سیستم های انرژی در فعالیت ورزشی (دستگاه فسفاژن)

نویسندگان: علیرضا نیک نام (دکتری فیزیولوژی ورزشی) [email protected]

خلاصه و نکات کلیدی

• به طور کلی سیستم های انرژی به دو دسته هوازی و بی هوازی تقسیم می شوند که دستگاه بی هوازی خود به دو بخش دستگاه فسفاژن و لاکتیک اسید (گلیکولیز بی هوازی) تقسیم بندی می شود.
• در سیستم فسفاژن ATP و CrP به صورت ذخیره در سلول ها وجود دارد تا در هنگام نیاز به حرکات سریع و شدید آزاد شده و انرژی آنی یا فوری در اختیار سلول قرار دهند.
• این سیستم برای فعالیت هایی که حداکثر تا ده ثانیه با تمام سرعت و قدرت انجام می گیرد کفایت می کند. مانند: دو ۱۰۰متر- پرتاب ها- وزنه برداری – استارت ها.
• در یک فعالیت ۱۰ ثانیه ای شدید ۴ ثانیه اول ATP مصرف شده و تخلیه می شود و ۶ ثانیه باقی مانده کراتین فسفات تولید انرژی کرده و ATP را بازسازی می کند. در نتیجه ذخیره کراتین فسفات از ATP در سلول بیشتر است.
• اهمیت دستگاه فسفاژن در سرعت فراهمی انرژی نهفته است نه در مقدار انرژی موجود در آن.
• بازیابی سیستم فسفاژن (بازسازی کراتین فسفات) به واسطه دستگاه تولید انرژی هوازی و آنزیم کراتین کیناز میتوکندریایی انجام می شود.

مقدمه

به طور کلی برای تأمین انرژی مورد نیاز عضلات سه دستگاه تولید (نوسازی) انرژی ATP

وجود دارد که عبارتند از:

1. دستگاه کراتین فسفات یا فسفاژن ( ATP-PC )
2. دستگاه لاکتیک اسید یا گلیکولیز بی هوازی
3. دستگاه فسفوریلاسیون اکسایشی یا هوازی

این سه دستگاه نیازهای سوخت و سازی عضلات را در شرایط گوناگون فعالیت بدنی نأمین می کنند. ورزش های گونانگون راه های ویژه ای برای تولید انرژی در اختیار دارند. دوهای سرعت، پرش ها و پرتاب ها ورزش هایی هستند که نیرویی زیاد در زمانی کوتاه لازم دارند بنابراین توان تولید انرژی در آن ها خیلی مهم است. از سوی دیگر دو ماراتن، شنا های طولانی و همه دوهای استقامت و صحرا نوردی، ورزش هایی هستند که به توان اندکی نیاز دارند، اما انرژی لازم باید برای مدت زمانی طولانی در سطح کم باید تامین شود. بنابراین در فعالیت هایی که توان اهمیت بارزتری دارد، دستگاه فسفاژن و تا حدودی دستگاه گلیکولیز بی هوازی وظیفه نوسازی ATP را دارند، و در ورزش های استقامتی طولانی مدت، دستگاه اکسیژن باید به صورت غالب کار کند تا انرژی لازم را تدریجاً با استفاده از اکسیژن و مواد سوختی درون عضلانی (سوبسترا) تامین کند. سیستم فسفاژن و گلیکولیز بی هوازی هر دو در سیتوپلاسم به سرعت می توانند ATP را بازسازی کنند و این مزیتی است که می تواند هنگام نیاز سلول به تولید آنی ATP را پاسخگو باشد (مثلا، فعالیت های ورزشی خیلی شدید). اما عیب آن ها این است که فرآورده های متابولیکی را (Pi، یون هیدروژن) را سریعاً وارد سیتوپلاسم می کنند و باعث افزایش اسیدوز و در نتیجه افت عملکرد می شوند. [پس ما نمی توانیم برای مدت های طولانی از این دو سیستم استفاده کنیم].

دستگاه فسفـاژن یا ATP-pc

کراتین-فسفات یکی از ترکیبات پرانرژی است که به سرعت ATP را در سطح تارهای عضلانی نوسازی می کند. ،کراتین فسفات (CrP) در حد کمی می تواند در تارهای عضلانی ذخیره شود و هر گاه پیوندهای پر انرژی موجود در ساختار آن شکسته شود، مقدار قابل ملاحظه ای از انرژی بیولوژیکی آزاد می شود. روشن است که این انرژی با انرژی لازم برای بازسازی ATP انطباق پیدا می کند. به عبارتی دیگر،تا وقتی CrP کافی در تارهای عضلانی وجود داشته باشد، ATP با همان سرعتی که تجزیه می شود (توسط انرژی حاصل از تجزیه Pc) بازسازی خواهد شد. بنابراین برای به ازای هر مولکول CrP که تجزیه می شود یک مول ATP بازسازی خواهد شد. مقدار کلی ATP و CrP در تارهای عضلانی (که باهم فسفاژن نامیده می شوند) بسیار کم است. به طور کلی در عضلات مردان جمعا” ۰.۶ مول و در عضلات زنان ۰.۳ مول فسفاژن وجود دارد. بنابراین مقدار انرژی قابل تحویل در این دستگاه اندک و محدود است. در واقع اگر قرار باشد یک فرد ۱۰۰ متر را با آخرین سرعت و توان خود بدود، ذخیره فسفاژن عضلات فعال شده اش احتمالا” در پایان کار تمام خواهد شد. با این همه، مزیت دستگاه فسفاژن در سرعت فراهمی انرژی نهفته است نه در مقدار انرژی موجود در آن. این موضوع در رابطه با  فعالیت های بدنی و ورزش های شدید کوتاه مدت، بسیار اهمیت دارد. برای مثال فعالیت هایی مانند، به سرعت دویدن، پرش، شنا کردن که برای مدتی کوتاه و سریع انجام می شوند، همه بر فسفاژن موجود در عضلات متکی هسـتند. در جدول ۱ خلاصه ای از دستگاه ATP-pc در رابطه با مقدار کل انرژی موجود در بدن بیان شده است، توجه کنید که مقدار CrP ذخیره شده در تارها عضلانی از مقدار ATP بیشتر است، زیرا همیشه CrP برای بازسازی  ATP به کار گرفته می شود.از روی این جدول می توان مقدار اکسیژن مورد نیاز برای هر کیلوگرم از عضله جهت ریکاوری ATP-Pc را محاسبه کرد.  برای مثال ۶۶ تا ۸۱ هزارم مول اکسیژن برای هر کیلوگرم از عضله لازم است تا ۲۳-۱۹ هزارم مول از این دو ترکیب فسفات دار ساخته شود. باید توجه داشت که برای ساخته شدن یک مول ATP به تنهایی ۳.۵ لیتر اکسیژن به روش متابولیسم هوازی لازم است.

جدول ۱. برآورد انرژی موجود در بدن از طریق دستگاه ATP-pc

*با این فرض که برای تولید هرمول ATP به روش هوازی ۳.۵ لیتر اکسـیژن لازم است.

چرا نمی توانیم فعالیت های شدید فسفاژنی را برای مدت طولانی ادامه دهیم؟

هنگام فعالیت های ورزشی خیلی شدید و کوتاه مدت، آدنوزین تری فسفات (ATP) تجزیه شده و انرژی لازم برای انقباضات عضلانی را فراهم می کند. اما محصولات این واکنش در صورت تجمع می تواند عملکرد انقباضی را مختل کند برای مثال همواره تجزیه ATP باعث افزایش غلظت یون هیدروژن (H⁺) می شود که به نوبه خود باعث اسیدوز و درنتیجه اختلال در عملکرد سلولی (خستگی) می شود.

کراتین فسفات چگونه ATP را نوسازی می کند؟

واکنش کراتین کیناز (CK)، با تجزیه کراتین فسفات می تواند، انرژی لازم برای پیوند دادن فسفات های معدنی (Pi) به آدنوزین دی فسفات (ADP) فرایند تولید ATP را تسهیل کند. بنابراین واکنش کراتین کیناز چند خاصیت مهم دارد:

• تشکیل ATP انرژی بالقوه برای ادامه فعالیت های شدید انقباضی را فراهم می کند.
• تشکیل ATP به نوبه خود باعث بافرینگ یون هیدروژن و درنتیجه کاهش اسیدیته می شود.
• این واکنش با حذف ADP می تواند از کاهش شارژ انرژی درون سلولی جلوگیری کرده و به نوبه خود خستگی را کاهش دهد و همچنین، تا حدی از بروز بحران های انرژی در سطح سلولی پیشگیری می کند.

نکته: چون ذخایر CrP کم است، پس از اتمام اسیدوز زیاد شده و خستگی عضلانی پدیدار می شود. اگرچه تنها مکانیزم خستگی این نیست.

(واکنش کراتین کیناز در سیتوزول)

کراتین + فسفات آزاد + انرژی آزاد ⇔ کراتین-فسفات 

ATP ⇒ انررژی آزاد + ADP+ Pi

(انرژی آزاد حاصل از واکنش کراتین کیناز صرف پیوند دادن ADP و Pi برای تشکیل ATP می شود)

کراتین فسفات چگونه بازیابی (نوسازی) می شود؟ 

بازیابی سیستم فسفاژن (بازسازی کراتین فسفات) به واسطه دستگاه تولید انرژی هوازی و آنزیم کراتین کیناز میتوکندریایی انجام می شود. کراتین کیناز میتوکندری (CK_mito) در فضای بین غشایی میتوکندری وجود دارد، جایی که فسفوکراتین (CrP) را با استفاده از ATP تولید شده توسط میتوکندری و کراتین (Cr) موجود در سیتوزول (حاصل واکنش کراتین کیناز سیتوزولی یا خوردن کراتین) بازسازی می کند.بنابراین کراتین کیناز میتوکندریایی از ATP تولید شده و کراتین موجود در سیتوزول، کراتین فسفات (PCr) تولید می کند. سپس کراتین فسفات تولیدی (بازسازی شده)، به سیتوزول رفته و توسط آنزیم های کراتین کیناز سیتوزولی ATP را مجدداً بازسازی می کنند.به این مجموعه واکنش های مصرف و بازسازی کراتین فسفات شاتل کراتین فسفات می گویند.

بنابراین دو نوع کراتین کیناز وجود دارد:

• ایزوفورم سیتوزولی (تجزیه کراتین  فسفات در سیتوزول و تشکیل ATP برای استفاده توسط تارچه های عضلانی)
• ایزوفورم میتوکندریایی (بازسازی کراتین فسفات توسط انرژی (ATP) حاصل سیستم هوازی)

درباره  ATP  بیشتر بدانیم:

ATP پول رایج درون سلولی است، که برای هر فعل و انفعال شیمیایی درون سلول انرژی بالقوه یا گروه فسفاتی را می تواند تامین کند. آدنوزین تری فسفات (ATP) یک ترکیب آلی و هیدروتروپ است که انرژی مورد نیاز برای پیش بردن بسیاری از فرایندها در سلول های زنده مانند انقباض عضلانی، انتشار تکانه عصبی، انحلال میعانات و سنتز شیمیایی فراهم می کند. ATP که در تمام اشکال شناخته شده حیات یافت می شود اغلب به عنوان «پول رایج درون سلولی» وظیفه انتقال انرژی درون سلولی را دارد. هنگامی که در فرآیندهای متابولیک مصرف می شود، به آدنوزین دی فسفات (ADP) یا آدنوزین مونوفسفات (AMP) تبدیل می شود. فرآیندهای دیگر ATP را بازسازی می کنند به طوری که بدن انسان هر روز معادل با وزن بدن خود، ATP را بازیافت می کند. همچنین پیش ساز DNA و RNA است و به عنوان کوآنزیم استفاده می شود. از دیدگاه بیوشیمی، ATP به عنوان یک نوکلئوزید تری فسفات (نوکلئوزید+فسفات= نوکلئوتید) طبقه بندی می شود، که نشان می دهد که از سه جزء تشکیل شده است: یک پایه نیتروژن (آدنین)، ریبوز قند و تری فسفات.

درباره کراتین کیناز بیشتر بدانیم:

کراتین کیناز یا کراتین فسفوکیناز (CPK) آنزیمی است که در چرخه مصرف انرژی بافتی به ویژه عضلات شرکت می کند. نام سیستماتیک آن کراتین فسفوترانسفراز(کلاسII آنزیمی) است. در هر گرم از عضلات اسکلتی، قلب و مغز به ترتیب ۲۰۰۰ ،۶۰۰ و۲۵۰ واحد از این آنزیم وجود دارد. سایر اندام ها مانند کلیه و ریه مقدار کمتری از این آنزیم را دارا می باشند.کراتین کیناز یک دایمر با وزن مولکولی ۵۰۰۰ دالتون است که از ۳ ایزوآنزیم اصلی( MM،MB، BB) که هریک متشکل از دو زنجیره پلی پپتیدی می باشد، تشکیل شده است. ژن این دو زنجیره پلی پپتیدی روی کروموزوم های متفاوت واقع است. نوع BB این آنزیم در بافت مغز و همچنین در بافت های عصبی، تیروئید، کلیه، ریه و امعاء ؛ نوع MB در عضله قلب و دیافراگم به میزان ۳۵-۲۵%  و در عضلات اسکلتی به میزان ۱ درصد ؛ نوع MM در عضلات اسکلتی به میزان ۹۸ درصد و در عضله قلبی به میزان ۷۰ درصد و همچنین در استخوان ها موجود می باشند. اين سه ايزوآنزیم، در سيتوزول مي باشند و به ايزوآنزیم هاي سيتوزولی معروف هستند. علاوه بر اين، وجود دو ايزوآنزيم میتوکندریایی كراتين كيناز (umtCK؛ smtCK) نیز از طريق روش الكتروفورز به اثبات رسيده است.