sollevamento di pesi pesanti, per esempio, richiede molto più tempo di fare jogging sul tapis roulant, richiedendo l'affidamento a diversi sistemi energetici. Tuttavia, la produzione di ATP non è mai ottenuta con l'uso esclusivo di un sistema energetico, ma dalla risposta coordinata di tutti i sistemi energetici che contribuiscono a diversi gradi.

1. Sistema di fosfagene

Durante le attività intense e di breve durata, è necessario che i muscoli producano una grande quantità di energia, creando una forte richiesta di ATP. Il sistema fosfageno (chiamato anche sistema ATP-CP) è il modo più rapido per risintetizzare l'ATP (Robergs & Roberts 1997). La creatina fosfato (CP), che è immagazzinata nei muscoli scheletrici, dona un fosfato all'ADP per produrre ATP: ADP + CP -^© ATP + C. Nessun carboidrato o grasso è usato in questo processo; la rigenerazione dell'ATP proviene esclusivamente dal CP archiviato. Poiché questo processo non ha bisogno di ossigeno per risintetizzare l'ATP, è anaerobico o indipendente dall'ossigeno. Come il modo più veloce per risintetizzare l'ATP, il sistema fosfageno è il sistema energetico predominante utilizzato per esercizi a tutto campo che durano fino a circa 10 secondi. Tuttavia, poiché esiste una quantità limitata di CP e ATP memorizzati nei muscoli scheletrici, l'affaticamento si verifica rapidamente.

2. La glicolisi

La glicolisi è il sistema energetico predominante utilizzato per l'allenamento a tutto campo che dura da 30 secondi a circa 2 minuti ed è il secondo modo più veloce per risintetizzare l'ATP. Durante la glicolisi, i carboidrati - sotto forma di glicemia (zucchero) o di glicogeno muscolare (la forma di glucosio immagazzinata) - sono scomposti attraverso una serie di reazioni chimiche per formare il piruvato (il glicogeno viene prima suddiviso in glucosio attraverso un processo chiamato glicogenolisi). Per ogni molecola di glucosio scomposta in piruvato attraverso la glicolisi, vengono prodotte due molecole di ATP utilizzabili (Brooks et al. 2000). Pertanto, viene prodotta pochissima energia attraverso questo percorso, ma il compromesso è che si ottiene l'energia rapidamente. Una volta formato il piruvato, ha due destini: conversione in lattato o conversione in una molecola metabolica intermedia chiamata acetil coenzima A (acetil-CoA), che entra nei mitocondri per l'ossidazione e la produzione di più ATP (Robergs & Roberts 1997). La conversione in lattato si verifica quando la domanda di ossigeno è maggiore dell'offerta (cioè durante l'esercizio anaerobico). Al contrario, quando c'è abbastanza ossigeno disponibile per soddisfare le esigenze dei muscoli (cioè durante l'esercizio aerobico), il piruvato (tramite acetil-CoA) entra nei mitocondri e attraversa il metabolismo aerobico.

Quando l'ossigeno non viene fornito abbastanza velocemente per soddisfare le esigenze dei muscoli (glicolisi anaerobica), vi è un aumento degli ioni idrogeno (che causa il diminuire del pH del muscolo, una condizione chiamata acidosi) e altri metaboliti (ADP, P_i e ioni potassio). L'acidosi e l'accumulo di questi altri metaboliti causano una serie di problemi all'interno dei muscoli, tra cui l'inibizione di specifici enzimi coinvolti nel metabolismo e nella contrazione muscolare, l'inibizione del rilascio di calcio (il fattore scatenante della contrazione muscolare) dal suo sito di stoccaggio nei muscoli e interferenza con le cariche elettriche dei muscoli (Enoka & Stuart 1992; Glaister 2005; McLester 1997). Come risultato di questi cambiamenti, i muscoli perdono la capacità di contrarsi efficacemente e la produzione di forza muscolare e l'intensità dell'esercizio diminuiscono.

3. Sistema aerobico

Poiché gli esseri umani si sono evoluti per attività aerobiche (Hochachka, Gunga e Kirsch 1998; Hochachka e Monge 2000), non sorprende che il sistema aerobico, che dipende dall'ossigeno, sia il più complesso dei tre sistemi energetici. Le reazioni metaboliche che avvengono in presenza di ossigeno sono responsabili della maggior parte dell'energia cellulare prodotta dall'organismo. Tuttavia, il metabolismo aerobico è il modo più lento per risintetizzare l'ATP. L'ossigeno, in quanto patriarca del metabolismo, sa che vale la pena aspettare, poiché controlla il destino della resistenza ed è il sostentamento della vita. "Sono ossigeno", dice al muscolo, con più di un accenno di superiorità. "Posso darti molto ATP, ma dovrai aspettarlo."

Il sistema aerobico, che include il Ciclo di Krebs (chiamato anche il ciclo acido citrico o ciclo TCA) e il catena di trasporto di elettroni- consuma glucosio ematico, glicogeno e grasso come combustibile per risintetizzare l'ATP nei mitocondri delle cellule muscolari (vedere la barra laterale "Caratteristiche del sistema energetico"). Data la sua posizione, viene anche chiamato il sistema aerobico respirazione mitocondriale. Quando si usano carboidrati, glucosio e glicogeno vengono metabolizzati per la prima volta attraverso la glicolisi, con il piruvato ottenuto per formare l'acetil-CoA, che entra nel ciclo di Krebs. Gli elettroni prodotti nel ciclo di Krebs vengono quindi trasportati attraverso la catena di trasporto degli elettroni, dove vengono prodotti ATP e acqua (un processo chiamato fosforilazione ossidativa) (Robergs & Roberts 1997). La completa ossidazione del glucosio attraverso la glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni produce 36 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio scomposta (Robergs & Roberts 1997). Pertanto, il sistema aerobico produce 18 volte più ATP rispetto alla glicolisi anaerobica da ciascuna molecola di glucosio.

Grasso, che viene immagazzinato come trigliceride nel tessuto adiposo sotto la pelle e nei muscoli scheletrici (chiamato trigliceride intramuscolare), è l'altro principale carburante per il sistema aerobico ed è il più grande accumulo di energia nel corpo. Quando si utilizza il grasso, i trigliceridi vengono prima suddivisi in acidi grassi liberi e glicerolo (un processo chiamato lipolisi). Gli acidi grassi liberi, che sono composti da una lunga catena di atomi di carbonio, vengono trasportati nei mitocondri muscolari, dove gli atomi di carbonio vengono utilizzati per produrre acetil-CoA (un processo chiamato beta-ossidazione).

A seguito della formazione di acetil-CoA, il metabolismo dei grassi è identico al metabolismo dei carboidrati, con l'acetil-CoA che entra nel ciclo di Krebs e gli elettroni vengono trasportati alla catena di trasporto di elettroni per formare ATP e acqua. L'ossidazione degli acidi grassi liberi produce molte più molecole di ATP rispetto all'ossidazione del glucosio o del glicogeno. Ad esempio, l'ossidazione del palmitato acido grasso produce le molecole 129 di ATP (Brooks et al. 2000). Non c'è da meravigliarsi che i clienti possano sostenere un'attività aerobica più lunga di quella anaerobica!

La comprensione di come l'energia viene prodotta per l'attività fisica è importante quando si tratta di programmare l'esercizio con l'intensità e la durata corretta per i vostri clienti. Così la prossima volta che i tuoi clienti si fanno con un allenamento e pensano, "ho molto energia, "Saprai esattamente dove hanno ottenuto.

Caratteristiche del sistema energetico

Allenamenti del sistema energetico

I clienti si scaldano e si raffreddano prima e dopo ogni allenamento.

Sistema di fosfagene

Un allenamento efficace per questo sistema è corto e rapido sprint sul tapis roulant o in bicicletta che dura 5-15 secondi con 3-5 minuti di riposo tra ciascuno. I lunghi periodi di riposo consentono una completa ricostituzione del creatato fosfato nei muscoli in modo che possa essere riutilizzato per il successivo intervallo.

• 2 serie di 8 x 5 secondi vicino alla velocità massima con 3: riposo passivo 00 e 5: riposo 00 tra set
• 5 x 10 secondi vicino alla velocità massima con 3: 00-4: 00 riposo passivo

La glicolisi

Questo sistema può essere addestrato utilizzando intervalli veloci che durano i secondi 30 a minuti 2 con un periodo di recupero attivo due volte il periodo di lavoro (1: 2 rapporto tra lavoro e riposo).

• 8-10 x 30 secondi veloci con 1: 00 recupero attivo
• 4 x 1: 30 veloce con 3: 00 recupero attivo

Sistema aerobico

Mentre il sistema fosfageno e la glicolisi sono meglio addestrati con gli intervalli, perché questi sistemi metabolici vengono enfatizzati solo durante le attività ad alta intensità, il sistema aerobico può essere addestrato sia con esercizio fisico che con intervalli.

• Minuti 60 a frequenza cardiaca massima 70% -75%
• 15- a 20 minuti di allenamento a intensità di soglia del lattato (circa 80% -85% di frequenza cardiaca massima)
• 5 x 3: 00 a 95% -100% frequenza cardiaca massima con 3: 00 recupero attivo

by Jason Karp, PhD

Riferimenti:

Brooks, GA, et al. 2000. Fisiologia dell'esercizio: Bioenergetica umana e sue applicazioni.Mountain View, CA: Mayfield.

Enoka, RM e Stuart, DG 1992. Neurobiology of muscle fatigue. Journal of Applied Physiology, 72 (5), 1631-48.

Glaister, M. 2005. Lavoro a sprint multipli: risposte fisiologiche, meccanismi di fatica e influenza della forma aerobica. Medicina dello sport, 35 (9), 757-77.

Hochachka, PW, Gunga, HC e Kirsch, K. 1998. Il nostro fenotipo fisiologico ancestrale: un adattamento per la tolleranza all'ipossia e per le prestazioni di resistenza? Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze, 95, 1915-20.

Hochachka, PW, & Monge, C. 2000. Evoluzione della fisiologia della tolleranza all'ipossia umana. Gli avanzamenti nella biologia sperimentale e medica, 475, 25-43.

McLester, JR 1997. Contrazione muscolare e affaticamento: ruolo dell'adenosina 5'-difosfato e fosfato inorganico. Medicina dello sport, 23 (5), 287-305.

Robergs, RA e Roberts, COSÌ 1997. Esercizio fisico: esercizio fisico, prestazioni e applicazioni cliniche. Boston: William C. Brown.