ชีวพลังงานและระบบการผลิต ATP

ชีวพลังงานคือการศึกษาว่าเซลล์เปลี่ยนรูปพลังงานเคมีเพื่อทำงานได้อย่างไร ในกล้ามเนื้อที่ออกกำลังกาย การหดตัวทุกครั้งต้องใช้พลังงานจากอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) แต่กล้ามเนื้อเก็บ ATP ไว้เพียงพอสำหรับการออกแรงอย่างหนักเพียงไม่กี่วินาทีเท่านั้น ดังนั้นจึงต้องสังเคราะห์ ATP ขึ้นใหม่ตลอดเวลาผ่านสามระบบที่เชื่อมโยงกัน ได้แก่ ระบบฟอสฟาเจน (ATP-PCr) ไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน และการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

Definition

ชีวพลังงานของการออกกำลังกายคือชุดของวิถีชีวเคมีที่กล้ามเนื้อโครงร่างสังเคราะห์ ATP ขึ้นใหม่เพื่อขับเคลื่อนการหดตัว ซึ่งประกอบด้วยระบบฟอสฟาเจน ไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน และการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุม ATP ในฐานะสกุลเงินพลังงานของเซลล์ ระบบการให้พลังงานทั้งสามและช่วงเวลาที่แต่ละระบบมีบทบาทเด่น รวมถึงวิธีการที่ระบบเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อตอบสนองความต้องการของการออกกำลังกายที่มีความเข้มข้นและระยะเวลาต่างกัน หัวข้อนี้ถือว่าชีวพลังงานเป็นวิชาทางสรีรวิทยาและไม่ได้กล่าวถึงสูตรการเสริมอาหารหรือการกำหนดโปรแกรมการฝึกเฉพาะบุคคล

Core questions

• ทำไม ATP ต้องถูกสังเคราะห์ขึ้นใหม่ตลอดเวลาในระหว่างการออกกำลังกาย แทนที่จะถูกเก็บไว้เฉยๆ?
• ฟอสโฟครีเอตีน ไกลโคไลซิส และการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน มีบทบาทอย่างไร และในช่วงเวลาใด?
• ระบบพลังงานทั้งสามทับซ้อนกันอย่างไร แทนที่จะสลับเปิดและปิดอย่างชัดเจน?

Key concepts

• ATP ในฐานะสกุลเงินพลังงานทันที
• ระบบฟอสฟาเจน (ATP-PCr)
• ฟอสโฟครีเอตีนและปฏิกิริยาครีเอตีนไคเนส
• ไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• การออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน
• ความต่อเนื่องของระบบพลังงานและการทับซ้อนกันตามความเข้มข้นและระยะเวลา

Mechanisms

ATP ปล่อยพลังงานที่ใช้ได้เมื่อพันธะฟอสเฟตปลายถูกไฮโดรไลซ์ และคลัง ATP ในกล้ามเนื้อที่มีขนาดเล็กจะต้องถูกสร้างขึ้นใหม่ให้เร็วเท่าที่ถูกใช้ไป ระบบฟอสฟาเจนให้การเติมเต็มที่รวดเร็วที่สุด: ฟอสโฟครีเอตีนบริจาคฟอสเฟตให้กับ ADP ผ่านปฏิกิริยาครีเอตีนไคเนส ซึ่งช่วยรักษาระดับ ATP ในช่วงไม่กี่วินาทีแรกของการออกแรงอย่างหนัก (Wyss, 2000) เมื่อการออกแรงดำเนินต่อไป ไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะสลายกลูโคสและไกลโคเจนเป็นไพรูเวต ซึ่งให้ ATP อย่างรวดเร็วแต่ในปริมาณจำกัด และก่อให้เกิดแลคเตตเมื่ออัตราการผลิตเกินความสามารถในการออกซิเดชัน (Gladden, 2004) สำหรับกิจกรรมที่ยั่งยืน การออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันในไมโทคอนเดรียจะออกซิไดซ์คาร์โบไฮเดรตและไขมันเพื่อผลิต ATP ส่วนใหญ่ โดยส่วนผสมของเชื้อเพลิงขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและระยะเวลา (Romijn, 1993) ระบบเหล่านี้ทำงานพร้อมกันและทับซ้อนกันมากกว่าที่จะสลับการทำงานอย่างชัดเจน (McArdle, 2015)

Clinical relevance

กรอบแนวคิดของระบบพลังงานเป็นพื้นฐานในการอธิบายผลการทดสอบและการฝึกออกกำลังกาย และวิธีการระบุลักษณะความสามารถทางเมแทบอลิซึมในการวิจัยและสรีรวิทยาประยุกต์ ข้อมูลนี้ถูกนำเสนอเพื่อเป็นพื้นฐานอ้างอิงและไม่ได้เป็นคำแนะนำเกี่ยวกับการเสริมอาหาร การฝึก หรือการรักษา

Evidence & guidelines

คำอธิบายเหล่านี้อ้างอิงจากการทบทวนทางชีวเคมีและสรีรวิทยา และการสังเคราะห์จากตำราเรียนเกี่ยวกับการเผาผลาญพลังงานของกล้ามเนื้อ มากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก; ข้อมูลปริมาณสารตั้งต้นได้มาจากการศึกษาโดยใช้สารติดตามและชิ้นเนื้อ (Romijn, 1993; Wyss, 2000)

History

การยอมรับ ATP ในฐานะสกุลเงินพลังงานสากลและการอธิบายบัฟเฟอร์ฟอสฟาเจนครีเอตีนไคเนส ไกลโคไลซิส และการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน ได้เปลี่ยนแปลงสรีรวิทยาของกล้ามเนื้อในศตวรรษที่ยี่สิบ ทำให้สามารถอธิบายการออกกำลังกายเป็นการเรียกใช้ระบบพลังงานที่ทับซ้อนกันอย่างเป็นลำดับขั้น (Wyss, 2000; McArdle, 2015)

Key figures

• Markus Wyss
• L. Bruce Gladden
• Edward F. Coyle

Seminal works

• wyss-2000
• gladden-2004
• romijn-1993

Frequently asked questions

ระบบพลังงานสามระบบที่ใช้ระหว่างการออกกำลังกายคืออะไร?

ระบบฟอสฟาเจน (ATP-PCr) ไกลโคไลซิสแบบไม่ใช้ออกซิเจน และการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน ระบบเหล่านี้แตกต่างกันในด้านความเร็วและปริมาณ ATP ที่สามารถให้ได้ และทำงานร่วมกันมากกว่าที่จะทำงานทีละระบบ

ทำไมกล้ามเนื้อถึงไม่สามารถเก็บ ATP ทั้งหมดที่ต้องการได้?

กล้ามเนื้อเก็บ ATP ไว้เพียงพอสำหรับการออกแรงอย่างหนักเพียงไม่กี่วินาทีเท่านั้น ดังนั้นจึงต้องสังเคราะห์ ATP ขึ้นใหม่ตลอดเวลาจากฟอสโฟครีเอตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมัน เพื่อให้กล้ามเนื้อหดตัวต่อไปได้