ATP production – DEMO

KLJUČNE TOČKE

Razumevanje treh bioloških energijskih sistemov, ki so odgovorni za ponovno proizvodnjo ATP.

---

Obstajajo trije biološki energijski sistemi, ki zagotavljajo ponovno produkcijo ATP.

• ATP-PC (Adenozin Trifosfat Fosfokreatinski sistem, ki je poznan tudi kot fosfageni sistem)
• Anaerobni glikolitični sistem (poznan tudi kot laktatni sistem oz. glikoliza)
• Aerobni sistem (poznan tudi kot glikoliza, oksidativna fosforilacija ali oksidativni sistem)

Razumevanje postopkov za ponovno pridobivanje energije vsekakor ni zelo visoko na prioritetni lestvici potrebnih trenerskih znanj za osebne trenerje, a nam daje podrobnejše poznavanje razlogov za utrujenost in kako lahko to utrujenost potencialno zaobidemo ali se ji dalj časa izognemo. Esencialno znanje, ko delamo s športniki in malenkost manj pomembno pri tistih, ki jih zanima bolj estetika in telesna kompozicija.

Kot omenjeno je razgradnja ATP (Adenozin Trifosfat) skozi proces hidrolize (z prisustvovanjem H2O) dejansko razcep trifosfatne skupine, ki producira en inorganski fosfatni ion (Pi) in vodikov ion (H+) in stvar, ki nas najbolj skrbi, energijo.

ATP-PC Sistem

Ko upoštevamo tri biološke energijske sisteme, je ATP-PC oz. fosfageni sistem tisti, ki nas oskrbuje z gorivom za visoko moč v kratkem časovnem obdobju. Iz tega se pomikamo v anaerobni glikolitični sistem in kasneje v aerobni sistem, ki nas oskrbujeta z gorivom s srednjo močjo in krajšim trajanjem (glikoliza) oz. manjšo močjo in daljšim trajanjem (aerobni sistem).

Vse kaj zahteva mišično kontrakcijo mora imeti prisotnost ATP.

Naše telo ima kapaciteto shranjevanja za 80-100g ATP, kar predstavlja majhno energijsko zalogo za mišično kontrakcijo, od katere pa nikoli ne porabi vsega, da lahko zagotavlja gorivo/energijo za normalno celično funkcijo. 1,2  To nam zagotavlja zadostno energijo za dve do tri sekundne mišične kontrakcije, preden se bo ATP obnovil (reproduciral) preko razgradnje druge visokoenergijske fosfatne molekule imenovane kreatin fosfat (CP).

Kreatin fosfat (CP) je pogosto poimenovan tudi fosfatkreatin (PCr).

To se zgodi po preteku prvih nekaj sekund, ko se ATP porabi in se visokoenergijska fosfatna skupina razcepi skozi hidrolizo. Na tej točki ostanemo z Adenozin difosfatom (ADP) in kreatin fosfatom (CP). Fosfatna skupina je anaerobno podana iz kreatin fosfata s pomočjo encima kreatin kinaze (CK), poznanega tudi kot kreatin fosfokinaza (CPK) (EC 2.7.3.2), ki dovoljuje zelo hitro ponovno fosforilacijo ADP v ATP.

To se nadaljuje tako dolgo, dokler se nivo kreatin fosfata ne prične zmanjševati. Čas trajanja tega procesa je pretežno odvisen od posameznikove zaloge mišičnega kreatin fosfata (CP), pri čemer so zaloge CP običajno štiri do šestkrat večje od ATP. V večini primerov to pomeni energijo za 10-15 sekund. 3,4,5

Prisotnost visokih nivojev kreatin kinaze v krvni plazmi je indikacija za poškodbo tkiva in se uporablja v diagnosticiranju miokardnega infarkta (srčni napad). Po napornih treningih bo skupni CK v serumu opazno povišan do 24 ur. Temu primerno bi naj bilo opravljanje krvnih preiskav po dnevu ali več počitka. 6,7

Bodite pozorni na to, da so lahko krvni markerji po treningu povišani in poskrbite, da bodo stranke, ko bodo opravljale krvne preiskave, o tem obvestile svojega zdravnika.

Koncentracija CP v mišičnem tkivu je prav tako lahko odvisna od posameznikovih mišičnih vlaken. Mišična vlakna tipa II (hitra mišična vlakna) imajo sposobnost shraniti višje koncentracije CP kot vlakna tipa I (počasna mišična vlakna). Posamezniki, ki imajo večji delež vlaken tipa II bodo tako zmožni bolj efektivno in hitreje reproducirati ATP skozi ta energijski sistem. 8,9,10

Anaerobni glikolitični sistem

Ko bo ATP-PC sistem izčrpan preidemo v anaerobni glikolitični sistem. Poznan je tudi kot enostavna glikoliza oz. laktatni sistem in se navezuje na razgradnjo ogljikovih hidratov v njihovi obliki za hrambo v telesu, glikogen ali cirkulatorni obliki, glukozi, ki se razgradi v piruvično kislino in produkcijo ATP. (Glikogen se najprej razgradi v glukozo preko procesa glikogenolize).

Kot nam pove že samo ime (anaerobno) se to dogaja brez prisotnosti kisika. Glikoliza zahteva za svoje delovanje porabo dveh molekul ATP in vključuje deset encimatsko kataliziranih reakcij, ki se odvijajo znotraj citoplazme. Rezultat tega sta dve molekuli piruvične kisline, dve molekuli vode in dve molekuli nikotinamid adenine dinukletida (NADH).

Glikoliza korak po korak (Tabela 1.1)

Glukoza v svoji najpreprostejši obliki je je šest-ogljikova molekula (sladkor), ki prav tako vsebuje vodikove in kisikove molekule.

Heksokinaza deluje na molekulo glukoze, da ta sprejme dve fosforjevi molekuli (to je poznano kot substratna fosforilacija). To dodajanje dveh fosforjevih molekul rezultira v konverziji glukoze v fruktozo in za to porabi dve molekuli ATP. 11

Heksokinaza je encim, ki razgradi šest-ogljikove sladkorje (heksoze) in tvori heksoza fosfat.

Encim aldolaza razcepi šest-ogljikovo molekulo v dve. Ta dva dela vsebujeta enake molekule, vendar različnih formacij, te so imenovane izomeri in v tem primeru ostaneta dva tri-ogljikova sladkorna izomera.

Na tej stopnji oksidacijski agent NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid) prerazporedi delitev elektronov skozi tri-ogljikovo sladkorno molekulo. NAD+ zaradi sprejemanja vodikovih ionov postane NADH. Ko se sladkorne molekule enkrat razgradijo, nam ostaneta 2 NAD+, 2H2O, 2 molekuli piruvične kisline in 4 molekule ATP.

Tako so bile proizvedene 4 molekule ATP od katerih odštejemo 2 ATP, ki sta bile porabljene za konverzijo glukoze v fruktozo, pomeni, da smo pod črto efektivno proizvedli 2 molekuli ATP. Dve molekuli piruvične kisline (piruvat) se bosta ali konvertirali v vmesno metabolno molekulo, acetil koencim A (Acetyl-CoA), ki bo prenesena v mitohindrije, da se uporabi kot del Krebsovega cikla ali za produkcijo več ATP. 12 Alternativno, v kolikor obstaja večja potreba po kisiku kot ga je na voljo, se bosta pretvorili v laktat (laktatno kislino). Ko se to zgodi, mišice izgubijo sposobnost kontrakcije in produkcija sile se zmanjša. Encimi, ki so specifično potrebni za metabolne procese se zavirajo, sproščanje kalcija (potrebnega za mišično konktrakcijo) se zavira in zmanjša se mišična signalizacija.

Če se piruvična kislina konvertira v laktat, je resinteza ATP hitrejša, hkrati tudi traja krajši čas (označeno kot anaerobna glikoliza). V kolikor pride do prenosa v mitohondrije, je regeneracija ATP počasnejša in hkrati dolgotrajnejša (včasih označena kot aerobna glikoliza, vendar še zmeraj brez prisotnosti kisika, torej rahlo napačno poimenovanje).

Sistem glikolize bo trajala med 30 sekundami in 2 minutami.

Aerobni sistem

Večina celične energije znotraj telesa je na voljo preko aerobnega sistema, pričakovano je to sistem od katerega smo, kot človeška bitja, življenjsko najbolj odvisni in seveda za resintezo ATP.

Imamo tri stopnje v aerobnem sistemu:

• Glikoliza (kot opisano)
• Krebsov Cikel
• Elektronska transportna veriga

Krebsov cikel (poznan tudi kot cikel citronske kislineali cikel trikarboksilnih kislin (TCA))

Aerobni sistem uporablja glukozo v krvi, glikogen, beljakovine in maščobe za to, da se resintetizira ATP v mitohondriju.

Ko so ogljikovi hidrati metabolizirani skoi glikolizo (Tabela 1.1) in maščobne kisline s pomočjo beta oksidacije, preostanek piruvične kisline vstopi v mitohondrij in je instantno konvertirana v acetyl-CoA ter v kombinaciji z oksaloocetno kislino tvori šest-ogljikov spojino, citronsko kislino.

Še vedno se izvaja serija reakcij, ki proizvaja energijo za resintezo 2 ATP molekul. Te reakcije proizvedejo številne stranske produkte, ogljikov dioksid (CO2), ki je izločen pri izdihu iz pljuč in vodik (H), ki vstopi v potek elektronske transportne verige z molekulami NAD+ in FAD (flavin adenin dinukleotid).

Elektronska transportna veriga

Ko vodik vstopi v mitohondrij je razcepljen v en proton (H+) in en elektron (H-). Elektroni gredo nato skozi serijo oksidacijskih in redukcijskih (redox) reakcij, ki proizvedejo zajetno količino energije za regeneracijo ATP iz ADP. Ta proces se označuje kot oksidativna fosforilacija.

Po glikolizi, bo oksidativni sistem rezultiral v produkciji 38 ATP za posamezno molekulo glukoze v krvi. 11 Oksidativna fosforilacija je odgovorna za več kot 90% sinteze ATP v primerjavi s substratno stranjo fosforilacije. 13

Tabela 1.1 Glikoliza

REFERENCE

1. Constantin-Teodosiu D, Greenhaff PL, McIntyre DB, Round JM, Jones DA. Anaerobic energy production in human skeletal muscle in intense contraction: a comparison of 31P magnetic resonance spectroscopy and biochemical techniques. Exp Physiol. 1997 May;82(3):593-601.

2. Taylor, D. J., Styles, P., Matthews, P. M., Arnold, D. A., Gadian, D. G., Bore, P. and Radda, G. K. (1986), Energetics of human muscle: Exercise-induced ATP depletion. Magn Reson Med, 3: 44–54.

3. Brancaccio P, Maffulli N, Limongelli FM. Creatine kinase monitoring in sport medicine. Br Med Bull. 2007;81-82:209-30. Epub 2007 Jun 14.

4. Schlattner, U.; Tokarska-Schlattner, M., and Wallimann, T. (2006). “Mitochondrial creatine kinase in human health and disease”. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Basis of Disease 1762 (2): 164–180.

5. McArdle, William D, Frank I. Katch, and Victor L. Katch. Exercise Physiology: Energy, Nutrition, and Human Performance. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2001. Print.

6. Chanutin A. The fate of creatine when administered to man. J Biol Chem. 1926;67:29–34.

7. Hultman E, Bergstrom J, Spreit L, Soderlund K. Energy metabolism and fatigue. In: Taylor A, Gollnick PD, Green H, editor. Biochemistry of Exercise VII. Human Kinetics: Champaign, IL; 1990. pp. 73–92.

8. Karatzaferi C, de Haan A, Ferguson RA, van Mechelen W, Sargeant AJ. Phosphocreatine and ATP content in human single muscle fibres before and after maximum dynamic exercise. Pflugers Arch. 2001 Jun;442(3):467-74.

9. Tesch PA, Thorsson A, Fujitsuka N. Creatine phosphate in fiber types of skeletal muscle before and after exhaustive exercise. J Appl Physiol (1985). 1989 Apr;66(4):1756-9.

10. Sahlin K1, Söderlund K, Tonkonogi M, Hirakoba K. Phosphocreatine content in single fibers of human muscle after sustained submaximal exercise. Am J Physiol. 1997 Jul;273(1 Pt 1):C172-8.

11. Brooks, G.A., et al. 2000. Exercise Physiology: Human Bioenergetics and Its Applications. Mountain View, CA: Mayfield.

12. Robergs, R.A. & Roberts, S.O. 1997. Exercise Physiology: Exercise, Performance, and Clinical Applications. Boston: William C. Brown.

13. Baechle, Thomas R, and Roger W. Earle. Essentials of Strength Training and Conditioning. Champaign, Ill: Human Kinetics, 2000. Print VIDEO MP3 PDF