Metabolizm
Metabolizm to ogół zdarzeń, które zachodzą w organizmie człowieka w celu wytworzenia energii i innych substancji niezbędnych do jego działalności. W naszym organizmie zachodzą procesy kataboliczne i anaboliczne.
Katabolizm to proces, podczas którego dochodzi do rozkładu materii organicznej i jednoczesnego uwolnienia energii. Charakteryzuje się on brakiem rezerw glikogenu i mobilizacją niesacharydowych źródeł energii – tłuszczów i białek. Katabolizm ma miejsce podczas wzmożonej aktywności ruchowej i jest niezbędny do podtrzymania funkcji życiowych.
Anabolizm natomiast jest procesem energochłonnym, podczas którego powstają substancje. Podaż substratów przekracza natychmiastowe zapotrzebowanie. Organizm tworzy rezerwy energetyczne, powstają i odnawiają się tkanki. Procesy anaboliczne przeważają w sytuacjach zmniejszonej aktywności fizycznej.
Podstawowe składniki odżywcze (węglowodany, lipidy, białka) są obecne w pokarmach, które spożywamy. Są one przekształcane i wchłaniane przez układ pokarmowy. Węglowodany rozkładają się na poszczególne węglowodany (monosacharydy), wśród których najważniejsza jest glukoza. Lipidy rozpadają się na wolne kwasy tłuszczowe i glicerol. Białka rozpadają się na aminokwasy. Te proste czynniki mogą następnie zaangażować się w bardziej skomplikowane procesy.
Węglowodany są wykorzystywane zarówno w czynnościach beztlenowych, jak i tlenowych. ATP resyntetyzuje się z glikogenu (glikogen mięśniowy, glikogen wątrobowy), który przekształca się w glukozę. Zapasy glikogenu w organizmie człowieka są ograniczone. Lipidy są wykorzystywane w wytrzymałościowej aktywności ruchowej o niskiej intensywności. Podczas gdy wykorzystanie białek w resyntezie ATP jest bardzo ograniczone, wolne kwasy tłuszczowe są wykorzystywane w dużym stopniu. Glukoza jest wytwarzana w procesie glukoneogenezy.
Mięśniowy metabolizm
Mięśnie potrzebują energii do wytwarzania skurczów (ryc. 6). Energia ta pochodzi z adenozynotrójfosforanu (ATP) obecnego w mięśniach. Mięśnie zwykle zawierają tylko ograniczone ilości ATP. Po jego wyczerpaniu ATP musi być ponownie syntetyzowany z innych źródeł, a mianowicie z fosforanu kreatyny (CP) i glikogenu mięśniowego. Inne zapasy glikogenu są przechowywane w wątrobie, a organizm ludzki jest również w stanie resyntetyzować ATP z lipidów, tj. wolnych kwasów tłuszczowych. W zależności od intensywności i czasu trwania obciążenia organizmu wykorzystywane są różne sposoby pozyskiwania energii.
Rys. 6 Energia dla mięśni
Układ ATP-CP
Wspomniane wyżej ATP i CP są źródłami energii skurczu mięśni (rys. 7, 8, 9). Produkcja energii wykorzystywanej w skurczu mięśnia odbywa się na drodze beztlenowej (bez udziału tlenu).
Ryc. 7 Cząsteczka ATP
Ryc. 8 ATPaza (rozkład ATP i produkcja energii do skurczu mięśnia)
Ryc. 9 Resynteza ATP z CP
Glikoliza beztlenowa
Jest to proces chemiczny, podczas którego ATP ulega odnowieniu z glikogenu, tj.czyli glukozy w sposób beztlenowy (bez dostępu tlenu). W tych procesach w mięśniach powstaje mleczan, czyli sól kwasu mlekowego. W tym systemie energetycznym powstają 2 cząsteczki ATP. Glikoliza – przekształcenie glukozy w 2 cząsteczki pirogronianu dające zysk netto z cząsteczek ATP i 2 cząsteczek NADH (beztlenowy rozkład glukozy na pirogronian i mleczan) – patrz. Rys. 10.
System oksydacyjny
Jest to proces chemiczny, podczas którego resynteza ATP odbywa się na drodze tlenowej (z dostępem do tlenu). Zarówno glikogen lub glukoza, jak i wolne kwasy tłuszczowe pełnią tu rolę źródeł energii.
Glikoliza tlenowa zachodzi w cytoplazmie komórki, gdzie 34 cząsteczki ATP są generowane z glikogenu, tj. glukozy przy obecności tlenu (Rys. 10).
Rys. 10 Glikoliza beztlenowa i tlenowa
W resyntezie ATP wykorzystywane są wolne kwasy tłuszczowe obecne w mitochondriach włókien mięśniowych przekształcane w acetylo-CoA. Acetyl CoA wchodzi do cyklu Krebsa i w ten sposób powstają cząsteczki ATP.
Poszczególne systemy energetyczne angażują się w zależności od intensywności wykonywanej aktywności ruchowej. W przypadku wykonywania czynności na poziomie maksymalnym następuje stopniowe zaangażowanie wszystkich systemów (ryc. 11, 12).
Ryc. 11 Pokrycie energetyczne przy maksymalnym obciążeniu pracą
Ryc. 12 Pokrycie energetyczne przy maksymalnym obciążeniu pracą
Typy włókien mięśniowych
Włókna mięśniowe człowieka mają odrębne cechy. Chociaż obecnie znanych jest prawie 30 rodzajów włókien mięśniowych występujących w ludzkim organizmie, mamy tendencję do pracy tylko z następującymi trzema rodzajami:
Powolne czerwone włókna mięśniowe I (SO – slow oxidative fibres)
Powolne czerwone włókna mięśniowe charakteryzują się wysoką pojemnością tlenową i odpornością na zmęczenie. Ponieważ ich wydolność beztlenowa jest wolna, nie są w stanie wykazać się dużą siłą mięśniową. Skurcz mięśnia jest zazwyczaj powolny – 110 ms/skurcz mięśnia. Jedna jednostka motoryczna zawiera około 10-180 włókien mięśniowych.
Szybkie czerwone włókno mięśniowe IIa (FOG – fast oxidative glycolytic fibres)
Szybkie czerwone włókno mięśniowe dzieli niektóre cechy z wolnym włóknem lub włóknem typu IIx. Włókno to charakteryzuje się średnią wydolnością aerobową i odpornością na zmęczenie. Wykazuje również wysoką wydolność anaerobową i jest w stanie wykazać się dużą siłą mięśniową. Szybkość skurczu wynosi 50 ms/skurcz mięśnia. Jedna jednostka motoryczna zawiera około 300-800 włókien.
Włókno białe szybkie IIx (FG – fast glycolytic fibre)
W przeciwieństwie do wcześniej wymienionych typów włókno białe szybkie charakteryzuje się niską wydolnością tlenową i tendencją do szybkiego męczenia się. Z drugiej strony posiada największą wydolność beztlenową i jest w stanie wykazać się znaczną siłą mięśniową. Szybkość skurczu wynosi 50 ms/skurcz mięśnia. Jedna jednostka motoryczna zawiera około 300-800 włókien.
Objętość włókien mięśniowych tego typu jest uwarunkowana genetycznie (do 90%) (Jančík i in., 2007) i różni się u poszczególnych osób. W przeciętnej populacji stosunek włókien wolnych do szybkich wynosi 1:1. Poniższy rysunek (Ryc. 13) przedstawia stosunek włókien wolnych do szybkich u sportowców uprawiających różne dyscypliny.
Ryc. 13 Stosunek włókien szybkich (typu FG i FOG) do wolnych (typu SO) u różnych typów sportowców
W skurczu mięśnia poszczególne typy włókien mięśniowych ulegają aktywacji w zależności od intensywności ruchu mięśnia. Podczas ćwiczeń o niskiej intensywności głównie rekrutowane są włókna wolne. Natomiast wraz ze wzrostem intensywności ćwiczeń aktywowane są włókna szybkie. Należy przy tym zaznaczyć, że stosunek włókien jest różny w różnych mięśniach ludzkiego ciała. Na przykład, mięśnie posturalne zawierają więcej włókien wolnych.
.