Bioenergeticky systém I.

Cell mitochondria anatomy. 3d illustration
Všichni si asi dokážeme představit, jak funguje spalovací motor auta. Potřebujeme palivo, což je náš zdroj energie, a to je přivedeno nějakou cestou přímo do spalovacího prostoru motoru, kde se spaluje a přemění tepelnou energii na mechanickou a točivý moment. Točivý moment se přenese na kola a auto se pohybuje.
Jednoduché, že? Dokážeme ale to samé říct o lidském těle a víme, kde je zapotřebí něco přitáhnout nebo doplnit, abychom vylepšili výkon?  A o tomto si povíme v tomto článku, protože dle mého názoru je toto základní informace, kterou každý sportovec / trenér / rodič musí ovládat, pokud pracuje s HIIT (intervalové tréninky).

Definice pojmů

Abychom dokázali rozhýbat naše svalstvo a vyprodukovat vůbec nějakou sílu, kterou pak dokážeme přenést do pedálů, k tomu potřebujeme energii. A právě jedním z primárních zdrojů energie v lidském těle je látka zvaná Adenosintrifosfát, nebo jí budeme prostě říkat jen ATP.  

batery

ATP si můžeme představit jako takovou baterii, která je vždy připravena uvolnit a transportovat svoji energii, když je zapotřebí. ATP je poměrně cenná a limitovaná surovina, která se neustále musí obnovovat, a tato obnova se děje ve dvou stavech:

Energetické systémy

V lidském organismu, respektive v každém živém organismu, existují 3 klíčové systémy, které zajištují produkci ATP neboli dobíjeni (když už jsme použili analogii k baterii):

  • Tento systém (pCR-ATP) dokáže vytvořit ATP velmi rychle, ale bohužel na velmi krátkou dobu, a nepotřebuje k výrobě O2​
  • Pro potřeby tohoto článku říkejme systém A.
  • Tento systém také nepotřebuje O2 a je druhým nejrychlejším systémem. Také se mu někdy říká anaerobní systém a rovněž funguje po omezenou dobu.
  • Pro potřeby tohoto článku říkejme systém B.
  • Také někdy aerobní systém, je tím nejpomalejším systémem, ale zase dokáže zajištovat produkci ATP po relativně neomezenou dobu.
  • Pro potřeby tohoto článku říkejme systém C.

Asi bych to přirovnal k hybridnímu autu, které použije rychlý a dostupný zdroj energie uložený v bateriích pro prvotní rozjezd (systém A) a postupně se připojí spalovací motor, který už použije klasické palivo pro následný pohon (systém B). A posledním systémem by byla solární střecha, která by dokázala doplňovat energii po relativně neomezenou dobu (systém C).

Klasický výklad

Aby to nebylo zas tak jednoduché, tak je několik výkladů, jak se tyto procesy postupně zkoumaly. Jeden z těch klasičtějších říká, že se jedná o 3 nezávislé systémy, které se zapojují postupně, jak zatížení nabývá na intenzitě. V literatuře asi najdeme grafy podobné těmto.

 

A toto klasické pojetí bychom asi mohli popsat následovně:

1. Např. závod je odstartován, závodníci vyrazí ze startovní čáry a v tomto okamžiku svaly potřebují veliké množství energie a hodně rychle. Modrá čára symbolizuje okamžitou produkci ATP aktivací systému A, čili zpracováním kreatin-fosfátu, který je uložen ve svalech. Je to ale jen pro prvních 10 sekund a méně.

  • Aby systém byl ještě o něco pohotovější, tak dokáže i využít ATP, které je přímo uloženo ve svalech, ale toho je hodně málo a existují záchranné mechanismy, aby se úplně nespotřebovalo.

 

2. Dalším systémem, který se okamžitě zapojí, je náš systém B čili glykolytický systém (červená). Zapojuje se postupně, jak se rezervy a produkce předchozího systému ztenčují. Tento systém dokáže produkovat ATP v rozmezí 30 s až několik minut.

  • Jak název napovídá, tento systém je anaerobní a je rychle schopen doplňovat ATP zpracováním karbohydrátů čili glukózy a glykogenu.
    • Glykogen je takové rezervní palivo, které je uloženo ve svalech nebo játrech.
    • Glukóza (cukr) je rychlý zdroj energie, která je doručena v krvi.
  • Konečným produktem tohoto systému může být laktát, který je cenným zdrojem energie, ale o tom více později.

3. Poslední systém je oxidační neboli aerobní (systém C), který vytváří ATP za pomoci mimobuněčné výměny přímo v mitochondriích, což je jedna z nejdůležitějších buněk v našem organismu, bez které bychom nebyli schopni využívat kyslík.

Pro výrobu ATP využívá oxidaci mastných kyselin, glykogenu a glukózy.

Ukázka svalu obsahující mitochondrie

Ukázka svalu obsahující mitochondrie

Mitochondrie

Je taková malá elektrárnička, která je naším konečným místem pro spotřebu O2. Je schopná přeměnit živiny, které přijímáme, na energii v podobě ATP. Je důležité zmínit, že tyto buňky hrají například hlavní roli při stanovení našeho VO2Max (max. množství O2, které tělo dokáže přijmout a zutilizovat). A tak naším cílem je tyto buňky trénovat. Čím efektivnější jsou naše mitochondrie, tím větší množství O2 dokážeme využít a tím větší množství energie je k dispozici pro naše svaly. Jinak řečeno čím větší hustoty mitochondrií jsme schopni docílit, o to déle a rychleji budeme trénovat nebo závodit.

Správným tréninkem jsme schopni ovlivnit lepší adaptaci mitochondrií, což může zahrnovat zvětšení mitochondrií co do počtu a velikosti až po adaptaci kapilár, které budou schopny lépe distribuovat nadechovaný kyslík, a tudíž lepší produkci ATP.

V tomto klasickém pojetí každá aktivita začíná anaerobně a postupně přechází do aerobní.

Moderní výklad

Pořád máme tři energetické systémy, které jsme částečně popsali v předchozí části, ale s příchodem moderních a přesnějších přístrojů, jako jsou například NIR spektroskopie (NIRS) nebo P-NMR spektroskopie (Y Chung), se na některé výroky nahlížejí jinak. NIRS si můžeme přirovnat k takovým chytrým hodinkám, které používají infračervené světlo, které vám zasvítí na zápěstí a dokáže změřit saturaci O2 ve vašem oběhovém systému, která se většinou pohybuje v rozmezí 95–99 % (pulzní oxymetr). No a právě NIRS je ještě o kousek sofistikovanější při použití tohoto infračerveného světla v tom, co a kde dokáže zaznamenávat.

Předchozí výklad se více zaměřoval na spotřebu a nebral v úvahu rychlost kontrakcí svalů (10–40 ms), které vyžadují daleko rychlejší dodávku energie, než jsou sekundy nebo minuty. Samozřejmě to bylo dáno tehdejšími poznatky, že tyto modely staré 40–50 let používaly techniky a přístroje, které dokázaly měřit v řádech stovek milisekund, ale moderní výklad, který se opírá o výzkumy z posledních 20 let, dokáže měřit tyto procesy v řádech jednotek milisekund, nemluvě o tom, že dokážeme monitorovat a měřit daleko více proměnných.

Nyní jsme si však vědomi, že systémy A, B neprobíhají izolovaně, ale oba se spustí poměrně rychle hned na začátku kontrakce. Jak je vidět, výzkumy v této oblasti nejsou stále definitivně uzavřeny, a i když se vědci shodnou, jak tyto procesy principiálně fungují, detaily se liší.  Dnes již víme
  • Aktivace systému A (zpracování kreatin-fosfátu) pro výrobu ATP se pohybuje mezi 015 ms (viz kontrakce svalů).
  • Aktivace systému B a okamžitá obnova předchozího systému A mezi 15100 ms.
  • Aktivace oxidační systému, která je de facto okamžitá, aby dokázala podporovat systém B.
  • Tyto procesy se vzájemně překrývají, a hovoříme tedy o milisekundách.
  • O2 je vždy přítomen ve svalech, a tedy sval není nikdy v anaerobním stavu.
  • Aktivace systému A (pCR-ATP) je úzce spojena se systémem C (oxidačním).
  • Kyselina mléčná (Lactic acid) se netvoří ve svalech během zvýšené intenzity cvičení. Fyziologické podmínky to ani neumožní (pH). Často zde zaměňujeme pojmy.

Na obrázku níže vidíme ukázku okamžité spotřeby O2 v reálném čase u jednoho z našich HIIT (High Intensity Interval Training) za použití NIRS přístroje (Moxy monitoru), který je mimo jiné výborným pomocníkem při řízení tréninků.

Pozn ke grafu: zelená křivka zobrazuje, jak moc je náš sval nasycen O2. Jinak řečeno je to vztah mezi poptávkou a reálnou spotřebou O2 přímo ve svalech. Křivka letí nahoru, tělo dodává více O2, než sval dokáže využít. Toto je stav během zahřátí a regenerace mezi intervaly (to je dobře, to chceme). Křivka  letí dolu, sval začíná konzumovat O2, a to klidně i do úplného minima. Což nám i dává určitý obraz o tom, jak náš sval dokáže zutilizovat O2 (pomocí mitochondrií) a následně doplňovat ATP.

To jen pro rychlou navigaci v tomto grafu a teď pojďme zpět k tomuto příkladu. Na detailu vidíme, že hned po započetí intervalu sval okamžitě začal spotřebovávat O2 (např. nová produkce ATP nebo okamžitá obnova zdrojů produkujících ATP, jako je kreatin-fosfát) a spotřeba převyšuje dodávku O2 – zde vidíme, jak křivka začala rapidně klesat k nule. A přesně po 30 s, kdy skončil interval, vše se vrátí zpět  do původních hodnot a sval se regeneruje, aby byl připraven na další interval.

Pokud v klasickém pojetí říkáme, že prvních 30 s by se měly zapojit A, B systémy (anaerobní – bez O2), proč tedy vidíme na tomto grafu opak, kdy O2 rapidně padá. Sval ho někde využívá, takže O2 někam musí putovat, ne?

A tady bych zakončil tuto první část. Příště se podíváme trochu blíže na jednotlivé systémy, možná i na to, jak je můžeme ovlivňovat a rozvíjet tak, abychom byli ještě lepšími sportovci.

Když hovoříme o produkci ATP, ať už to je ze systému A, B, nebo C, vždy mějme na paměti jakousi transformaci.

Energetické systémy nevytvářejí energii a z fyziky víme, že energie nemůže být vytvořena ani zničena. Může být pouze přeměněna na jiný druh.

 A tak jídlo, které jíme, je zdrojem malých elektronů, které se spolu s vdechnutým O2 v těle propojí (v mitochondriích) a převedou tuto externí energii do stavu, který naše tělo dokáže využít.

Referenční zdroje:

  1. David F. Wilson, (2017), Oxidative phosphorylation: regulation and role in cellular and tissue metabolism
  2. 2. G. Shulman ,and D. L. Rothman (2001), The “glycogen shunt” in exercising muscle: A role for glycogen in muscle energetics and fatigue
  3. Tremblay, A., Simoneau, J., Bouchard C., (1994), Impact of exercise intensity on body fatness and skeletal muscle metabolism
  4. Higgins, S., Fedewa, M., Hathaway, E., Schmidt, M., Evans, E., (2016), Sprint interval and moderate-intensity cycling training differentially affect adiposity and aerobic capacity in overweight young-adult women
  5. K Sahlin, R C Harris, E Hultman, (2009), Resynthesis of creatine phosphate in human muscle after exercise in relation to intramuscular pH and availability of oxygen
  6. Julien S. Baker, Marie Clare McCormick, Robert A. Robergs, 2010, Interaction among Skeletal Muscle Metabolic Energy Systems during Intense Exercise
  7. George A.Brooks, (1998), Mammalian fuel utilization during sustained exercise
  8. Conference, Canberra, 1974, Myocardial Energy Metabolism,
  9. Philip Batterson, 2022, http://moxymonitor.com
  10. Dajana Karaula, Jan Homolak, (2016), Effects of hypercapnic-hypoxic training on respiratory muscle strength and front crawl stroke performance among elite swimmers
  11. Jernej Kapus, Anton Ušaj, Mitch Lomax, (2013), Adaptation of Endurance Training with a Reduced Breathing Frequency
  12. Paul B. Gastin, (2001) ,Energy System Interaction and Relative Contribution During Maximal Exercise

Share:

Facebook
Twitter
Pinterest
LinkedIn

Další příspěvky

© Cycling Energy / Všechny práva vyhrazena