KEMIJA ENERGETSKIH SUSTAVA

U prethodnom blogu objašnjena su ukratko tri energetska sustava u kojima naše tijelo djeluje. Odlično su iskoordinirani i rade zajedno. Tijekom kretanja, odn. vježbanja sva su tri sustava aktivna. Koliko je koji od njih aktivan, koji je dominantan te s koliko ATP-a doprinosi definira jesu li naše aktivnosti aerobne ili anaerobne (s ili bez prisustva kisika).

Fosfageni i glikolitički sustav su anaerobni sustavi. Opskrbljuju nas ATP-om koji nam je potreban tijekom visoko-intenzivnog vježbanja u procesima koji se odvijaju bez prisustva kisika. Metabolizam oksidacijske fosforilacije koji se odvija uz primitak kisika jednostavno ne može pratiti zahtjeve organizma prilikom takvih intenzivnih pokreta odnosno aktivnosti. Podsjetnik na grafički prikaz usklađenosti rada tri energetska sustava našeg tijela:

FOSFAGENI SUSTAV

Kad nam je potrebna veća količina energije od one za osnovne životne funkcije,  fosfageni (ATP-PCr) sustav je prvi koji uskače u pomoć. Taj sustav se odvija u citosolu unutar stanica i pomaže da se kreira više ATP-a iz dostupnih molekula ADP-a i slobodne fosfatne skupine. Za tu radnju zaslužan je enzim kreatin-kinaza koji razbija kemijsku vezu između molekula kreatina (Cr) i molekula fosfata (P) koji su spojeni u molekuli fosfokreatina (PCr). Oslobođene molekule fosfata kao i oslobođena energija sudjeluju u regeneriranju novih molekula ATP-a. S novim dostupnim ATP-om  naše tijelo se može nositi s povećanim fiziološkim potrebama nastalim visokointenzivnim vježbanjem tj. učestalom kontrakcijom mišića.

Taj novi ATP nam može pomagati kratko vrijeme. Iako je u citosolu oko 6 puta više dostupnih molekula PCr u odnosu na ATP, tijekom eksplozivnih i kratkih intenzivnih napora (sprint, olimpijsko dizanje) pruža nam energetsku potporu kroz svega desetak sekundi. Nakon 10-15 sekundi, zalihe PCr se isprazne i tad glikolitički sustav preuzima većinu procesa dopremanja energije.

GLIKOLITIČKI SUSTAV

Taj se sustav zapravo pali kad i fosfageni (vidi grafikon), ali proizvodi ATP puno sporije pa značajno ne doprinosi i ne ističe se tijekom tih prvih desetak sekundi intenzivne aktivnosti. Glikolitički sustav u citosolu stanice razbija molekule uskladištenog glikogena kao i molekule glukoze prisutne u krvotoku iz nedavno unesenih nutrijenata kako bi dobio energiju za regeneraciju ATP-a.  Kemijski je znatno kompleksniji sustav u usporedbi s fosfagenim,  10 enzimski kontroliranih reakcija rezultira proizvodnjom ATP-a.

Iz svake molekule glukoze koja uđe u sustav dobiju se četiri molekule ATP-a, ali kako se u procesu potroše dvije molekule za energiju potrebnu za odvijanje svih reakcija, konačna bilanca glikolitičkog procesa glasi 1 molekula glukoze = 2 molekule ATP-a. U procesu glikolize uz ATP nusprodukti kemijske specije jesu piruvat i NADH. Zašto su te dvije specije bitne?

Ako smo nastavili s visokim intenzitetom piruvat nastaje u velikim količinama kao nusprodukt. To je dobar aspekt glikolize jer dobivamo i regeneriramo velike količine ATP-a koje nam omogućavaju da se relativno brzo krećemo i dalje, doduše sporije nego tijekom prvih 10-15 sekundi. Lošiji aspekt ovog procesa je nastanak velike količine H⁺ iona i laktata (ono što u žargonu znamo reći – zakiselili smo se) razbijanjem kemijskih veza i otpuštanjem istih u mišićne stanice i krvotok. Ioni vodika, a ne laktati, su ti koji brzo umaraju mišićne stanice i njih tijelo mora neutralizirati ako se želimo dalje kretati, u suprotnom slučaju morat ćemo prestati s aktivnošću.

U pomoć uskaču ko-enzim NAD+ i već spomenuti piruvat. Oboje vežu slobodne vodikove ione i tad nastaje NADH – reducirana forma NAD+, a piruvat postaje “ozloglašena” mliječna kiselina. Iako je uvriježeno mišljenje da nas ona zaustavlja – zbog umora i osjećaja prženja u mišićima, mliječna kiselina neutralizira vodikove ione i iznosi ih iz stanica i time nam zapravo omogućava daljnje kretanje i vježbanje.

Shematski prikazano proces glikolize izgleda ovako:

Nakon devedesetak sekundi od početka intenzivnog vježbanja dolazimo do biološke raskrsnice. Ako nastavimo s aktivnosti višeg intenzitetom, količina proizvedenih vodikovih iona će biti tolika da će se mišići dodatno umoriti, doslovno zakiseliti i morat ćemo znatnije usporiti. Tad glavninu procesa preuzima treći sustav, aerobni – oksidacijska fosforilacija.

 OKSIDACIJSKA FOSFORILACIJA

Nastavak vježbanja neminovno rezultira u smanjenju intenziteta, ali ovaj sustav nam omogućava da se dalje krećemo. Ne daje nam eksploziju, nije atraktivan kao fosfageni, ali bez njega se ne bi mogli dalje kretati nakon visokointenzivne aktivnosti. Ovaj proces se sastoji od dva dijela: Krebsovog ciklusa (ciklus citratne kiseline) i lanca prijenosa elektrona. U glikolitičkom sustavu dok je intenzitet vježbanja visok tijelo koristi nusprodukt piruvat da bi proizvelo mliječnu kiselinu. Ako se intenzitet uspori i nalazimo se u aerobnom energetskom sustavu tijelo će nastali piruvat preusmjeriti u Krebsov ciklus. U Krebsovom ciklusu od piruvata ne nastaje mliječna kiselina već se proizvodi specija nazvana acetil-CoA. I druga dva makronutrijenta, proteini i masti se mogu razbiti do acetil-CoA specije koja je kemijski signal za ulazak u Krebsov ciklus.

Kemijski još kompleksniji sustav i od glikolitičkog, čak 11 kemijskih koraka i 9 enzima sudjeluju u jednom Krebsovom ciklusu koji se odvija unutar mitohondrija. Iz shematskog prikaza vidljivo je da svakim ciklusom iz procesa izlaze:             -1 molekula ATP

– 2 molekule CO₂

– 8 H⁺ iona (dijelom vezanih u NADH i FADH₂)

Kako su dvije acetil-CoA molekule proizvedene iz jedne molekule glukoze, ovaj ciklus se odvije dvaput za svaku molekulu glukoze, pa navedene brojke pomnožimo s 2. Iz shematskog prikaza je vidljivo kako Krebsov ciklus proizvodi veliku količinu vodikovih iona. Za razliku od onih proizvedenih u glikolitičkom sustavu ovi nas ne umaraju brzo jer se vežu za specije NAD+ i FAD+ unutar mitohondrija i ulaze u drugi dio procesa aerobnog sustava: lanac prijenosa elektrona koji se sastoji od niza povezanih enzima.

Nadiranje velikog broja vodikovih iona vezanih za navedene specije kroz membrane mitohondrija rezultira velikom količinom oslobođene energije: čak 32 ATP molekule se proizvedu iz jedne molekule glukoze ako proces ide glatko i bez poteškoća. Niti ovaj proces ne ide bez štetnih nusprodukata. Iako je izvor velike količine sporo oslobađajuće energije, u aerobnom sustavu uz veliku količinu ATP nastaje i velika količina reaktivnih organskih specija (ROS) koje mogu oštetiti stanice ako ih je previše ili su predugo prisutne u sustavu. Ove specije su poznatije pod nazivom slobodni radikali. Srećom, naše stanice imaju oružje za borbu, koriste antioksidativne enzime i vitamine koji neutraliziraju nastale ROS-e. Također, uravnoteženom i raznolikom prehranom možemo unositi antioksidanse kroz hranu koja je bogata takvim tvarima, poput voća i povrća jarkih boja. Još jednom i na kemijskoj razini energetskih sustava dolazimo do zaključka kako vježbanje i aktivnost ne idu bez dobre prehrane i obrnuto.

 ZAPAMTIMO

Aktivnost i prehrana mogu utjecati na to koliko brzo i koliko dobro naša tri energetska sustava rade.

S redovnim planiranim i programiranim vježbanjem možemo naše energetske sustave učiniti efikasnijima i efektivnijima, ovisno o našim ciljevima i preferencijama – npr. treningom fosfagenog sustava s kratkim sprintevima/eksplozivnim ponavljanjima ili treninzima aerobnog sustava s dugotrajnim niskointenzivnim vježbama izdržljivosti.

Koliko je prehrana važna u cijelom procesu zorno ilustrira sljedeći primjer. U ovom tekstu su spomenute molekule NAD+ i FAD. Ove dvije kemijske specije djeluju kao ko-enzimi u glikolitičkom i aerobnom energetskom sustavu, a izvedene su direktno iz vitamina B3 – niacina i B2 – riboflavina. Ta dva mikronutrijenta se u stanicama  transformiraju na po dvije kemijske specije, a jedne od kojih su NAD+ (kod niacina) i FAD (iz riboflavina).

Iako nam ta dva vitamina unesena hranom ili suplementacijom ne daju energiju direktno, lako je predočiti koliko su oni bitni i potrebni u procesu transfera energije i regeneracije ATP-a kroz faze glikolitičkog i aerobnog sustava. Često se srećemo sa slučajevima kad se kod ljudi koji osjećaju nedostatak energije ustanovi manjak vitamina iz  B-kompleksa u organizmu. Osjećaju se umorno i usporeno. Iz kemije energetskih sustava apsolutno je razumljiv takav osjećaj i stanje ako nam navedeni vitamini nedostaju u organizmu.  Kad govorimo o prehrambenim namirnicama, najbogatiji izvori riboflavina (vitamin B2) su mlijeko i mliječni proizvodi te jetra. Slijede ih proizvodi od cjelovitog žita te tamnozeleno lisnato povrće (za vegane i osobe koji ne konzumiraju mlijeko).  Vitamin B3 (niacin) najzastupljeniji je u gljivama, također lisnatom tamnozelenom povrću poput vitamina B2, kikirikiju, mesu i ribi.

Dakle, direktno možemo unaprijediti rad naša tri energetska sustava ako osiguramo tijelu redovito vježbanje i raznoliku prehranu pritom korigirajući eventualni nedostatak određenog makro ili mikronutrijenta promjenom izbora namirnica ili suplementacijom.

Dr. sc. Sebastijan Orlić

Sebastijan Orlić diplomirao je i doktorirao na Fakultetu kemijskog inženjerstva i tehnologije u Zagrebu. Cijeli život je u sportu- trenirao nogomet i odbojku u Puli, dolaskom u Zagreb bavio se rekreativno malim nogometom i odbojkom na pijesku. Od 2012. bavi se crossfitom i tako ulazi u svijet fitnesa. 2017. godine upisao i završio program osposobljavanja za instruktora fitnesa u teretani na Fitnes učilištu s ciljem obrazovanja u području fitnesa te je certificirani Lvl1 Precision Nutrition Coach.