متابوليسم و انرژی زيستی

منشاء تمام انرژی ها خورشيد است كه به صورت انرژی نورانی آشكار مي شود . واكنش های شيميايی در گياهان (فتوسنتز) نور را به انرژی شيميايی تبديل می كند. اين انرژی در گياه ذخيره می شود . در جای خود ، ما هم انرژی مورد نيازمان را از راه خوردن گياهان يا حيواناتی كه از گياهان تغذيه می كنند ، به دست می آوريم. مواد مغذی خوراک های بلعيده شده پس از طی فرايندهای لازم ، به صورت كربوهيدرات ها ، چربی ها و پروتئين ها در بدن ذخيره می شوند. اين سه نوع ماده ی  سوختی اصلی و يا به سخن ديگر سويستراهای انرژی ، در صورت لزوم در سلول های بدن تجزيه شده و انرژی ذخيره شده در خود را آزاد می كنند. هر سلول دارای فرايندهای شيميايی است كه سوبستراها را به انرژی تبديل می كند كه اين انرژی توسط همان سلول و يا ساير سلول های بدن مورد استفاده قرار می گيرد كه به اين فرايند انرژی زيستی می گويند. تمام واكنش های شيميایی كه در بدن رخ می دهند ، متابوليسم ناميده مي شوند.

چون سرانجام تمام انرژی به گرما تبديل می شود ، پس می توان مقدار انرژی آزاد شده از واكنش های زيستی را بر اساس ميزان گرمايی كه توليد شده محاسبه كنيم. انرژی در دستگاهای زيستی بر حسب كالری اندازه گيری می شود. بنا به تعريف، يک كالری برابر است با مقدار انرژی گرمايی كه دمای يک گرم آب را يک درجه سانتی گراد افزايش می دهد. يعني دمای آن را از 5/14 درجه سانتی گراد به 5/15 درجه سانتی گراد برساند. در مورد انسان ، انرژی برحسب كيلو كالری بيان مي شود، كه هر كيلو كالری معادل 1000 كالری كوچک است.

بعضی اوقات كه كالری را با" C" بزرگ نشان می دهند ، منظور همان كيلوكالری است. زيرا كه كيلوكالری از لحاظ فنی و علمی صحيح تر است .

مقدار انرژی آزاد هم در داخل سلول ها صرف رشد و ترميم سراسر بدن مي شود. چنين فرايندهايی در هنگام ورزش كردن ، توده ی عضلانی را می سازد و به ترميم عضلات پس از تمرين يا آسيب ديدگی كمک می كند. هم چنين ، برای انتقال فعال موادی مانند سديم ، پتاسيم و يون های كلسيم از عرض غشای سلول ها، به انرژی نياز هست. انتقال فعال برای بقای سلول و حفظ تعادل حياتی بسيار مهم است. ميو فيبريل ها هم بخشي از انرژی توليد شده در بدن را صرف سر خوردن و در هم رفتن تارچه های آكتين و ميوزين می كنند تا عمل عضله و توليد نيرو  امكان پذير شود.

منابع انرژی

انرژی موقعی آزاد مي شود كه پيوندهای شيميايی شكسته شوند، زيرا اين پيوندها هستند كه عناصر را برای تشكيل ملكول ها به هم وصل می كنند. مواد غذايی به طور عمده از تركيب كربن ، هيدروژن و ( در صورت وجود پروتئين ) از ازت تشكيل شده اند. پيوندهای ملكولی كه اين عناصر را در جوار يكديگر نگاه می دارد ، نسبتا" ضعيف هستند ، به همين دليل وقتی پيوند ها شكسته می شوند ، انرژی كمی آزاد می شود.

در نتيجه، از انرژی مواد عذايی به طور مستقيم برای اعمال سلولی استفاده نمی شود ، بلكه ، انرژی موجود در باندهای ملكولی مواد غذايی ، در درون سلول ها به صورت شيميايی آزاد شده و سپس به صورت تركيبی بسيار پر انرژی به نام آدنوزين تری فسفات ( ATP) ذخيره می شود.

هنگام استراحت ، انرژی مورد نياز بدن تقريبا" به طور برابری از تجزيه ی كربوهيدرات ها و چربی ها تأمين می شود. پروتئين ها نقش مهمی در بدن بازی می كنند ، علاوه بر اين كه در نقش آنزيم ها به واكنش های شيميايی كمک می كنند ، در ترميم و ساخت بافت ها نقش اساسی را ايفا می كنند. با اين همه ، سوخت و ساز آن ها انرژی كمی توليد می كند . هنگام فعاليت های عضلانی شديد و كوتاه مدت ، برای توليد  ATP ، كربوهيدرات ها بيش تر مصرف می شوند و بدن كم تر به چربی ها برای توليد انرژی متكی می شود . در فعاليت های ورزشی طولانی و كم شدت تر كربوهيدرات ها و چربی ها برای تداوم تامين انرژی ، بيش تر به مصرف می رسند.

كربوهيدرات

مقدار كربوهيدراتی كه در خلال فعاليت ورزشی صرف می شود ، بستگی به دسترسی به كربوهيدرات و آمادگی عضله برای متابوليسم كربوهيدرات دارد. تمام كربوهيدرات ها سرانجام به گلوكز تبديل مي شود ( قند يک واحدی يا قند ساده ). گلوكز قند ساده ای است كه از طريق خون به تمام بافت های بدن انتقال می يابد. تحت شرايط استراحت كربوهيدرات خورده شده در عضلات و كبد به صورت گليكوژن در می آيد.

گليكوژن در سيتوپلاسم سلول عضلانی ذخيره می شود ، تا اين كه سلول از آن برای تشكيل  ATP استفاده كند. گليكوژن ذخيره شده در كبد ، در صورت نياز به آن ، دوباره به گلوكز تبديل می شود و سپس به همراه خون برای متابوليزه شده به بافت های فعال می رسد. ذخاير گليكوژن عضله و كبد محدود است. به همين دليل هنگام فعاليت ورزشی طولانی و شديد تخليه می شوند، مگر اين كه رژيم غذايی ورزشكار سرشار از كربوهيدرات باشد. بنابراين ، برای آن كه بتوانيم به طور دائم ذخيره كربوهيدرات بدن را تامين كنيم ، بازم است كه به مقداری زيادی به منابع غذايی نشاسته ای و قندی متكی باشيم . بدون خوردن كربوهيدرات كافی ، عضلات از عمده ترين منبع انرژی خود محروم می شوند.

چربی

در واقع چربی ها بخش عمده ای از انرژی مورد نياز فعاليت های ورزشی كم شدت و دراز مدت را تامين می كنند. ذخاير انرژی بدن به صورت چربی از لحاظ مقدار و انرژی بالقوه ، بسيار بيش تر از ذخاير كربوهيدرات است. در يک شخص ميانسال با وزن متوسط ، مقدار ذخيره چربی دو برابر همان شخص لاغر است. در صورتی كه مقدار ذخيره كربوهيدرات آن ها تقريبا" با هم برابر است .

اما ، چربی به راحتی در دسترس سلول برای متابوليسم قرار نمی گيرد ، زيرا ابتدا بايد از شكل پيچيده و مركب خود يعنی ، تری گليسيريد به تركيبات ساده و اوليه خود يعني گليسرول و اسيدهای چرب آزاد تبديل شود. اين تنها اسيدهای چرب آزاد هستند كه برای تشكيل  ATP به مصرف می رسند.

انرژی كه از تجزبه يک گرم چربی (4/9 كيلوكالري در هر گرم ) به دست مي آيد ، بيش تر از همان مقدار كربوهيدرات است (1/4 كيلوكالری در هر گرم ). با اين وجود ، سرعت آزاد شدن انرژی از چربی به قدری آهسته است كه نمی تواند تمام نياز به انرژی را در فعاليت عضلانی شديد برآورده كند.

چربی های ديگری كه در بدن هستند ، انرژی توليد نمی كنند . فسفوليپيدها جزو اصلي ساختمان تمام غشاء هاي سلولی هستند و در اطراف بعضي از رشته های عصبي بزرگ غلافی محافظ ايجاد می كنند. استروئيدها علاوه بر آن كه در ساختمان غشاء سلولی يافت می شوند ، در ساختن هورمون ها ، مانند استروژن و تستوسترون سهم شايانی دارند.

پروتئين

پروتئين ها هم به عنوان منبع كوچكی از انرژی مورد استفاده قرار می گيرند ، ولی پروتئين هم بايد ابتدا به گلوكز تبديل شود. هنگام تخليه شديد انرژي و يا گرسنگی مفرط ، پروتئين مورد استفاده قرار مي گيرد تا از طريق توليد اسيدهای چرب آزاد ، برای سلول منبع انرژی ايجاد كند. فرايندی كه طی آن پروتئين يا چربی به گلوكز تبديل مي شود ،« گلوكز نئوژنز» نام دارد . فرايند تبديل پروتئين به اسيدهای چرب ،« ليپوژنز» نام دارد . پروتئين می تواند 5 تا 10 درصد انرژی مورد نياز فعاليت های ورزشي دراز مدت را فراهم كند. فقط اسيدهای آمينه پروتئين هستند كه برای توليد انرژی مورد استفاده قرار می گيرند . هر گرم پروتئين 1/4 كيلو كالري انرژي آزاد مي كند.

ميزان آزاد شدن انرژی

برای آن كه انرژی آزاد مفيد واقع شود ، ميزان آزاد شدن آن از تركيب شيميايی بايد تحت كنترل قرار گيرد. مقدار انرژی آزاد شده تا حدودی از طريق انتخاب منبع اصلی سوخت مشخص می شود. انتخاب مقدار زيادی از يک منبع سوخت خاص ، باعث مي شود كه سلول ها به آن منبع خيلی بيش تر متكی شوند تا منابع ديگر. چنين تاثيری در زمينه دسترسی به انرژی را«  اثر عمل جمعی » می گويند.

ملكول پروتئينی ويژه ای به نام آنزيم ، ميزان رها شدن انرژی آزاد را كنترل می كند. بسياری از اين آنزيم ها ،تجزيه (كاتابوليسم ) تركيب های شيميايی را تسهيل می كنند.روشی كه آنزيم ها سبب تجزيه سريع تركيب های شيميايی می شوند ، مانند « ساز و كار قفل و كليد »  است. با اين وجود ، بسياری از آنزيم ها هم پس از پيوستن به تركيب های شيميايی ، ساختارشان تغيير می كند. اما ، مفهوم قفل و كليد الگوی جالبی ارائه می دهد تا تعامل بين تركيب های انرژی زا ( مانند گلوكز ) و آنزيم های موثر در انتقال انرژی درون سلول را توضيح دهد. گرچه نام آنزيم ها نسبتا" پيچيده است ، ولی اغلب آن ها به پسوند آز ، ختم مي شوند. برای نمونه ، آنزيم مهمي كه در شكسته شدن ملكول ATP  و آزاد شدن انرژی ذخيره شده در آن نقش دارد ،« آدنوزين تری فسفاتاز» نام دارد.

منبع: فیزیولوژی 5 استاد