מסלולי אספקת האנרגיה בגוף האדם: ניתוח מערכות מטבוליות/ ד"ר אליזהר שדה

מסלולי אספקת האנרגיה בגוף האדם: ניתוח מערכות מטבוליות/ ד"ר אליזהר שדה

פתח דבר

מהי אנרגיה ? "כוח" המניע פעולה.

האנרגיה אינה הולכת לאיבוד, אבל משנה את צורתה.

למשל, אנרגיה כימית (של המזון) הופכת לאנרגיה תנועתית, שהופכת לאנרגית חום.

יצירת האנרגיה בגוף האדם נעשית בשני אופנים :

אנרגיה אנאירובית – הפקת אנרגיה (שחזור ה-ATP) ללא שימוש בחמצן.

אנרגיה אירובית – הפקת אנרגיה (שחזור ה-ATP) בשימוש של חמצן.

ב-99% מזמן החיים האנרגיה מופקת בשימוש של חמצן ולכן נדרשת מערכת הנשימה, מערכת הדם והמיטוכונדריון בתא (האברון בתא שמהווה בית החרושת להפקת אנרגיה אירובית).

אם כן, מתי נשתמש בהפקת אנרגיה ללא חמצן? לפעילויות עצימות מאוד הנמשכות כ- 15 שניות (ל3 השניות הראשונות נשתמש ב- ATP הנמצא בתא ולאחר מכן עד 15 שניות נשתמש במולקולה עתירת אנרגיה שנמצאת פי 5 בכמותה בתא מ- ATP ומכונה בCrp . פירוק מולקולה זו מאפשר בניה של ATP  מ – ADP ו – P . פעילות אנאירובית זו מכונה אנאירובית א- לקטית (מופקת ללא חמצן ואינה מייצרת חומצת חלב).

כאשר הפעילות נמשכת עשרות שניות ומעבר ל- 15 שניות ועד כ- 2 דקות, אין יותר קריאטין פוספט לייצר ATP ולכן יש צורך בחומר אחר כדי לייצר ATP והוא מכונה גלוקוז (חד סוכר) ו/ גליקוגן(רב סוכר).

כאמור, כאשר הפעילות היא עצימה ונמשכת עשרות שניות נשתמש בגלוקוז/ גליקוגן אשר בפירוקו נפיק 2 מולקולות ATP אם בחד סוכר(גלוקוז) עסקינן ואם ברב סוכר (גליקוגן) נפיק 3 מולקולות ATP.

במקביל להפקת ATP נוצרים לקטט ויוני מימן (חומציות).

הבעיה במסלול אנרגטי זה לא חוסר בגלוקוז ו /או גליקוגן אלא בתוצר הלוואי החומצי שנוצר שפוגע בהמשך תהליך הגליקוליזה האנאירובי (הפקת ATP) וביכולת כיווץ השריר ולכן מסלול זה מוגבל לעשרות שניות (כאמור עד 2 דקות ששיאו הוא בסביבות 30 שניות של מאמץ עצים).

ככלל, כאשר יש צורך בביצוע פעילות עצימה וחסר חמצן לקיימה היא תתבצע בדרך האנאירובית, במגבלה של משך ביצוע קצר עד שתי דקות.

אדם נושם כל העת ולכן לצורך פעילות בעצימות נמוכה כמו שכיבה, ישיבה, עמידה, הליכה איטית, אפילו ריצה קלה, האדם יעדיף להשתמש בדרך האירובית לצורך הפקת אנרגיה וזאת מכמה טעמים :

1. עבור כל גלוקוז בדרך האירובית נפיק ATP32 בעוד שבדרך האנאירובית נפיק רק  2ATP.

ו - 2 חומצות לקטט ויוני מימן, מה שיעלה את חומציות התא ויפגע ביכולת ייצור ATP וכיווץ השריר.

 

2. בדרך האירובית ניתן לפרק פחמימות, שומנים וחלבונים לצורך הפקת ATP ואילו בדרך האנאירובית רק פחמימות.
3. נעדיף תמיד שימוש בדרך האירובית(מקורות כמעט אין סופיים ליצירתATP, אבל כיוון שאין מאגרי חמצן בגוף ופעילות עצימה דורשת שימוש בחמצן רב (שאינו זמין לפרקי זמן קצרים עד 3 דקות) נאלץ להשתמש בדרך האנאירובית לפרקי זמן קצרים שדורשים מאמצים גבוהים.

כאמור הפקת אנרגיה אירובית תעשה במאמצים קלים עד בינוניים.

4. רמת כושר אירובי גבוהה (צח"מ- צריכת חמצן מרבית גבוהה) תאפשר פעילות ברמת עצימות בינונית גבוהה, בהפקת אנרגיה שמקורה אירובי.

הפקת אנרגיה אירובית נעשית בשלושה שלבים :

• גליקוליזה אירובית שנעשית בסרקופלסמה (נוזל תא השריר)של תא השריר, אשר בו מופקים 2ATP.
• מעגל קרבס או בשמו האחר מעגל חומצת הלימון , אשר בו מופקים 2ATP.
• שרשרת הנשימה או בשמה האחר שרשרת העברת האלקטרונים, , אשר בו מופקים 32ATP.

פירוק של דלקים מטבוליים(שומנים, פחמימות וחלבונים) דורשים שימוש באנרגיה ולכן  ATP 4 היא ההוצאה האנרגטית בעבור פירוק הדלק המטבולי ולפיכך יופקו  32ATP או 33ATP אם פורק גליקוגן (רב סוכר).

כאמור בפעילות בעצימות קלה עד בינונית שנמשכת מעל 20 דקות עיקר הפקת האנרגיה תעשה בדרך האירובית.

 

כאשר אנו מפתחים סבולת אירובית מרבית (צח"מית – צריכת חמצן מרבית) נעשה שימוש בגלוקוז ונגיע לתקרת הזכוכית של השימוש בחמצן לצורך הפקת האנרגיה, אבל כיוון שברצוננו לפעול מעבר לתקרת הזכוכית של שימוש בחמצן (מעבר ל -85% מדופק מרבי) נפנה למערכת האנאירובית שתסיע למערכת האירובית לעמוד בדרישה האנרגטית של המאמץ. המערכת האנאירובית תייצר אנרגיה (ATP), אך במקביל תייצר לקטט ומימנים, מה שיגרום לחומציות בשרירים ובשלב מסוים להאטה או הפסקת הפעילות. לפעילות זו  מכונה סבולת בינונית(פעילות הנמשכת  מ-3 דקות ועד 20 דקות) . למשל ריצת 12 דקות של קופר, או ריצת 2000 מ' או ריצת 3000 מ'.

הפקת האנרגיה תהיה משולבת אירובית מרבית פלוס אנאירובית (כ- 6-8 מילימול ח.ח. לליטר דם).

המנגנונים הפיזיולוגיים המאפשרים לגוף האדם להמיר(להחליף) אנרגיה כימית(של מזון) לאנרגיה מכנית (של תנועה)לצורך תפקוד ומאמץ גופני.

בבסיס המערכת עומד חוק שימור האנרגיה, לפיו אנרגיה אינה נעלמת אלא משנה צורה.

מטבע האנרגיה הבלעדי של התאים הוא מולקולת הATP- אשר נאגרת בכמויות מזעריות בשריר (כ-85 גרם) ומחייבת מיחזור מתמיד (פוספורילציה) דרך שלושה מסלולים מרכזיים:

1. המסלול האלקטי-אנאירובי (פוספוגני): מספק אנרגיה מיידית ובעלת הספק גבוה מאוד למאמצים קצרים (עד 15 שניות).
2. המסלול הלקטי-אנאירובי (גליקוליטי): מפרק גלוקוז וגליקוגן ללא חמצן, מתאים למאמצים עצימים הנמשכים עד כ-2 דקות, ומוגבל על ידי הצטברות חומציות (יוני מימן).
3. המסלול האירובי (חמצוני): עושה שימוש בחמצן לפירוק פחמימות, שומנים וחלבונים. זהו מסלול בעל קיבולת בלתי מוגבלת אך הספק נמוך, המשמש למאמצים ממושכים ולמנוחה.

הבחירה בין המסלולים נקבעת על פי עצימות המאמץ וזמינות החמצן, כאשר "גורל הפירובט" (החומר הנוצר בסוף הגליקוליזה) מהווה את צומת ההחלטה המטבולי המרכזי.

. 1עקרונות יסוד ומחזור האנרגיה בטבע

האנרגיה בעולם קיימת בשישה סוגים (כימית, מכנית, חום, אור, חשמלית ואטומית) ונתונה לשינויים המכונים "גלגולי אנרגיה".

• חוק שימור האנרגיה: החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי אנרגיה אינה נוצרת מכלום ואינה נעלמת; היא מומרת מצורה אחת לאחרת ללא אובדן.

 

• פוטוסינתזה: התהליך שבו צמחים ירוקים ממירים אנרגיית אור לאנרגיה כימית (פחמימות). פחמימות אלו הן המקור הבלעדי לייצור חלבונים, שומנים וויטמינים עבור כל עולם החי.

 

• צריכת אנרגיה באדם: בני אדם תלויים בצמחים (באופן ישיר או עקיף דרך בעלי חיים) לאספקת האנרגיה הדרושה לקיומם.

ATP .2   - מטבע האנרגיה  בעולם החי

מולקולת ה  ATP-(אדנוזין טרי-פוספט) היא המקור הבלעדי והישיר לאנרגיה עבור תהליכים פיזיולוגיים, ובפרט להתכווצות שרירים (מנגנון הקורים המחליקים של אקטין ומיוזין).

מבנה ותפקוד:

• מרכיבים: אדנין (חנקן), ריבוז (סוכר) ושלוש יחידות זרחה (פוספט).

 

• שחרור אנרגיה: כאשר הקשר הכימי בין הפוספט השני לשלישי נשבר, משתחררת אנרגיה והמולקולה הופכת לADP-  ופוספט חופשי. (P) זהו תהליך (קטבולי/אקסרגוני (משחרר אנרגיה.

 

• מיחזור (פוספורילציה): בניית ה-ATP מחדש מ-ADP ו-P היא תהליך אנאבולי/אנדרגוני הדורש השקעת אנרגיה ממקורות תזונתיים (דלק מטבולי).

נתונים כמותיים:

• בגוף מאוחסנים כ-85 גרם ATP בלבד, המספיקים למאמץ מרבי של שניות בודדות או ל-3 דקות מנוחה.

 

• אדם ממוצע זקוק לכ-110 מול ATP ביום (כ-54.4 ק"ג), מה שמחייב מנגנון מיחזור יעיל ורציף.

. 3שלושת מסלולי אספקת האנרגיה

הגוף משתמש בשלושה מסלולים מטבוליים למיחזור ATP –(לבניה מחדש של -  ATP) הנבדלים במהירות(גיוסם), בהספקם(כמות ה- ATP שמיצרים בשנית עבודה) ובסוג הדלק שהם מנצלים לצורך הפקת (מיחזור) ATP.

תכונה	מסלול אלקטי-אנאירובי (פוספוגני)	מסלול לקטי-אנאירובי (גליקוליטי)	מסלול אירובי (חמצוני)
צורך בחמצן	לא	לא	כן
דלק מטבולי(החומר שממנו מיצרים ATP)	קריאטין פוספט (CP)	פחמימות (גלוקוז/גליקוגן)	פחמימות, שומנים, חלבונים
הספק (אנרגיה לזמן פעילות נתון בשניות)	גבוה מאוד	גבוה	נמוך
קיבולת (סך אנרגיה של הפעילות)	מוגבלת מאוד	מוגבלת	כמעט בלתי מוגבלת
תוצרי לוואי(תוצרי הפירוק של הדלק המטבולי ליצירת ATP)	קריאטין ופוספט	לקטט ויוני מימן (חומציות)	מים (H2O) ודו-תחמוצת הפחמן (CO2)
משך דומיננטיות	3-15 שניות	עד 2 דקות	מ-2 דקות ומעלה

 

 

 

א. המסלול האלקטי-אנאירובי (ATP-CP)

• מנגנון: שימוש בקריאטין פוספט (CP) המאוחסן בשריר. האנזים קריאטין קינאז (CK) מפרק את הCP  -ומשתמש באנרגיה לחיבור פוספט ל ADP-  ביחס של 1:1.
• בקרה: עלייה ברמת הADP- והפוספט החופשי מאיצה את פעילות האנזים; עלייה בATP- מאטה אותו.
• יתרון: תגובה מיידית לצורך אנרגטי גבוה.

ב. המסלול הלקטי-אנאירובי (גליקוליזה)

• מנגנון: פירוק גלוקוז (מהדם) או גליקוגן (מהשריר) לחומצה פירובית (פירובט).
• תפוקה: פירוק גלוקוז מניב 2 מול ATP נטו; גליקוגן מניב 3 מול ATP נטו.
• אנזים מפתח: PFK (פוספופרוקטוקינאז) קובע את קצב התהליך.
• מגבלת החומציות: מחסור בחמצן מוביל להפיכת הפירובט ללקטט ויוני מימן. הצטברות יוני המימן מורידה את הpH-  בשריר (מ-7.10 ל-6.63 בתשישות), מעכבת את אנזים הPFK- ופוגעת בקישור הסידן לאקטין, מה שמוביל להאטת המאמץ ולתשישות.

ג. המסלול האירובי

מתרחש במיטוכונדריה וכולל שלושה שלבים:

1. גליקוליזה אירובית: פירוק גלוקוז לפירובט.
2. מעגל קרבס (חומצת הלימון): הפירובט הופך לאצטיל קו-אנזים A .התהליך משחרר CO2 מייצר 2 מול ATP ומשחרר אלקטרונים ויוני מימן.
3. שרשרת העברת אלקטרונים (נשימה תאית): יוני המימן והאלקטרונים עוברים דרך ציטוכרומים (חלבונים מכילי ברזל). השימוש בחמצן כקולט סופי מאפשר ייצור של כ-28 מול ATP  נוספים ויצירת מים מטבוליים.

• תפוקה סופית: כ-32 מול ATP ממולקולת גלוקוז אחת (או 33 מגליקוגן).

. 4הערכת תפקוד ומבחן וינגייט

מדידת היכולת האנאירובית מורכבת מבחינה ביוכימית, ולכן מסתמכים על מבדקי הספק מכני.

• מבחן וינגייט: המבדק הנפוץ ביותר. רכיבה של 30 שניות במהירות מרבית נגד התנגדות (7.5% ממשקל הגוף).
• מדדים מרכזיים:
  • הספק אנאירובי מרבי (PP): מייצג את המסלול האלקטי (נמדד ב-5-10 השניות הראשונות).
  • הספק אנאירובי ממוצע (MP): מייצג את המסלול הלקטי (ממוצע לאורך 30 שניות).
  • מדד ההתעייפות (FI): אחוז הדעיכה בהספק, המעיד על יכולת ההתמודדות עם חומציות.

. 5הבדלים התפתחותיים: ילדים לעומת בוגרים

היכולת האנאירובית של ילדים נמוכה משמעותית מזו של מבוגרים עקב מספר גורמים:

• ריכוז ופעילות נמוכים של אנזימי מפתח (PFK) ו(LDH)-
• יכולת מופחתת להגיע לריכוזי לקטט גבוהים בדם ובשריר.
• הסתמכות גדולה יותר על המטבוליזם האירובי.
• מסת שריר קטנה יותר.

. 6הממשק המטבולי: גורל הפירובט

הבחירה בין מטבוליזם אירובי לאנאירובי תלויה ביחס שבין קצב הגליקוליזה (ייצור פירובט ויוני מימן) לבין קצב פעילות המיטוכונדריה (סילוקם).

• מנוחה ומאמץ קל: המיטוכונדריה "שואבת" את כל הפירובט והמימן הנוצרים; התהליך הוא אירובי בעיקרו.
• מאמץ עצים: קצב הייצור בגליקוליזה עולה על קצב הפינוי במיטוכונדריה. הפירובט "גולש" והופך ללקטט ויוני מימן בציטופלסמה.
• חסימת אספקת חמצן: במאמצים איזומטריים מעל 60% מהכוח המרבי, לחץ תוך-שרירי חוסם כלי דם ועוצר את התהליך האירובי, מה שמאלץ הסתמכות מלאה על המסלול הלקטי-אנאירובי.