תהליך אספקת האנרגיה

13.8.08
לפניכם תקציר הרצאה בנושא אספקת האנרגיה מאת דר' דרור שגיא.

פיזיולוגיה היא מדע העוסק בחקר התפקוד של גוף האדם. פיזיולוגיה של המאמץ היא ענף מתחום הפיזיולוגיה, העוסק בשינויים החלים בגוף האנושי בזמן מאמץ גופני ולאחריו. הבנה של תפקוד המערכות עוזרת לתכנון הדרך לשם הפקת המירב והמיטב מגופנו באימונים ובתחרויות.

בצוע פעילות דורש אנרגיה, המגיעה לגופנו מהמזון. שלושת אבות המזון - פחמימות, שומנים וחלבונים - מספקים לנו אנרגיה וחומרי בניה לצורך תהליכי חילוף החומרים (מטבוליזם), תהליכי הבניה (אנבוליזם) ותהליכי ההרס (קטבוליזם) של רקמות הגוף.

תוצרי הפירוק של אבות המזון גלוקוז (מפחמימות), חומצות-שומן (משומן) וחומצות-אמינו (מחלבונים) נספגים ממערכת העיכול לזרם הדם. בזרם בדם הם נישאים אל רקמות הגוף, חוצים את קרום (ממברנה) התא ונאגרים בנוזל התוך-תאי (ציטופלסמה).

האנרגיה המצוייה במולקולות הגלוקוז, חומצות-השומןג וחומצות-האמינו מנוצלת לשם טעינה של מולקולות אדנוזין טרי-פוספט (ATP). תא אנושי יכול להשתמש אך ורק באנרגיה שמקורה בפרוק ATP לצורך פעילותו.

ATP). תא אנושי יכול להשתמש אך ורק באנרגיה שמקורה בפרוק ATP לצורך פעילותו.

מאגר ה- ATP בתוך התא הוא קטן מאד ומספיק רק ל- 2-3 שניות של פעילות מירבית. ATP אינו חוצה ממברנה, כך שכל תא צריך להרכיב ולטעון את מולקולות ה- ATP בעצמו.

בציטופלסמה אגורה מולקולה עתירת-אנרגיה נוספת הקרויה קריאטין-פוספט (CrP). התא אינו יכול להשתמש ישירות באנרגיה האגורה ב- CrP לצורך פעילותו. ניתן להעביר את האנרגיה האגורה ב- CrP ולטעון באמצעותה את מולקולת ה- ATP.

מאגר ה- CrP בתוך התא גדול פי שלושה עד חמישה ממאגר ה- ATP התוך-תאי, ועשוי להספיק לעוד 6-7 שניות של פעילות כמעט מירבית. בסך הכל, מספיק מאגר המולקולות עתירות האנרגיה, ATP ו- CrP, לכ- 10 שניות של פעילות מירבית. חידוש המאגרים המרוקנים וטעינת המולקולות באנרגיה אורכים כשתי דקות.

במידה ומבקשים להמשיך במאמץ עצים מעבר ל- 10 השניות הראשונות, עוברים לטעינת ATP באמצעות תהליך הנקרא "גליקוליזה אנאירובית". "גליקוליזה" משמעה פרוק של גליקוגן או גלוקוז, ו"אנאירובי" הוא תהליך המתבצע ללא צורך באויר ובחמצן שבו.

בגליקוליזה האנאירובית מתפרק הגלוקוז לחומצת חלב, תוך שיחרור אנרגיה המשמשת לטעינת ATP. עליה בריכוז חומצת החלב בציטופלסמה גורמת לירידה בקצב הגליקוליזה, עקב פגיעה באנזים פוספו-פרוקטו-קינאז (PFK). בנוסף, פוגעת העליה בחומציות התא במנגנון כיווץ השריר עצמו. כתוצאה מכך מורגשת עייפות וחלה ירידה בקצב העבודה התאית.

חומצת חלב מפונה לדם בדרך של פעפוע (דיפוזיה), מעבר של חומר מריכוז גבוה (בתוך התא) לריכוז נמוך (בדם).

ניטרול חומצת החלב יכול להתבצע בשלוש דרכים מקבילות.

ראשית, סתירה על ידי בסיס, סודיום ביקרבונט (NaHCO3) המצוי בדם עצמו.

שנית, פרוק בנוכחות חמצן והפקת אנרגיה, ברקמות פחות פעילות בגוף.

שלישית, הפיכת חומצת החלב לגלוקוז, תוך השקעת אנרגיה, תהליך המתבצע בלעדית במעגל קורי (Cori) בכבד.

בפעילות עצימה קצב הפינוי של חומצת החלב איטי מקצב הייצור שלה. לכן, מתרחשת עליה של ריכוזה בדם ותוך כ- 2-3 דקות, אין הדם מסוגל לקלוט עוד חומצת חלב מהתאים הפעילים. במצב זה חלה התעייפות ויורד קצב הפעילות.

קצב הפעילות המירבי שניתן לקיימו מבלי שיעלה ריכוז החלב בדם לערכים שימנעו את המשך הפעילות, נמצא ב"סף הצטברות חומצת חלב בדם" (OBLA). ב- OBLA מגיע ריכוז חומצת החלב בדם ל- 4 מילימול/ליטר בהשוואה לכ- 1.5 מילימול/ליטר במצב מנוחה.

"זמן מחצית החיים" של חומצת חלב הינו כ- 20 דקות, וההתאוששות הטובה ביותר לפינויה היא התאוששות אקטיבית ברמה של כ- % 50-35 מהיכולת המירבית. התאוששות שכזו שומרת על זרימת דם גבוהה יחסית לשרירים ובכך מקלה על פינוי חומצת החלב. בנוסף, בפעילות גופנית קלה, יכולה חומצת החלב לשמש כמקור אנרגיה לעבודת השריר.

עיקר האנרגיה לחיים ולפעילויות המתבצעות ברמה הנמוכה מה- OBLA, מקורה בפירוק אבות המזון בתהליך האירובי.

גלוקוז מתפרק בציטופלסמה לחומצה פירובית, תוך טעינת שתי מולקולות של ATP. החומצה הפירובית נכנסת למיטוכונדריון וממשיכה להתפרק ב"מעגל קרבס" (תוך טעינת 2ATP ויצור 6CO2) וב"שרשרת הנשימה" (תוך טעינת 32ATP, יצור 6H2O ובנוכחות 6O2).

לתהליך האירובי, הכולל שלושה שלבים - גליקוליזה אנאירובית, מעגל קרבס ושרשרת הנשימה - שלושה יתרונות בולטים בהשוואה לתהליך האנאירובי- לקטי (הגורם ליצור חומצת-חלב); תוצרי הלוואי של התהליך האירובי (פחמן דו-חמצני ומים) אינם מפריעים למטבוליזם, כשם שעושה תוצר הלוואי האנאירובי (חומצת חלב).

יעילות הפקת האנרגיה בתהליך האירובי (טעינת 36ATP מפרוק מולקולת גלוקוז אחת) גבוהה פי כמה מזו של התהליך האנאירובי (טעינת 2ATP מפרוק מולקולת גלוקוז אחת).

בתהליך האירובי ניתן לפרק פחמימות, שומן וחלבון כדי לטעון ATP, בעוד שבתהליך האנאירובי ניתן להשתמש בפחמימות בלבד.

התהליך האירובי מחייב נוכחות חמצן בערך של כ 3.5 מ"ל/ק"ג/דקה במצב מנוחה. צריכת החמצן עולה ככל שעולה עצימות הפעילות עד לרמה מירבית הנקראת "צריכת חמצן מירבית" (VO2 max).

ההתאוששות האירובית, במצב שבו התרוקנו מאגרי הפחמימות בשרירים ובכבד, היא ארוכה מאד, ועשויה להמשך כיומיים.

תהליך ההתאוששות וחידוש מאגרי ה- ATP מתבצעים תמיד בתהליך אירובי, ולכן חשוב הכושר האירובי לא רק לספורטאים אירוביים, אלא גם לספורטאים אנאירוביים לשם יעול וקיצור תהליך ההתאוששות שלהם ממאמץ.

דר' דרור שגיא ראש תחום פיזיולוגיה של המאמץ, ביה"ס למאמנים ולמדריכים במכון וינגייט.