Φυσιολογία της Άσκησης

Μεταβολισμός & Ενεργειακά Συστήματα

Παναγιώτης Κανέλλος

Διαιτολόγος-Διατροφολόγος, PhD

Υπότροφος ΤΕΙ Κρήτης

2019

Ενέργεια

Η ενέργεια καταβολίζεται σε θερμότητα. Το ποσό της ενέργειας που απελευθερώνεται σε μια βιολογική αντίδραση υπολογίζεται από το ποσό της θερμότητας που παράγεται. Η ενέργεια μετριέται σε θερμίδες (cal).

1 cal ισούται με το ποσό θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να αυξήσει τη θερμοκρασία 1 g νερού από 14,5οC σε 15,5οC.

Κύριες πηγές ενέργειας

Οι τροφές αποτελούνται από άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο και-στην περίπτωση των πρωτεϊνών-άζωτο.

Δεν χρησιμοποιούνται άμεσα για τις λειτουργίες των κυττάρων αλλά διασπώνται πρώτα οι μοριακοί δεσμοί τους.

Κατά την διάσπαση των τροφών η ενέργεια που απελευθερώνεται αποθηκεύεται υπό μια μορφή ένωσης υψηλής ενέργειας την Τριφωσφορική Αδενοσίνη (ΑΤΡ)

Κύριες πηγές ενέργειας

Κατά την ηρεμία, η ενέργεια που χρειάζεται τοσώμα προέρχεται σχεδόν αποκλειστικά από τηνδιάσπαση των υδατανθράκων και λιπών.

Στην ήπια έως έντονη μυϊκή προσπάθειαχρειάζονται περισσότεροι υδατάνθρακες καιλιγότερο λίπος.

Στην μέγιστη άσκηση μικρής διάρκειας η ενέργειαπαράγεται σχεδόν αποκλειστικά από υδατάνθρακες.

Ενεργειακός μεταβολισμός

O ανθρώπινος οργανισμός κατά τη διάρκεια της εξέλιξης του, έχει δημιουργήσει εξειδικευμένες δεξαμενές που είναι ικανές να απορροφούν και να διατηρούν το πλεόνασμα των μακροθρεπτικών, όταν υπάρχουν.

Σε περίπτωση έλλειψης (άσκηση, ασιτία) εξωγενών θρεπτικών υλών, οι αποθηκευμένες ύλες είναι διαθέσιμες για να αποσταλούν σε όλα τα σημεία του σώματος(απομακρυσμένα* και μη).

*το μυϊκό γλυκογόνο «καταναλώνεται» μόνο στους μυς που είναι

αποθηκευμένο, αφού στερούνται το ενζύμο (φωσφατάση της 6-φωσφορικής

γλυκόζης) που επιτρέπει την εξαγωγή γλυκόζης στην κυκλοφορία

Αποθήκευση μακροθρεπτικών

Για κάθε μια από τις τρεις κύριες τάξεις θρεπτικών υλών υπάρχει και μια τέτοια δεξαμενή.

Λίπη - λιπώδης ιστός, (μυς) με μορφή αποθήκευσης τα τριγλυκερίδια

Γλυκόζη - ήπαρ, μυς, με μορφή αποθήκευσης το γλυκογόνο

Αμινοξέα - μυϊκός ιστός, με μορφή αποθήκευσης* τις πρωτεΐνες.

Αποθήκευση υδατανθράκων

Υπό συνθήκες άσκησης οι υδατάνθρακεςμεταβολίζονται στους μυς σε γλυκόζη

Υπό συνθήκες ηρεμίας οι υδατάνθρακες που έχουν προσληφθεί με την τροφή αποθηκεύονται στο ήπαρ και στους μυς ως γλυκογόνο.

Το γλυκογόνο αποθηκεύεται στο κυτόπλασμα μέχρι να χρησιμοποιηθεί από τα κύτταρα για σχηματισμό ΑΤΡ.

Το γλυκογόνο που είναι αποθηκευμένο στο ήπαρ μετατρέπεται σε γλυκόζη όταν απαιτείται ενέργεια.

Αποθήκευση λιπαρών οξέων

Από τις τρεις τάξεις ενώσεων που αποθηκεύονται στον οργανισμό μόνο η δεξαμενή των λιπαρών οξέων (λιπώδης ιστός) έχει διαμορφωθεί έτσι από τη φύση ώστε, να αποθηκεύει απεριόριστη (θεωρητικά) ποσότητα.

Επιπλέον, μπορεί να την αποδώσει χωρίς να βλάπτεται δομικά και λειτουργικά, και δεν αποτελεί μια νεκρή αποθήκη, αλλά μια πολύ δυναμική, από μεταβολική άποψη, περιοχή.

Αποθήκευση αμινοξέων

Δεν έχει προβλεφθεί από τη φύση αποθήκευση περίσσειας αμινοξέων στον οργανισμό

Μετατρέπονται πρώτα σε γλυκόζη (γλυκονεογένεση) για να χρησιμοποιηθούν ως πηγή ενέργειας

Σε συνθήκες ασιτίας μετατρέπεται σε ΕΛΟ για κυτταρική λειτουργία, διαδικασία που ονομάζεται λιπογένεση

4,1 kcal/g

Μυϊκή πρωτεΐνη

Σύνθεση Διάσπαση

De novo Δεξαμενή ελεύθερων Οξείδωση

Σύνθεση Αμινοξέων

Διαιτητικές Αμινοξέα αίματος Πρωτεΐνες

πρωτεΐνες σώματος

Μεταβολισμός

Το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε έναν οργανισμό και καταλύονται από ένζυμα. Διακρίνεται σε: Αναβολισμό και Καταβολισμό

Καταβολισμός: Διάσπαση μακρομορίων σε μικρότερα μόρια.

Αναβολισμός: Αντίστροφη πορεία. Οι χημικές αντιδράσεις που βιοσυνθέτουν μακρομόρια από απλούστερα μόρια.

Αναβολισμός-Καταβολισμός

Ο μεταβολισμός κατά την άσκηση προσαρμόζεται στην ανάγκη αυξημένης παροχής ενέργειας στους συστελλόμενους μυς

Η άσκηση αλλάζει το μεταβολισμό όχι μόνο των ασκούμενων μυών αλλά και άλλων οργάνων και ιστών, όπως το ήπαρ και ο λιπώδης ιστός.

Αρχές του μεταβολισμού κατά την άσκηση

Ο μεταβολισμός δεν επιστρέφει στα χαρακτηριστικά της ηρεμίας αμέσως μετά το τέλος της άσκησης.

Πολλές αλλαγές διαρκούν για ώρες ή ημέρες ενώ άλλες είναι τόσο αργές που εκδηλώνονται κατά την αποκατάσταση και όχι κατά την άσκηση.

Οι επιδράσεις της άσκησης διακρίνονται σε οξείες (προκαλούνται από μια συνεδρία άσκησης) και χρόνιες (προκαλούνται από την τακτική επανάληψη της άσκησης).

Αρχές του μεταβολισμού κατά την άσκηση

Αρχές του μεταβολισμού κατά την άσκηση

Η τακτική επανάληψη της άσκησης μπορεί να τροποποιήσει σε τέτοιο βαθμό τον μεταβολισμό, που το μεταβολικό προφίλ ενός αθλούμενου να είναι διαφορετικό, όχι μόνο κατά την άσκηση αλλά και κατά την ηρεμία, από το αντίστοιχο προφίλ ενός μη αθλούμενου.

Τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ)

Η τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) είναι η άμεση πηγή ενέργειας, το καθολικά αποδεκτό ενεργειακό νόμισμα, το οποίο χρησιμοποιείται σε βιολογικές διεργασίες, όπως:

η μυϊκή συστολή και η παραγωγή μηχανικού έργου

η σύνθεση και αναδόμηση ιστών

η μεταφορά θρεπτικών συστατικών

η λειτουργία μηχανισμών ρύθμισης

η πραγματοποίηση ενδόθερμων αντιδράσεων

η διατήρηση της θερμοκρασίας

Τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ)

Τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ)

Το ΑΤΡ σχηματίζεται, χρησιμοποιείται και επανασυντίθεται συνεχώς.

Όταν αυξηθούν οι απαιτήσεις σε ενέργεια, όπως συμβαίνει κατά τη διάρκεια της άσκησης, στο σώμα ξεκινά αμέσως η ενεργοποίηση των μηχανισμών παραγωγής και διάθεσης

Διαθεσιμότητα ΑΤΡ

Οι σχετικές ποσότητες αποθηκευμένης ενέργειας, όπως και το σύστημα παραγωγής που χρησιμοποιείται για να σχηματιστεί AΤP, εξαρτάται από:

την ένταση, τη διάρκεια και τον τύπο της άσκησης,

τη διαθεσιμότητα των υποστρωμάτων και

το διατροφικό και προπονητικό επίπεδο του

αθλητή.

Συστήματα παραγωγής ενέργειας

Υπάρχουν τρία συστήματα παραγωγής-μεταφοράς αποθηκευμένης ενέργειας για τον σχηματισμό ΑΤΡ:

Το σύστημα φωσφοκρεατίνης (ATP-CP)

Το σύστημα αναερόβιας γλυκόλυσης

Το αερόβιο σύστημα

Σύστημα ATP-CP

Το σύστημα ATP-CP είναι μια γρήγορη διαδικασία σύνθεσης ΑΤΡ από φωσφοκρεατίνη PC (creatine phosphate) και ADP που δεν απαιτεί οξυγόνο.

Η κύρια λειτουργία του είναι η διατήρηση των επιπέδων του ΑΤΡ κατά τα πρώτα δευτερόλεπτα έντονης μυϊκής δραστηριότητας και μπορεί να καλύψει τις ενεργειακές ανάγκες των μυών για περίπου 3-10 δευτερόλεπτα αφού τα αποθέματα ATP και CP είναι περιορισμένα.

Σύστημα ATP-CP

Σύστημα αναερόβιας γλυκόλυσης

Το σύστημα αναερόβιας γλυκόλυσης (γλυκολυτικό σύστημα) αφορά στην απελευθέρωση ενέργειας μέσω διάσπασης της γλυκόζης και τον σχηματισμό πυροσταφυλικού και γαλακτικού οξέος.

Καθοριστικός παράγοντας η συγκέντρωση ΑΤΡ στους μυς. Η άσκηση αυξάνει τον ρυθμό γλυκόλυσης.

Απαιτούνται ειδικά γλυκολυτικά ένζυμα, όπως η φωσφοφρουκτοκινάση, η οποία αποτελεί το βασικό ένζυμο που καθορίζει το ρυθμό της αναερόβιας γλυκόλυσης.

Γλυκολυτικό Σύστημα

Αερόβιο ή οξειδωτικό σύστημα

Το αερόβιο ή οξειδωτικό σύστημα είναι το πιο σύνθετο και χρησιμοποιεί ως πηγές ενέργειας υδατάνθρακες (γλυκόζη-γλυκογόνο), λίπη (λιπαρά οξέα κυρίως και ελάχιστα γλυκερόλη) και πρωτεΐνες (αμινοξέα). Περιλαμβάνει τρεις διαδικασίες-φάσεις: Την αερόβια γλυκόλυση, όπου παρουσία οξυγόνου το

πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε ακετυλο-συνένζυμο Α.

Τον κύκλο του KREBS, μια σειρά χημικών αντιδράσεων που επιτρέπουν την πλήρη οξείδωση του ακετυλο-συνενζύμου Α σε υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα.

Την αναπνευστική αλυσίδα ή αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, όπου τα άτομα υδρογόνου χωρίζονται, παρουσία ενζύμων, σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια ενώνονται με το οξυγόνο και σχηματίζουν νερό και τα ηλεκτρόνια μέσα από μια σειρά αντιδράσεων σχηματίζουν ΑΤΡ.

Οξειδωτικό σύστημα

Ενεργειακά συστήματα

Συμμετοχή ενεργειακών συστημάτων

Ενεργειακά όρια της μυϊκής προσπάθειας

Σε υπερμέγιστες προσπάθειες που διαρκούν έως 10’’ η ενέργεια εξασφαλίζεται πρωταρχικά από τη διάσπαση της φωσφοκρεατίνης. Η αναερόβια γλυκόλυση δεν μπορεί να ανταποκριθεί τόσο γρήγορα.

Σε μέγιστες προσπάθειες που διαρκούν από 30’’ έως 2 λεπτά το μεγαλύτερο ποσοστό της απαιτούμενης ενέργειας παράγεται από την αναερόβια γλυκόλυση και ο κάματος προέρχεται κυρίως από την εξάντληση των αποθεμάτων γλυκογόνου, και τη μείωση του pH (οξέωση) του κυτταρικού περιβάλλοντος λόγω συσσώρευσης Η+.

Ενεργειακά όρια της μυϊκής προσπάθειας

Σε μέγιστες προσπάθειες από 5 μέχρι 30 λεπτά επικρατεί ο αερόβιος μεταβολισμός και η μείωση του μυϊκού έργου σχετίζεται με παράγοντες που περιορίζουν την παραγωγή ενέργειας στα μιτοχόνδρια όπως: η ανεπαρκής παραγωγή ΑcoA, η μείωση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης και η μειωμένη παροχή Ο2.

Σε υπομέγιστες παρατεταμένες προσπάθειες που διαρκούν πάνω από 30 λεπτά ο κάματος αποδίδεται σε πολλαπλούς παράγοντες όπως: η εξάντληση γλυκογόνου, η αφυδάτωση, η απώλεια ηλεκτρολυτών, η υψηλή θερμοκρασία του σώματος και ή υπογλυκαιμία.

Μυϊκές προσπάθειες από 10’’ μέχρι 30’’ και από 2 μέχρι 5 λεπτά αντιπροσωπεύουν μεταβατικές περιόδους από τη διάσπαση της CP στον αναερόβιο και από τον αναερόβιο στον αερόβιο μεταβολισμό αντίστοιχα.

Επιλογή πηγών ενέργειας κατά την άσκηση

Η επιλογή πηγών ενέργειας κατά την άσκηση εξαρτάται κυρίως από: Την ένταση της άσκησης Τη διάρκεια της άσκησης Το πρόγραμμα της άσκησης (συνεχόμενη,

διαλειμματική, μεταβαλλόμενης έντασης) Περιβαλλοντικές συνθήκες (π.χ. θερμοκρασία,

υγρασία) Το φύλο του ασκουμένου Την ηλικία του ασκουμένου Την προπονητική κατάσταση του ασκουμένου Τη διατροφή του ασκουμένου Την κληρονομικότητα

Χρήση υποστρωμάτων σε συνάρτηση με την ένταση της άσκησης

Willmore, Costiil, 2006

Χρήση υποστρωμάτων σε συνάρτηση με τη διάρκεια της άσκησης

Σχέση έντασης της άσκησης και γλυκογόνου

Σχέση αποθεμάτων μυϊκού γλυκογόνου και αντοχής στην άσκηση

Μεταβολικές δραστηριότητες κύριων ιστών

Ο εγκέφαλος: χρησιμοποιεί ως κύριο καύσιμο γλυκόζη (120g το

24ωρο)

δεν διατηρεί αποθέματα

δεν χρειάζεται ινσουλίνη

δεν μπορεί να χρησιμοποιήσει λιπαρά οξέα

χρησιμοποιεί κετονικά σώματα (σε κατάσταση νηστείας)

Μεταβολικές δραστηριότητες κύριων ιστών

Οι σκελετικοί μυες: χρησιμοποιούν ως καύσιμο γλυκόζη, λιπαρά οξέα,

κετονικά σώματα διατηρούν απόθεμα γλυκογόνου δεν διαθέτουν τη φωσφατάση της 6-φωσφορικής

γλυκόζης

Σε καθεστώς έντονης άσκησης συνεργάζονται με το ήπαρ και:

παράγουν μεγάλες ποσότητες γαλακτικού παίρνουν επιπλέον γλυκόζη με τον κύκλο Cori

Μεταβολικές δραστηριότητες κύριων ιστών

Ο λιπώδης ιστός: διατηρεί τη μεγαλύτερη ποσότητα θερμίδων ως

τριγλυκερίδια

συνθέτει και υδρολύει τριγλυκερίδια

χρησιμοποιεί 3-φωσφορική γλυκερόλη από τη γλυκόλυση

εξάγει ελεύθερη γλυκερόλη

διαθέτει την ορμονικά ευαίσθητη λιπάση

Μεταβολικές δραστηριότητες κύριων ιστών

Το ήπαρ: ρυθμίζει τη συγκέντρωση τροφικών μορίων και

μεταβολιτών στο αίμα διαθέτει μικρό απόθεμα γλυκογόνου εξάγει γλυκόζη από γλυκογονόλυση και γλυκονεογένεση συνθέτει λιπαρά οξέα και τριγλυκερίδια εξάγει VLDL εξάγει κετονικά σώματα συμβάλλει στην ομοιόσταση της γλυκόζης

Βιβλιογραφία

Διονυσίου-Αστερίου Α. Βιοχήμεία στην Ιατρική - Μεταβολικά διαγράμματα ΙΙ. Ιατρικές εκδόσεις Πασχαλίδη Αθήνα 2004.

Davis M. Nutrition, Neurotransmitters, and Central Nervous System Fatigue. In: Nutrition in sport, R.J.

Gleeson M. Biochemistry of exercise. In: Nutrition in sport, R.J. Maughan (Ed.). Oxford: Blackwell Science Publishers, 2000, pp. 17-38.

Guyton A, Hall J, Ιατρική Φυσιολογία. Εκδόσεις Παρισιάνου Αθήνα 1998.

Κλεισούρας Β. Εργοφυσιολογία. Εκδόσεις Συμμετρία 1997.

Maughan (Ed.). Oxford: Blackwell Science Publishers, 2000, pp. 171-183.

Mc Ardle W, Katch F, Katch V, Φυσιολογία της άσκησης , Ιατρικές εκδόσεις Πασχαλίδη, Αθήνα 2001.

Raven et al. Φυσιολογία της Άσκησης – Μια ολιστική προσέγγιση. Ιατρικές Εκδόσεις Λαγός Δημήτριος, Αθήνα 2013.

Τζιαμούρτας Α. (2012) Βιοχημεία της άσκησης (διαλέξεις μαθήματος) Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών, Πανεπιστημίων Δημοκρίτειου Θράκης, Θεσσαλίας.

Τοκμακίδης Σ. (2012) Εφαρμοσμένη Φυσιολογία της άσκησης (διαλέξεις μαθήματος) Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα Σπουδών, Πανεπιστημίων Δημοκρίτειου Θράκης, Θεσσαλίας.

Wilmore H J, Costill LD. Φυσιολογία της άσκησης. Ιατρικές εκδόσεις Πασχαλίδη, 2006.