همه چیز درباره متابولیسم و انرژتیک در فیزیولوژی ورزشی
فعالیت ورزشی، به زبان ساده، وضعیتی است که مستلزم تکرار یا تداوم انقباض عضله اسکلتی است. تداوم انقباض عضلانی نیز مستلزم آن است که عضلات به منبعی از انرژی مجهز شوند که بتواند سوخت انقباض‌های عضلانی را تأمین کند. این نیاز باعث تحریک واکنش های مشخصی در عضله اسکلتی شده که با تغییر فعالیت‌های ریه‌ها، قلب و عروق خونی و نیز سایر اندام‌ها و بافت‌های بدن (مثل کبد، دستگاه عصبی، غدد درون‌ریز، کلیه‌ها، پوست و غیره) همراه است. تغییر کنش این بافت‌ها و اندام‌ها، به طور مستقیم یا غیرمستقیم، نیازمندی های انرژی انقباض عضلانی را حمایت می‌کنند. از آنجا که کانون دلایل این نیاز به انرژی در عضله اسکلتی قرار دارد، درک تغییرات متابولیسم (سوخت و ساز)، که در هنگام تغییر در واکنش عضله از وضعیت استراحت به انقباض اتفاق می‌افتد، پایه یک مجموعه اطلاعات مهم در زمینه فیزیولوژی ورزشی است. بدون این اطلاعات، درک پاسخ اندام های مختلف و بافت ها به فعالیت ورزشی و اینکه چرا اصلا این پاسخ ها رخ می‌دهد، دشوار خواهد بود. هدف اصلی این مقاله، آشنایی با متابولیسم سلولی است. بنابراین، رئوس مطالب آن بخش از واکنش های اصلی که در عضله اسکلتی اتفاق می‌افتند، مورد مطالعه قرار می‌گیرند. همینطور اهمیت بقیه اندام ها و بافت‌هایی که از متابولیسم عضله اسکلتی به هنگام فعالیت ورزشی حمایت می‌کنند نیز معرفی می‌شوند.
هدف های این مقاله
بعد از مطالعه این فصل شما می‌توانید:
- توضیح دهید که چرا درک عمیق علم بیوانرژتیک به مطالعه متابولیسم کمک می‌کند.
- توضیح دهید که چرا آدنوزین تری فسفات (ATP) مولکولی مهم در متابولیسم است.
- روابط متقابل کاتابولیسم و آنابولیسم را بیان کنید.
- دلایل اهمیت آنزیم ها در تنظیم متابولیسم را فهرست کرده و توضیح دهید.
- اهمیت کراتین فسفات (فسفوکراتین) در متابولیسم عضله اسکلتی را هنگام فعالیت ورزشی شدید توضیح دهید.
- گلیکولیز و فراورده های آن را شرح دهید.
- چرخه اسید تری کربوکسیلیک (TCA) و فراورده های آن را شرح دهید.
- چگونگی مصرف اکسیژن و بازسازی ATP را در تنفس میتوکندریایی (دستگاه هوازی) توضیح دهید.
- مقدار آدنوزین تری فسفات را که می‌تواند هنگام فعالیت ورزشی از واکنش ها و مسیرهای کاتابولیکی مختلف بازسازی شود، توضیح دهید.
- مثال هایی از نحوه بازگشت سریع به حالت اولیه (ریکاوری سریع) پس از فعالیت شدید ورزشی بزنید و اهمیت این موضوع در اجرای ورزش ها را بیان کنید.
فعالیت ورزشی و فعالیت بدنی نیازهای انرژی بدن را افزایش می‌دهد.
خود را در حال دویدن در یک مسابقه دوی ماراتن، یا در حال شنا در یک مسابقه شنای ۴۰۰ متر، یا در حال فرار از بازیکنان تیم مقابل در یک زمین فوتبال (آمریکایی) تصور کنید. در هر یک از مثال‌های فوق، شما از وضعیتی ثابت به آهنگی سریع تغییر حالت داده‌اید. در این تغییر حالت، نیازمندی‌های انرژی عضلات فعال به طور ناگهانی افزایش می‌یابد تا به سوخت مورد نیاز انقباض تأمین شود. به همین ترتیب، نیازمندی‌های انرژی در اندام‌هایی مثل قلب، ریه‌ها، غدد، کبد و غیره افزایش می‌یابد تا ادامه فعالیت ورزشی تضمین شود. برای آنکه انجام چنین فعالیت ورزشی میسر شود، بدن باید به ابزاری مجهز باشد تا بتواند سازوکارهایی را که باعث رهایش انرژی می‌شوند، به سرعت فعال کند. این نظام کنترلی باید آن‌قدر مطلوب عمل کند که به بدن اجازه دهد انرژی لازم برای تحمل فشارهای معین را تأمین کند. برای مثال، عملاً غیرممکن است که عضلات فعال بدن بتوانند انرژی ذخیره‌ای را که ظرف ۳۰ ثانیه به اتمام می‌رسد، برای یک فعالیت ۵ دقیقه‌ای، به کار گیرند. همچنین، بدن باید بتواند پس از فعالیت ورزشی، از مواد مغذی، مایعات و غذاهای مصرفی برای تأمین دوباره ذخایر سوختی و مایعات خود استفاده کند تا قادر باشد فعالیت ورزشی را انجام دهد.
بازیافت سریع پس از فعالیت ورزشی، فرد را قادر می‌سازد تا آن فعالیت ورزشی را چندین بار تکرار کند. اهمیت توانایی انجام مکرر و پی‌درپی فعالیت ورزشی در مسابقات مشخص است. فوتبال (آمریکایی)، فوتبال (استرالیایی)، راگبی، کریکت، دوومیدانی، شنا، دوچرخه‌سواری، موج‌سواری از جمله این مسابقات هستند. ما همچنین در زندگی روزمره‌مان، فعالیت‌های ورزشی یا بدنی را به طور مکرر انجام می‌دهیم. برای مثال، از پله بالا می‌رویم، در منزل یا محل کار راه می‌رویم، برای رسیدن به قطار یا اتوبوس می‌دویم و اعمال مشابه دیگری را نیز انجام می‌دهیم. بنابراین، نیاز بدن به انجام فعالیت ورزشی فقط یک نیاز ورزشی نیست، بلکه یکی از نیازهای اساسی است که به ما اجازه می‌دهد فعالیت‌های عادی زندگی روزانه را انجام دهیم.
قوانین حاکم بر چگونگی استفاده سلول‌ها از انرژی
مطالعه چگونگی استفاده سلول‌ها از انرژی و چگونگی تنظیم آن، موضوعی بسیار پیچیده است. بیشتر دانشجویان، قبل از آنکه درک کاملی از متابولیسم انرژی حاصل کنند، دست‌کم ۲ تا ۳ سال به مطالعه شیمی و بیوشیمی می‌پردازند. شما به عنوان یک دانشجوی کارشناسی، ابتدا با کلاس‌های شیمی آلی و بیوشیمی مقدماتی را بگذرانید و سپس در کلاس فیزیولوژی ورزشی حاضر شوید. بنابراین، مطالبی که در این مقاله ارائه می‌شود، در حقیقت توصیف مقدماتی متابولیسم سلولی است.
انتقال انرژی | فیزیولوژی ورزشی
وقتی کلید چراغ‌قوه یا کلید برق روی دیوار را می‌زنیم تا چراغ روشن شود، یا کلیدی را می‌چرخانیم تا موتور ماشین به کار بیفتد، انرژی بلافاصله قابل دسترس است. ولی بدن نمی‌تواند انرژی را به گونه‌ای ذخیره کند که بی‌درنگ مورد استفاده قرار گیرد. از این رو، زمانی که سلول‌های بدن به انرژی نیاز دارند، باید به سرعت فعال شوند و مولکول‌ها را تجزیه کنند و طی فرایندهایی، انرژی ذخیره‌شده در پیوندهای بین اتم‌های آنها را آزاد کنند. انرژی موجود در ترکیبات شیمیایی را اصطلاحاً انرژی شیمیایی می‌گویند. گلیکوژن (حاوی مولکول‌های گلوکز) و تری‌آسیل‌گلیسرول‌ها (حاوی مولکول‌های اسید چرب) دو مولکولی هستند که انرژی شیمیایی را در سلول‌های عضله اسکلتی بدن انسان ذخیره می‌کنند.
چگونه سلول‌ها انرژی خود را آزاد می‌کنند؟ و چه چیز این آزادسازی انرژی را تنظیم می‌کند؟ واقعیت آن است که ما به هنگام فعالیت ورزشی در انفجار انرژی احتراق ایجاد نمی‌کنیم، و این بدان معنی است که آزادسازی انرژی تدریجی و کاملاً کنترل یا تنظیم شده است. علمی که نحوه تبدیل انرژی را از شکلی به شکل دیگر در موجودات زنده مطالعه می‌کند، علم بیوانرژتیک نامیده می‌شود. علم بیوانرژتیک ریشه در دو قانون بسیار مهم دارد که عبارت‌اند از:
۱ـ انرژی نه تولیدشدنی است و نه از بین رفتنی، بلکه می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تغییر یابد.
۲ـ انتقال انرژی همواره در جهت افزایش آنتروپی (شکل غیرقابل استفاده انرژی) و رهایش انرژی آزاد انجام می‌شود.
کاربرد قوانین بیوانرژتیک در متابولیسم بسیار مهم است. زمانی که به یک نقشه نگاه می‌کنید، نمی‌توانید بدون مطالعه اولیه فهرست علائم و اختصارات روی نقشه، آن را تفسیر کنید. همچنین، زمانی که سعی می‌کنید در آشپزخانه آشپزی کنید، ابتدا باید از یک دستورالعمل پیروی کنید. زمانی که به ورزشی می‌پردازید، بدون آگاهی از قوانین و مقررات آن رشته ورزشی نمی‌توانید آن را انجام دهید. پس اهمیت علم بیوانرژتیک در اینجا معلوم می‌شود. علم بیوانرژتیک قوانینی را به ارمغان می‌آورد که به وسیله آنها واکنش های متابولیسم به انجام می‌رسد. بنابراین، ابتدا باید قوانین بیوانرژتیکی را بشناسید، سپس متابولیسم را مطالعه کنید. اگر قبلاً متابولیسم را مطالعه کرده اما توفیقی کسب نکرده‌اید یا ساده‌تر بگوییم، از آن لذت نبرده‌اید، احتمالاً بدون آنکه ابتدا قوانین بیوانرژتیکی را درک کنید، به مطالعه متابولیسم مبادرت کرده‌اید.
- انرژی شیمیایی، انرژی ذخیره در پیوندهای شیمیایی کووالانسی و غیرکووالانسی موجود در مولکول‌هاست.
- علم بیوانرژتیک مطالعه انتقال انرژی در واکنش‌های شیمیایی درون بافت زنده است.
قانون اول علم بیوانرژتیک خاطرنشان می‌سازد که انرژی به هنگام استفاده یا تبدیل از شکلی به شکل دیگر از بین نمی‌رود. برای مثال، انرژی آزادشده در جریان یک واکنش شیمیایی می‌تواند به تولید انرژی قابل استفاده، انرژی حرارتی، انرژی نورانی و شکلی از انرژی غیرقابل استفاده منجر شود که به آنتروپی موسوم است. از میان گونه‌های مختلف انرژی، فقط انرژی قابل استفاده است که می‌تواند برای انجام کار به وسیله سلول‌ها استفاده شود. با وجود این، گرمای آزادشده به وسیله واکنش‌ها در افزایش میزان واکنش‌های شیمیایی و حفظ دمای بدن جانداران خون‌گرم مهم است.
قانون دوم علم بیوانرژتیک به ما کمک می‌کند تا درک کنیم که چرا، یا در چه جهتی یک واکنش به پیش می‌رود و در نتیجه انرژی شیمیایی آزاد می‌شود. زمانی که یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد، انرژی در مجموعه‌ای از تغییرات به شکل گرما، انرژی قابل استفاده، انرژی غیرقابل استفاده (آنتروپی) و نور آزاد می‌شود. انرژی قابل استفاده را اصطلاحاً انرژی آزاد گیبس می‌گویند (واحدهای تغییر انرژی = کیلوکالری بر مول)، و این شکلی از انرژی است که سلول‌ها می‌توانند برای انجام کار از آن استفاده کنند.
توجه کنید، مخفف انرژی آزاد گیبس، ΔG است. نماد دلتا (Δ) برای نشان دادن تغییر در وضعیت انرژی هنگام رهاسازی انرژی آزاد استفاده می‌شود. واحدهای رهاسازی انرژی آزاد عبارت‌اند از: کیلوکالری و مول (M). یک مول از هر مولکول، واحدی علمی است که ریشه در تعداد ثابت مولکول‌ها دارد (۶/۰۲۲ × ۱۰²³). وزن این تعداد از مولکول‌ها ـ که به گرم بیان می‌شود ـ وزن مولکولی خوانده می‌شود. بنابراین، ارزش رهاش انرژی آزاد ویژه یک مولکول خاص، به انرژی‌ای گفته می‌شود که رها می‌شود؛ اگر یک مول از مولکول‌ها در واکنش شیمیایی شرکت کند.
انتروپی شکلی از انرژی است که نمی‌توان از آن استفاده کرد و با افزایش حرکات تصادفی و نامنظم مشخص می‌شود. بر طبق دومین قانون بیوانرژتیکی، تمام واکنش‌های شیمیایی در جهتی به پیش می‌روند که به رهایش انرژی آزاد منجر می‌شود (به صورت تغییرات انرژی منفی، ΔG− نشان داده می‌شود) و اصطلاحاً واکنش‌های انرژی‌زا نامیده می‌شوند. هر چه ΔG منفی تر باشد، میزان انرژی آزادی که در واکنش رها می‌شود، بیشتر است. در صورتی که ΔG صفر باشد، واکنش در حالت تعادل است و هیچ تغییر خالصی در سوبستراها (مواد سوختی)، فرآورده‌های آنها و انتقال انرژی آزاد رخ نمی‌دهد.
دیدگاه خود را بنویسید