Za sve što radimo, od osnovnih funkcija u našem telu, disanja i rada našeg srca, pa do bilo čega što radimo potrebno je da stvorimo energiju koju ćemo koristiti. Njena transformacija u ljudskom telu se zove METABOLIZAM. Kada se energija koristi za izgradnju tela (npr. mišića) govorimo o anabolizmu, kada koristimo hranu kako bismo stvorili energiju koja nam je potrebna za život i za aktivnosti, onda govorimo o katabolizmu. Suštinski, da bismo stvorili energiju mi moramo da unosimo hranu. Suprotno čestom verovanju, i ugljeni hidrati i masti i proteini mogu da se iskoriste kao izvor energije, ali naše ćelije iz njih dobijaju energiju na različiti način. Međutim, na koji god način se energija dobije, ona je u našem telu deponovana kao adenozin-tri-fosfat (ATP) i iz ove supstance se oslobađa onda kada nam je potrebna. To se dešava u bukvalno svakoj ćeliji u našem telu. ATP je hemijsko jedinjenje, koje se sastoji od baze adenina, šećera koji ima 5 ugljenikovih atoma i tri fosfatne grupe od kojih je svaka vezana visokoenergetskom hemijskom vezom sa ostatkom jedinjenja. Kada se ukloni jedna fosfatna grupa ostaje adenozin-di-fosfat (ADP), a kada se uklone dve fosfatne grupe onda ostaje adenozin-mono-fosfat (AMP), a uklanjanjem svake fosfatne grupe oslobađa se velika količina energije. Proces je reverzibilan – fosfatna grupa može da se doda za šta je potrebna energija i onda AMP postaje ADP pa potom ATP.
Koliko ATP zapravo imamo u telu?
U jedno mišićnoj ćeliji se nalazi 6 mmol*kg-1. Ako se ATP ne bi stalno stvarao, ova količina ATP bi bila dovoljna za samo 3 sekunde maksimalne kontrakcije te mišićne ćelije. Ukupna količina svog ATP koji imamo u našem telu je svega 0,1kg i on bi bio dovoljan za samo nekoliko minuta života. Zato se ATP svake sekunde stvara i razgrađuje u našem telu. Kada bismo mogli da izmerimo svu količinu ATP koja se dnevno stvori i razgradi u našem telu, on bi bio težak 40kg, dok kod utreniranih sportista on iznosi i do 70kg, ali u jednom trenutku u našem telu njega je svega 0,1kg.
ATP može da se stvori u našem telu na jedan od tri način:
- hemijskom reakcijom ADP sa kreatin-fosfatom
- ćelijskim anaerobnim disanjem u ćelijskoj citoplazmi
- ćelijskim aerobnim disanjem u mitohondrijama ćelija
Kreatin-fosfat (CP) je visoko energetsko jedinjenje koje se nalazi u ćelijama. Njega u ćeliji ima oko 20 mmol*kg-1 i tokom jedne sekunde može da se 2,6 mmol CP pretvori u ATP tako što CP da jednu fosfatnu grupu ADP i tako nastane ATP. To se dešava 1 ili 2 sekunde nakon maksimalne kontrakcije mišića i sva rezerva CP će biti potrošena u periodu između 15 i 30 sekundi. Mnogo značajniji način nastanka energije u ćeliji je njeno disanje, koje može biti anaerobno kada se odvija bez prisustva kiseonika, odnosno aerobno kada se dešava u prisustvu kiseonika.
Sve tri grupe namirnica predstavljaju gorivo koji će dovesti do proizvodnje energije koja će se „deponovati“ u ATP. Najznačajniji međuprodukti za proizvodnju energije su: (1) glukoza; (2) slobodne masne kiseline; (3) amino-kiseline. Kod metabolizma masti se pored slobodnih masnih kiselina stvara i određena količina glicerola koji direktno može da uđe u proces glikolize, ali mišićne ćelije to ne mogu.
U metabolizmu sve tri vrste namirnica, centralni mehanizam za proizvodnju energije jeste acetil-koenzim-A (Acetyl CoA). Kod procesa glikolize (metabolizma ugljenih hidrata) se i pre stvaranja acetil-koenzim-A stvara mala količina ATP, ali kod druge dve vrste namirnica to je moguće samo kada acetil-koenzim-A uđe u niz hemijskih reakcija koje se zovu Krebsov ciklus. Ono što je bitno jeste da se energija oslobađa tokom intermedijarnih hemijskih reakcija postupno, čime se postiže bolje iskorišćavanje energije. Kada bi se energija oslobodila odjednom njen veći deo bi bio pretvoren u toplotu.
Ugljeni hidrati – naše osnovno gorivo
Iako sve tri grupe namirnica mogu da se koriste za proizvodnju energije, najznačajniji su ugljeni hidrati, iz nekoliko razloga. Prvi je taj što sve naše energetske potrebe možemo da zadovoljimo ugljenim hidratima. Drugo, ugljeni hidrati su jedina grupa namirnica iz koje se energija može stvoriti anaerobno, bez prisustva kiseonika. Iako se energija primarno stvara aerobno, tokom vežbanja je ponekad neophodno stvoriti energiju i bez kiseonika, a to je nemoguće bez ugljenih hidrata. Treće, ugljeni hidrati su bolje „gorivo“ jer za njihovo sagorevanje je potrebno manje kiseonika nego što je to potrebno kod metabolizma masti.
Ugljeni hidrati se za proizvodnju energije koriste u obliku glukoze. Oksidacija glukoze izgleda tako da jedan molekul glukoze (C6H12O6) reaguje sa 6 atoma kiseonika (O2) i dobijamo 6 molekula vode (H2O) i 6 molekula ugljen-dioksida (CO2). Tokom ove reakcije oslobađa se energija koja je dovoljna da jednu fosfatnu grupu veže za ADP i stvori ATP. Na taj način se stvara ATP iz koga će se osloboditi energija koja je ćeliji potrebna. Ćelija uzima samo onoliko glukoze koliko joj je potrebno. Ako imamo više glukoze, ona će se u procesu glukogeneze deponovati kao glikogen, odakle će se ponovo pretvoriti u glukozu kada ćelijama bude potrebno stvaranje energije. Ovaj glikogen se deponuje u jetri (5 do 8% težine jetre može biti glikogen) i mišićima (1 do 3% njihove težine).
Već smo rekli da se energija oslobađa tokom intermedijarnih hemijskih reakcija postupno, čime se postiže bolje iskorišćavanje energije. Zašto je to važno? Samo 1 gram mol glukoze oslobađa 686.000 cal, dok jedan gram mola ATP oslobađa 12.000 cal. Kada ne bi bilo intermedijarnih reakcija od 686.000 cal stvorio bi se samo jedan ATP sa 12.000 cal, a sva ostala energija bi bila izgubljena tako što bi se pretvorila u toplotu. Zahvaljujući postupnom oslobađanju energije, od 1 gram mola glukoze stvori se 38 gram mola ATP koji ukupno u sebi imaju 456.000 cal. Na taj način umesto da se iskoristi samo 1,75% posto energije (12.000 od 686.000), mi zapravo iskoristimo 66,47% energije (456.000 od 686.000), dok se ostalih 33,53% izgubi u obliku toplote.
Proces stvaranja ATP se odvija u posebnim ćelijskim organelama koje se zovu mitohondrije. One imaju svoju DNK (dezoksiribonukleinska kiselina) što znači da same mogu da se replikuju. Kada ćelija ima veće potrebe za energijom, mitohondrije će se deliti i stvoriti veći broj novih mitohondrija kako bi mogle da stvaraju više energije.
Ovo sve funkcioniše kada imamo dovoljno glukoze i kiseonika. Ali kada smo izloženi fizičkom naporu, povećava se potreba i za jednim i za drugim. Kroz sve hemijske reakcije se konačno stvaraju piruvati (piruvanska kiselina) i atomi vodonika koji reaguju sa NAD (nikotinamid-adenin-dinukleotid) i stvaraju NADH. Kada bi se ova dva produkta gomilala u ćeliji, oni bi konačno doveli do toga da bi se zaustavila proizvodnja ATP i došlo bi do smrti ćelije. Zbog toga oni reaguju i stvaraju laktate odnosno mlečnu kiselinu, koja potom napušta ćeliju i ulazi u vanćelijsku tečnost, a onda ulazi u one manje aktivne ćelije. To omogućava ćeliji koja radi da nastavi sa procesom glikolize – kada se ovo ne bi dešavalo proces glikolize bi prestao već za nekoliko sekundi. Upravo zbog nakupljanja mlečne kiseline postajemo umorni i naši mišići ne mogu više da rade. Kada stanemo sa fizičkom aktivnošću dolazi više kiseonika, mlečna kiselina se pretvara u piruvat i NADH i skoro njene tri četvrtine se koriste za ponovno stvaranje ATP što pomaže našem oporavku. Zanimljivo je da pri teškom fizičkom radu, naše srce je posebno sposobno da koristi mlečnu kiselinu i pretvara je u piruvat i NADH i koristi ih za proizvodnju energije i tokom same fizičke aktivnosti.
A masti?
Iako su ugljeni hidrati naša osnovna supstanca za stvaranje energije ne treba potceniti i ulogu masti. Masti se deponuju u obliku triglicerida i kod mladih muškaraca mogu iznositi najmanje 10 do 15% telesne mase, a kod mladih žena 20 do 25%. Naravno kod gojaznih osoba taj procenat je znatno veći. Trigliceridi su sjajne energetske rezerve – 1 gram triglicerida oslobađa 9,13 kcal, dok 1 gram glukoze i proteina oslobađaju po 4 kcal – dakle masti deponuju u sebi mnogo više energije. Ugljeni hidrati u obliku glikogena se deponuju sa velikom količinom vode – 1 gram glikogena vezuje 2,7 grama vode, dok se masti deponuju bez vode. Zbog čega je to bitno? Kada bi ljudi morali da istu količinu energije umesto u mastima deponuju u ugljenim hidratima, zbog vezivanja vode imali bi dvostruko veću težinu! Ne treba ni zanemariti činjenicu da rezervi glikogena u našem telu imamo malo – za svega 2 sata jake fizičke aktivnosti odnosno jedan dan mirovanja u krevetu (pod uslovom da ne uzimamo hranu). Međutim, energija koju imamo deponovanu u mastima nam je dovoljna nedeljama što je bilo od ključnog značaja tokom ljudske evolucije, kada hrane nije bilo dovoljno i ljudi nisu mogli da je imaju redovno. Kako god bilo, trigliceridi moraju prvo da se u hemijskom procesu podele na masne kiseline i glicerol. Glicerol može da učestvuje u stvaranju glukoze u jetri (ne i u mišićima) dok masne kiseline ulaze u mišićne ćelije i tu ulaze u proces koji se naziva beta-oksidacija gde se dobija acetil-koenzim-A. Koliko molekula ATP se dobija kroz razgrađivanje masnih kiselina, pre svega zavisi od toga koja masna kiselina je u pitanju, odnosno koliko atoma ugljenika ona ima. U slučaju palmitata koji je masna kiselina sa 16 ugljenikovih atoma neto dobitak ATP iznosi 106. Važno je istaći i ulogu ketonskih tela i ketoze. Naime, da bi acetil-koenzim-A koji se dobija beta-oksidacijom masnih kiselina ušao u Krebsov ciklus neophodna je dovoljna količina oksaloacetata. Kada ima dovoljno ugljenih hidrata to nije problem i metabolizam masti se odvija normalno (zato se kaže da se masti sagorevaju na vatri ugljenih hidrata), ali kada ugljenih hidrata nema dovoljno što je slučaj kod dugotrajne fizičke aktivnosti, gladovanja ili dijabetesa, onda se oksaloacetat koristi za proizvodnju glukoze (ćelije mozga moraju da koriste glukozu). U tom slučaju više nema dovoljno oksaloacetata da bi acetil-koenzim-A ušao u Krebsov cikllus i onda dolazi do njegovog nagomilavanja, te onda acetil-koenzim-A jetra razgrađujue u metabolite koji se nazivaju ketonska tela. Postoje tri kiseline koje su ketonska tela (acetoacetična kiselina, betahidroksibutrična kiselina i aceton) – ketonska tela ne treba mešati sa ketonskim kiselinama kao što je piruvat. Sami ketoni se mogu koristiti za dobijanje energije (što se dešava kada do njihovog nakupljanja dolazi kod prolongirane fizičke aktivnosti), ali u drugim stanjima dolazi do njihovog nakupljanja i stanja koje se naziva ketoza u kojoj je naručeno normalno fiziološko funkcionisanje organizma i acido-bazna ravnoteža.
Protein kao izvor energije
Konačno, energija se može dobiti i iz proteina. Proteini su veliki molekuli koji se sastoje od različitih amino-kiselina (u prirodi postoji njih 20). Proteini su važni gradivni elementi ljudskog organizma – nalaze se u hemoglobinu, kontraktilnim elementima mišića, fibrinu, ligamentima, tetivama, ćelijskom omotaču… Upravo zbog toga naše telo koristi proteine pre svega kao gradivne elemente, a ne kao energetski izvor, ali se i od njih može dobiti energija. Kada mišići koriste proteine kao izvor energije, oni pre svega, ali ne i isključivo, koriste BCAA (branched-chain smino acids) kao što su leucin, izoleucin i valin. I kod proteina, kao i kod ugljenih hidrata i masti, oni ulaze u Krebsov ciklus na različitim nivoima i zavisnosti od vrste amino kiseline. Kako bi ušle u proces stvaranja energije aminokiseline moraju da izgube amino grupu koju sadrže (NH2) u procesu transaminacije ili oksidativne deaminacije. Bitno je da se u ovom procesu stvara glutamat koji može da se pretvori u alanin, a on u procesu glukoneogeneze može da se pretvori u glukozu koja se na ovaj način stvara u telu (osim alanina, u glukoneogenezi mogu da učestvuju i glicerol i laktati). Pored toga glutamat se pretvara u amonijak, koji u visokim koncentracijama može da bude jako toksičan, tako da njega jetra pretvara u ureu koja se mokraćom izbacuje iz organizma. U proseku se od jedne aminokiseline dobije 12,5 molekula ATP (ATP ne može da postoji kao polovina molekula, ovo je prosek).
Ukoliko osoba ne unosi dovoljno proteina ishranom, deo proteina u telu mora da se razgradi u aminokiseline. To se naziva obavezan gubitak proteina koji iznosi između 20 i 30 grama. Zbog toga, da bi se sprečio gubitak proteina minimum od 20 do 30 grama mora da se unese (ovo zavisi od mnogo faktora uključujući mišićnu masu, nivo aktivnosti i uzrast, tako da se preporučuje veći unos – minimum 60 do 75 grama proteina dnevno). Važno je reći da ishranom moraju da se unesu sve aminokiseline u odnosu u kome se nalaze i u našem telu. Ako je koncentracija jedne aminokiseline koju unosimo niska, a ostalih ima dovoljno, ćelije neće sintetizovati protein, jer protein se mora sintetizovati ceo ili se neće sintetizovati uopšte (nije moguća parcijalna sinteza proteina). U slučaju kada imamo dovoljno ugljenih hidrata i masti, naše telo ne koristi protein, ali ako imamo višenedeljno gladovanje i naše rezerve ugljenih hidrata i masti postanu kritično niske, dolazi do velike razgradnje proteina (i do 125 grama dnevno) i poremećaja ćelijskog funkcionisanja. Zbog toga se ugljeni hidrati i masti nazivaju materijama koje štede protein.
Kada koristimo i šta?
Kada smo videli na koje sve načine možemo stvoriti energiju, potrebno je da znamo odakle i kada stvaramo energiju. U mirovanju, procenjuje se da iz masti stvaramo 41 do 67% energije, iz ugljenih hidrata 33 do 42%, a iz proteina od skoro nikakvog stvaranja energije do 17%. To se naravno menja tokom fizičke aktivnosti. Kako to izgleda? Imamo osobu koja ima 65 kg i 13% masti i njena ukupna energetska potreba (bazalni metabolizam, termogeneza i energija potrebna za aktivnost koja podrazumeva hodanje i trčanje) iznosi 2.273 kcal. Ako izračunamo koje su njene rezerve, prvo ugljenih hidrata (glukoza u krvi, glikogen u jetri i mišićima), zatim u 8,45 kg masti (13% od 65 kg), dolazimo do toga da je glavni izvor energije mast odnosno trigliceridi gde se nalazi 77.150 kcal što je dovoljno za održavanje života tokom 47 dana, dok su ugljeni hidrati dovoljni samo za 32 časa održavanja organizma. Kod fizičke aktivnosti mi sve vreme stvaramo energiju i iz ugljenih hidrata i iz masti (čak u malom procentu i iz proteina). Što je fizička aktivnost kraća koristi se više ugljenih hidrata, dok što je ona duža sve više se koriste masti kao izvor energije.
Svi opisani procesi koriste kiseonik za stvaranje energije (aerobno disanje ćelije), ali se energija može proizvoditi i bez prisustva kiseonika. Međutim, važno je reći da i kada ima dovoljno kiseonika, jedan deo energije se stvara anaerobno, tako da sve vreme imamo oba procesa koja se dešavaju istovremeno. Kada govorimo aerobnim ili anaerobnim vežbama ili treninzima govorimo samo o predominantnom načinu stvaranja energije, a ne isključivom. Kada se u ćeliji naglo povećaju potrebe za energijom, kod visoko intenzivne fizičke aktivnosti odnosno kod sportskih disciplina koje traju kratko (trka na 100 ili 200 metara), sva energija se dobija od već postojećeg ATP i kreatin-fosfata (CP). Ove energetske rezerve su dovoljne za 20 do 30 sekundi fizičke aktivnosti, ne zahtevaju kiseonik i ne stvaraju mlečnu kiselinu (alaktatna anaerobna aktivnost). Pored toga postoji i laktatna anaerobna aktivnost i ona se dešava na u slučajevima kada imamo fizičku aktivnost koja traje duže, ali je potrebno održati brz tempo (kao što bi bila trka na 400, 800 ili 1.500 metara, plivanje na 100 metara, slalom, veleslalom). U tom slučaju potrebe za energijom prevazilaze ono što se može postići aerobnim putem stvaranja energije i dolazi do dodatnog stvaranja energije putem anaerobne glikolize. Međutim, ovde se stvara mlečna kiselina i vrlo brzo dolazi do njenog nakupljanja. Ono što je bitno reći jeste da postoji gornja granica kako za aerobno, tako i za anaerobno stvaranje energije.
Bez obzira da li želimo samo da izgubimo kilograme ili se bavimo sportom pa nam je naša sportska sposobnost jako bitna, vrlo je važno da znamo osnovne procese koji se događaju u našem telu. Samo tako možemo da odlučimo koja nam je hrana potrebna i kada i kako da na najbolji način ostvarimo balans energije koju unosimo i koju trošimo.
