Nikola Tesla je rekao “ako želiš da pronađeš tajne univerzuma, razmišljaj o energiji, frekvenciji i vibraciji”. Veliki um poput Teslinog svakako potvrđuje koliko je energija važna u našim životima i u svetu oko nas. Energija se ne može stvoriti i ne može da se uništi, ona prelazi iz jednog oblika u drugi. Kada pričamo ili polemišemo o energiji obično spominjemo “danas nemam mnogo energije” ili “može se osetiti energija u ovoj sobi”. Ali postavlja se pitanje šta je tačno ta energija? Gde dobijamo tu energiju koja nas pokreće? Kako je koristimo? Kako dobijamo više energije? Šta kontroliše naše kretanje?

Albert Ajnštajn, na vrhuncu svoje mudrosti otkriva da je ukupna energija objekta jednaka masi tog objekta pomnožena sa kvadratom brzine svetlosti. Njegova formula za atomsku energiju, E=mc2 je postala najznačajnija i najprepoznatljivija matematička i fizička formula na svetu. Iz jednakosti je očigledno da bilo kakva promena energije objekta uzrokuje promenu mase objekta. Ta promena energije može da se ispolji u više različitih formi, uključujući mehaničkoj, termalnoj, elektromagentskoj, hemijskoj, električnoj ili nuklearnoj.

Energija je svuda oko nas. Svetlost u našim domovima, mikrotalasna pećnica, telefon, Sunce, svi oni prenose energiju iz jednog oblika u drugi. Iako je solarna energija koja zagreva Zemlju prilično različita od one koja je potrebna za npr. pomeranje kamena uzbrdo. Kao što je izdvojeno na početku, energija po prvom zakonu termodinake ne može biti kreirana, niti uništena. Samo se menja iz oblika u oblik kada prelazi iz jednog stanja u drugo. Jasno razumevanje energetskih sistema čini osnovu studija čitavog spektra sportskih nauka i osnovu studija svih efekata koju sportska aktivnost ima na čoveka i njegov organizam. Bioenergetika, ili studija protoka energije kroz životne sisteme je obično prvo poglavlje u svim kvalitetnim radovima na temu sportske fiziologije. Postoje tri osnovna energetska sistema koji su fosfageni sistem, glikoliza i aerobni sistem. Za potpuno razumevanje treba ispitati i međusobnu interakciju i njihovu relevatnost i povezanost sa fizičkom aktivnošću, i analizirati šta najnovija istraživanja pokazuju na ovu temu.

Adenozin trifosfat – ATP

Energija je neophodna za sve tipove procesa koji se dešavaju u našem telu, uključujući rast i razvoj, obnovu, transportaciju raznih supstanci na ćelijskom nivou i naravno kontrakciju mišića. Ovaj poslednji segment je ključan za naučnika u sportskoj medicini ili fiziologiji sporta, i istraživači su najviše zainteresovani za razvoj problematike koji se vezuje za kontrakciju mišića kada se priča o energetskim sistemima kod čoveka.

Nebitno da li se radi o maratonskom trčanju, ili o jednom eksplozivnom pokretu ili skoku, mišići su pokrenuti jednim i samo jednim ”elementom”, a to je ATP ili adenozin trifosfat. Međutim telo skladišti samo malu količinu ove ”energetske valute” u ćelijama i ona je prisutna samo da potpomogne nekoliko napornih aktivnosti. Tako da telo mora da zameni i resintetiše ATP, i taj proces stalno traje. Razumevanje kako telo funkcioniše kada se traži odgovor na ovo pitanje je ključ u razumevanju energetskih sistema.

ATP molekul se sastoji od adenozina i tri grupe inorganskog fosfata. Kada je molekul ATP kombinovan sa vodom u procesu zvanom hidroliza poslednja fosfatna grupa se razdvaja i oslobađa energiju u tom procesu. Molekul adenozin trifosfata tada postaje adenozin difosfat ili ADP. Da bi se nadoknadile limitirane zalihe ATP, hemijske reakcije dodaju grupu fosfata nazad ka ADP (adenozin difosfatu) da bi se opet kreirao adenozin trifosfat tj molekul sa tri fosfatne grupe. Ovaj bitan proces se naziva fosforilacija. Ukoliko se fosforilacija odvija uz prisustvo kiseonika onda se radi o aerobnoj fosforilaciji ili oksidativnoj fosforilaciji. I suprotno, ukoliko se odvija u anaerobnim uslovima bez prisustva kiseonika onda se radi o anaerbnom metabolizmu.

ATP može biti proizveden u raznim ćelijskim procesima, ali najčešće u mitohondrijima oksidativne fosforilacije pod katalitičkim uticajem ATP sinteze ili u slučaju biljaka u hloroplastima, fotosintezom. Glavno gorivo za sintezu ATP-a su glukoza i masne kiseline. Prvo se glukoza razdvoji u piruvat i citozol. Dva molekula ATP-a se generišu iz svakog molekula glukoze. Završne etape u sintezi ATP-a se odvijaju u mitohondriji, i mogu da generisati do 36 ATP. Ukupna količina ATP-a u ljudskom telu iznosi oko 0,1 mola. Energija koju koriste ljudske ćelije zahteva hidrolizu 200 do 300 molova ATP-a dnevno. Ovo znači da se svaki molekul ATP-a reciklira 2000 do 3000 puta svakog dana. ATP ne može biti uskladišten, pa stoga njegova potrošnja mora da sledi ubrzo nakon sinteze. Reakcija ADP sa GTP:

ADP + GTP ↔ ATP + GDP

Postoji ideja da se koristi ATP kao energetski izvor u nanotehnologiji i implatantima. Veštački pejsmejkeri bi mogli postati nezavisni od baterija ukoliko primenjena medicina razradi ovu pretpostavku.

Energetski izvori koji zamenjuju ATP

Navedeno je da se ATP nalazi u veoma ograničenim i limitiran količinama u mišićima i da se zalihe veoma brzo potroše. Zbog toga je telo u sposobnosti da koristi i druge različite izvore energije. Nekoliko različitih izvora energije ili supstrata su dostupni telu za sagorevanje i za pomoć u novoj proizvodnji i reporodukciji ATP-a. Kao najvažnije možemo izdvojiti kreatin fosfat ili CP (od reči Creatine Phosphate), a potom masti, ugljene hidrate i proteine.

Kreatin fosfat (CP)

Kreatin fosfat je dostupan ćelijama i veoma brzo učestvuje u proizvodnji ATP-a. Postoji u limitiranim koncentracijama, isto kao i adenozin trifosfat. Izračunato je da postoji oko 100 g ATP-a i oko 120 g CP-a u telu, najviše u mišićima. Zajedno, ATP i CP su nazvani visoko energetski fosfageni. Količina kreatin fosfata u organizmu je dovolja za nekih dvadesetak sekundi maksimalnih kontrakcija, što je više nego samo par sekundi ATP-a ali i je dalje nedovoljno za više energetske potrebe.

Masti 

Ostali suprati koji mogu pomoći telu u produkciji ATP-a su svakako masti, ugljeni hidrati i proteini. Masti su komplesni molekuli, sačinjeni od masnih kiselina i glicerola. Telo ih treba za rast, energiju kao i za mnoge druge funkcije, jer pre svega masti su jedna od osnovih komponenti svake žive ćelije. Telo koristi masti i za sintezu hormona kao i ostalih supstanci potrebnih za ljudske aktivnosti. Masti su najsporiji izvor energije, ali energetski najefikasnija forma hrane. Jedan gram masti sadrži 9 Kcal, što je za raliku od UH i proteina koji sadrže 4 Kcal u 1 gramu više nego duplo veća količina energije.

Masti delimo na monozasićene, poli zasićene i zasićene, na masne kiseline – Omega 3 i Omega 6, kao i na trans masti koje nastaju hidrogenizacijom i prženjem odnosno menjanjem strukture prirodnog oblika masti. Trans masti su loše. Masti životinjskog porekla su većinom zasićene, dok su biljnog poli i mono zasićene (izuzetak su kokosovo i palmino ulje koje su zasićene). Esencijalne masne kiseline i masti su od neizmernog značaja. One osim što daju energiju organizmu neophodne su za normalno funkcionisanje organizma svih živih ćelija.

Ugljeni hidrati

Nasuprot mastima, ugljeni hidrati nisu skladišteni u perifernim depozitima tela. Ugljeni hidrati se nalaze u mišičima i jetri, tj njihova konverzija u formi glikogena. Glikogen može biti korišćem da formira ATP i u jetri može biti konvertovan u glukozu i dalje transportovan do mišića putem krvi. Iscrpni treninzi mogu u potpunosti da isprazne depoe UH u mišićima i jetri, kao i restrikcija njihovog unosa u ishrani. Ugljeni hidrati brže oslobađaju energiju od masti.

Ugljene hidrate delimo na proste: varijacije šećera, kao što su glukoza i saharoza spadaju u proste ugljene hidrate. Oni su mali molekuli, tako da se vrlo lako mogu razložiti stoga ih telo vrlo brzo može absorbovati i iskoristiti kao energiju. Oni brzo povećavaju nivoe glukoze u krvi, energija naglo raste, ali mnogo značajnije – naglo i opada. Složene su sastavljeni od dugih lanaca prostih UH, stoga je i mnogo više vremena potrebno za njihovu razgradnju, I duži je vremenski period njihovog omogućavanja/priliva energije. Samim tim što su sporije absorbovani od prostih, manje su i šanse da pređu u masne naslage. Oni imaju sporiji uticaj na povećanje glukoze u krvi.

Proteini

Sačinjeni su od amino kiselina, odnosno proteini predstavljaju kompleksne lance različitih dužina i različitih kombinacija amino kiselina. Kao i kod kompleksnih UH, telu je potrebno duže vreme za razlaganje, stoga proteini obezbeđuju energiju telu duži vremenski period, svakako duži nego ugljeni hidrati. Protein se koristi kao izvor energije, posebno u dugotrajnijim aktivnosti kada se istroše prvobitni izvori energije – ugljeni hidrati. Da bi se protein iskoristio kao energija on mora prvo biti razložen na aminokiseline, a potom konvertovan u glukozu. Kao i sa masti, proteini ne mogu obezbeđivati energiju u istoj meri tj istom brzinom kao i ugljeni hidrati. I ta ”brzina” je određena različitim faktorima. Na primer ako je raspoloživo manje energetskih izvora u većim količinama, telo će prvenstveno njih trošiti. Postoji 20 amino kiselina, od kojih 9 telo ne može da sintetiše, to su esencijalne amino kiseline. Ostale spadaju u grupu ne esencijalnih.

Osnovni energetski sistemi 

Postoje tri različita energetska sistema kod kojih je produkcija ATP-a moguća. Različiti faktori odlučuju koji od sistema će biti pokrenut, a jedni od odlučujućih faktora su svakako intezitet treninga, trke, takmičenja, utakmice, meča…

Fosfageni sistem (ATP-CP sistem)

ATP i kreatin fosfat (ili fosfokreatin – CP) čine fosfageni sistem. Kreatin fosfat je razložen i oslobađa fosfate i energiju, koja je korištena za ponovnu produkciju ATP-a. Taj ATP je ponovno ”napravljen” tako što se dodaje fosfat ADP-u (adenozin difosfat) u procesu fosforilacije. Enzim koji kontroliše ragradnju kreatin fosfata naziva sekreatin kinaza.

Fosfageni sistem funkcioniše u prisustvu ili bez prisustva kiseonika, ali pošto nije zavistan od kiseonika u literaturi se navodi da je sistem anaerobni. Tokom prvih 5 sekundi vežbanja, nevezano za intezitet istog, isključivo se koristi ATP-CP sistem. Koncentracije ATP-a traju svega nekoliko sekundi, gde CP potpomaže još nekih dodatnih 5 do 8 sekundi. Kombinovano, ATP-PC se može održati od 3 do 15 sekundi i upravo u tom periodu je najveći potencijal u ispoljivanju maksimalne snage. Nakon perioda gde je iskorišćena zaliha fosfagenog sistema, telo mora da nastavi da koristi ostale sisteme tj. da traži druge izvore energije.

Glikoliza

Glikoliza je predominantan energetski sistem koji se koristi za maksimalne napore u trajanju od 30 sekundi do 2 minuta, i to je drugi najbrži način da se resintetiše ATP. Tokom glikolize, ugljeni hidrati u formi glukoze (šećera) ili glikogena u mišićima (forma glukoze ali u ”rezervi”) se razlažu različitim hemijskim reakcijama da bi formirali piruvate. Glikogen je prvo razložen u glukozu procesom glikogineze. Za svaki molekul glukoze koji je razložen na piruvat tokom glikolize, dva molekula iskoristivog ATP-a su proizvedeni. Tako da je veoma malo energije proizvedeno na ovaj način ali benefit je ta što se energija dobija veoma brzo. Kada je piruvat formiran, on ima dve ”subdine”: konverzija do laktata ili konverzija do metaboličkog molekula po nazivu acetil-koenzim A (acetil-CoA), koji dolazi do mitohondrija radi oksidacije i produkcije ATP-a. Konverzija do laktata se dešava kada je potreba za kiseonikom veća od one koja može da se omogući (tokom anaerobne aktivnosti). I obrnuto, kada je dovoljno kiseonika na raspolaganju za mišićne potrebe (tokom aerobne aktivnosti), piruvat (preko acetil-koenzima A) dolazi do mitohondrija i odvija se aerobni metabolizam. Kada kiseonik nije ”dostavljen” onoliko brzo koliko je neophodno za potrebe mišića (anerobna glikoliza), dolazi do povećanja hidrogen jona koji uzrokuju smanjenje pH vrednosti (kiselosti), i tada dolazi do acidoze, i ostalih metabolita kao što su ADP, P1 i kalijum (potasijum) joni. Acidoza i akumulacija ostalih metabolita uzrokuju različite probleme u mišićima, kao što je inhibicija specifičnih enzima koji su deo metabolizma mišićne kontrakcije, inhibicije i lučenja kalcijuma (koji je osnovni element i ”prekidač” za mišićnu kontrakciju) od njegovih rezervi do mišića, i inteferenciju sa mišićnim električnim ”punjenjem”. Kao rezultat svih ovih promena, mišić gubi sposobnost da se kontrakuje efikasno i mišićna snaga pada kao i intezitet aktivnosti.

Aerobni sistem

Ljudi su evoluirali kroz aerobne aktivnosti, i zbog toga nije iznenađenje da je aerobni sistem, koji je zavistan od kiseonika kao što i naziv govori, najkompleksniji od sva tri energetska sistema. Metaboličke reakcije koje se odigravaju u prisustvu kiseonika su zaslužne za najveći deo ćelijske energije koje telo proizvodi. Međutim, aerobni metabolizam je najsporiji način za resintezu ATP-a. Kiseonik, kao ”patrijarh” metabolizma, zna da je vredno čekati i kontrolisati sudbinu aktivnosti i održavanje života. ”Ja sam kiseonik i ja mogu da ti dam mnogo ATP-a, ali moraš da budeš strpljiv”, slikovito se može opisati razgovor između kiseonika i mišića. Aerobni sistem, koji uključuje Krebsov ciklus (koji nazivamo još i ciklus limunske kiseline ili TCA ciklus) i lanac transporta elektrona koristi glukozu iz krvi, glikogena i masti kao gorivo za resintezu ATP-a u mitohondrijama u mišićnim ćelijama. Zbog lokacije tj. povezanosti sa mitohondrijama, aerobni sistem nazivamo i mitohondrijski disanje.

Prilikom korišćenja ugljenih hidrata, glukoza i glikogen se prvo metabolišu glikolizom, gde je rezultat piruvat u formi acetil-koenzima A, koji ulazi u Krebsov ciklus. Elektroni proizvedeni u Krebsovom ciklusu su potom transportovani lancem transporta elektrona, gde su proizvedeni ATP i voda. Taj proces je poznat kao oksidativna fosforilacija. Kompletna oksidacija glukoze preko glikolize, Krebsovog ciklusa i lanca transporta elektrona proizvodi 36 molekula ATP-a za svaki razložen molekul glukoze. U stvarnosti, proizvede se 38 molekula ali se aktivnim transportom 2 iskoriste za prenos 2 molekula NADH proizvedenih putem glikolize iz citoplazme kroz membranu mitohondrija. Tako da aerobni sistem proizvodi 18 puta više ATP-a (36:2) nego anaerobna glikoliza.

Masti, koje su skladištene u obliku triglicerida u adipoznom tkivu ispod kože i uz skeletne mišiće (intramuskularni trigliceridi), su drugo veoma bitno gorivo za aerobni sistem, i to je najveći ”rezervoar” energije u telu. Kada se koristi mast, trigliceridi su prvo razloženi na 3 slobodne masne kiseline i glicerol (procesom lipolize). Slobodne masne kiseline, koje su sastavljene od dugačkog lanca atoma ugljenika, su transportovani do mitohondrija mišića, gde atomi ugljenika proizvode acetil-koenzim A procesom beta-oksidacije.  Nakon formacije acetil-koenzima A, metabolizam masti je identičan metabolizmu ugljenih hidrata, gde acetil-koenzim A ulazi u Krebsov ciklus i elektroni su transportovani lancem transporta elektrona da bi formirali ATP i vodu. Oksidacija slobodnih masnih kiselina proizvodi mnogo više molekula ATP nego oksidacija glukoze ili glikogena. Na primer, oksidacija slobodnih masnih kiselina palmitate pravi čak 129 molekula ATP. Zbog toga nije čudno što se može provesti mnogo više vremena u aerobnoj nego anaerobnoj aktivnosti.

Karakteristike energetski sistema

Nakon detaljnog objašnjena principa na kojima funkcionišu različiti energetski sistemi koji se odigravaju kod čoveka, može se izvući zaključak i prosto i slikovito predstaviti osnove svakog sistema pojedinačno, i opisati potenciju (snagu), kapacitet i gorivo koje se koristi.

Uz prethodno navedene činjenice u vezi svakog sistema pojedinačno, veoma lako može da se opište specifična aktivnost koja je posebna za svaki energetski sistem. U kreiranju trenažnih ciklusa i periodizacije od esencijalne je važnosti znati cilj i efekat svakog pojedinačnog treninga, a to podrazumeva i saznjanje koji energetski sistem je dominantan prilikom određene fizičke aktivnosti tj. tog specifičnog treninga.

Primeri treninga koji stimulušu određeni energetski sistem

Fosfageni sistem

Efikasan način treninga u ovom sistemu su kraći, intenzivni napori.

• 2 serije po 3 ponavljanja od 10 sekundi, submaksimalno bicikl/trčanje, sa 3 minuta aktivnog oporavka (šetnje ili laganog bicikl/trčanja)
• 3 serije po 8 ponavljanja od 5 sekundi, maksimalno bicikl, trčanje ili plivanje, sa 2 minuta aktivnog oporvka
• 3 serije po 6 izbačaja tega (benč) sa pauzom od 3 do 5 minuta

Glikoliza

Ovaj sistem se trenira treningom koji se sastoji od jakih intervala u dužini od 30 do 120 sekundi. Obično se koristi odnos 1:2 kada su u pitanju interval i pauza između intervala.

• 12 ponavljna od 40 sekundi u Z5 (zona anaerobne izdržljivosti), nebitno koja aktivnost je u pitanju, gde se na svaka 2 minuta kreće u novi interval tj. gde je pauza 1:20 min
• 6 ponavljanja od 400 metara na stazi za trčanje, viša Z4 (zona laktatnog praga) do Z5 sa 2:30 minuta pauze

Aerobni sistem

Aerobni sistem podrazumeva dugotrajnije aktivnosti gde preovladava trening izdržljivosti uz manji intezitet. Naravno i ovde se mogu inkorporirati jači intervali.

• Nakon dužeg zagrevanja, tempo interval u trajanju od 1 h u višoj Z3 (zona intenzivne izdržljivosti), gde se obraća pažnja da aktivnost bude isključivo ispod laktatnog praga
• 4 puta po 20 minuta u višoj Z3 sa 5 minuta aktivnog oporavka (biciklistički trening)

Literatura

(1) Mr Otto Barak, Mr Miodrag Drapšin (2006): Praktikum iz fiziologije. Novi Sad. DIF. (2) Dr Franja Fratrić (2008): Teorija i metodika sportskog treninga. Novi Sad. PZS. (3) Nikola Grujić (2004): Fiziologija sporta. Novi Sad. DIF. (4) http://www.ideafit.com (5) http://www.sport-fitness-advisor.com (6) http://sh.wikipedia.org/wiki/Adenozin_trifosfat (7) http://hr.wikipedia.org/wiki/Krebsov_ciklus