Metabolizem olimpijskega prvaka

Iz tega področja so mediji in predvsem fitnes industrija naredili že pravo “znanstveno vejo”, pri raziskovanju katere se lahko zelo hitro izgubimo. Vendar v osnovi ni nič tako zapletenega, če poznamo malo fizike, kemije in biologije. Hitrost, trajanje in dosežek v neki športni disciplini so odvisni od sposobnosti proizvajanja kemične energije v (mišičnih) celicah in učinkovitosti pretvorbe te kemične energije v mehansko delo, ki ga mišica opravlja. Delo, ki ga naše mišice opravijo v nekem časovnem segmentu, imenujemo mišična moč, katere normalizirana vrednost glede na telesno maso predstavlja t.i. specifično moč. Slednjo, predvsem ljubitelji kolesarstva ter tudi avtomobilov, zelo dobro poznate kot merilo za zmogljivost. Pregovor pravi, da z denarjem ne moremo kupiti sreče, lahko pa seveda kupimo avtomobil z boljšim motorjem in s tem vplivamo kako hitro in daleč se bomo lahko peljali. V športu, na žalost ali pa na srečo, tega ne moremo narediti. Lahko pa s primernim treningom zgradimo našo celično »mašinerijo« tako, da bodo naše mišiče imele na razpolago dovolj energije, ki jo lahko neposredno in čim bolj učinkovito uporabijo za delo in s tem izboljšajo zmogljivost. To je zelo težek proces, ki zahteva ogromno truda in garanja, zato je eden izmed čarov športa ravno ta, da nam omogoča samopreseganje. Športna zmogljivost je tako produkt kompleksnih interakcij med biološkimi/biokemijskimi sistemi ter seveda tudi mentalnimi in okoljskimi faktorji. V seriji prispevkov vam bom, dragi bralci in bralke, skušal ilustirati, kakšno vlogo igra prehrana v življenju vrhunskega športnika.

Energija ni ustvarjena iz nič

Za to, da naše mišice lahko opravljajo delo potrebujejo energijo v takšni obliki, ki je za celico uporabna. Da naše celice lahko izkoriščajo energijo, potrebujejo substrate oziroma hrano, saj niti tako kompleksen sistem kot je človeško telo ne more energije ustvariti iz nič. V hrani se v večjih molekulah, ki jih imenujemo makrohranila (maščobe, ogljikovi hidrati, beljakovine), s pomočjo encimov razcepijo šibke kemijske vezi med atomi ogljika, kisika, dušika, žvepla ter fosforja in nastanejo manjše, bolj stabilne molekule, pri tem pa se sprosti energija, ki se shrani v fosfoanhidridni vezi v molekuli adenozin trifosfata (ATP). V teh procesih igrajo ključno vlogo tudi mikrohranila, ki igrajo vlogo kofaktorjev encimsko kataliziranih biokemijskih poti ter hkrati omogočajo robusten obrambni sistem. Vlogo kofaktorjev opravljajo vitamini in minerali in organizem jih prav tako dobi iz hrane in tekočin. Poleg energije naše mišice potrebujejo še gradbeni material (amino kisline) iz katerega gradijo nove, večje in bolj kompleksne strukture.

V celicah je energija shranjena v obliki potencialne energije v molekuli adenozin trifosfata (ATP). ATP sestavljajo organska dušikova baza adenin, na katerega so preko sladkorja riboze vezane tri fosfatne skupine v dve t.i. fosfoanhidridni vezi.

Terminalna (tretja) fosfatna skupina v molekuli je šibko vezana, saj se elektroni oz. negativni naboji na kisikovih atomih »odbijajo«. Taka molekula je zaradi zakonov termodinamike nestabilna in ima veliko težnjo po tem, da razpade na molekule, ki imajo nižjo energijo in so termodinamsko bolj stabilne. Ko se ena fosfatna skupina v procesu hidrolize odcepi, se sprosti energija, ki jo lahko celica nato uporabi za delo, npr. mišična celica za kontrakcijo. Potencialna energija iz ATP se pretvori v kinetično, majhen del pa se sprosti v obliki toplote. Tako se celokupna energija vesolja ohranja, neurejenost pa poveča, s čimer zadostimo 1. in 2. zakonu termodinamike. Z odcepom ene fosfatne skupine iz ATP nastane adenozin difosfat (ADP), ki je bolj stabilna molekula in pri tem se sprosti 30.5 kJ/mol energije. Če to preračunamo v enote, ki so nam v svetu prehrane bolj poznane, torej kilokalorije, dobimo 7.3 kcal/mol.

Te »kalorije« predstavljajo prosto energijo, ki jo naše mišice lahko uporabljajo. Da lahko mišično kontrakcijo izvajajo hitreje in generirajo večjo silo v krajšem času in da lahko dlje časa z določeno intenzivnostjo opravljajo delo. Naše telo torej ne »kuri« kalorij, temveč jih uporablja za pretvorbo v različne oblike drugih energij, mišične celice predvsem za mehansko delo. Kadar imajo naše mišice na voljo več energije, lahko tečemo dlje hitreje, skočimo višje in premikamo težje objekte. Pravimo, da smo hitrejši, bolj vzdržljivi in eksplozivni in tudi močnejši. Če imamo radi kemijsko računanje in poznamo enoto za množino snovi (mol) in pojem molska masa, lahko ugotovimo, da mora povprečen človek vsak dan proizvesti in pretvoriti približno enkrat do dvakrat toliko kilogramov ATP-ja kot je njegova telesna masa, zato da svoje telo preskrbi z dovolj energije (kalorij). Vrhunski športniki, na primer Tadej Pogačar in Primož Roglič na Tour de France-u ali pa Jan Frodeno na Ironmanu potrebujejo tudi do 600 kilogramov ali več ATP-ja na dan, da zadostijo vsem energijskim potrebam telesa.

Razpoložljivost molekule ATP je kritičnega pomena za sposobnost skeletne mišice, da sproži kontrakcijo ne glede na to ali aktivnost traja nekaj stotink sekunde, nekaj minut ali pa celo več ur, kot na primer v maratonu. Vendar pa ni samo energijsko bogata molekula ATP pomembna za optimalno delovanje naših mišic. Da pride do mišične kontrakcije je potreben prenos signala iz možganske skorje preko živčnega sistema do živčno-mišičnega stika oziroma motoričnih ploščic, kjer se v sinaptično špranjo sprosti nevrotransmiter acetil holin. Le-ta po vezavi na receptorje mišičnih celic aktivira ionske kanalčke, preko katerih vstopa natrij v celico in povzroči depolarizacijo celične membrane. Kadar ta t.i. ekscitatorni post sinaptični membranski potencial preseže določeno vrednost (prag) nastane akcijski potencial, ki potuje po T tubulih v notranjost mišičnega vlakna in aktivira sproščanje kalcijevih ionov, ti pa z vezavo na C podento troponina in inhibicije I podenote troponina ter odmika tropomiozina omogočajo vezavo miezinskih glavic z aktinskimi filamenti . Nastane t.i. prečni mostiček, na miozinske glavice se vežejo molekule ATP-ja, ki se pod vplivom encima miozinska ATPaza hidrolizirajo in sprosti se energija. Sproščena enegija omogoča konformacijske spremembe miozinskih glavic in ločitev od aktinskih filamentov, kar omogoča kontrakcijo mišice v skladu s t.i. teorijo drsečih filamentov. Mišična kontrakcija traja dokler je prisoten kalcij, ki inhibira tropomiozin. Ko kalcijeve črpalke transportirajo kalcij nazaj v organele imenovane sarkoplazemski retikulum, pride do relaksacije mišiče. Mišična vlakna se vzdražijo za kontrakcijo, ko se acetil holin sprosti iz motoričnih nevronov v sinaptično špranjo in veže na receptorje. Encim acetilholinesteraza ta nevrotransmiter razgradi na holin, ki se veže v predsinaptične nevrone in se lahko ponovno pretvori nazaj v acetil holin in ponovno veže na receptorje, kadar dobi nov impulz. Če tega impulza ni, se ionski kanalčki, skozi katere prehajajo natrijevi ioni, zaprejo in celična membrana se repolarizira, mišica pa se sprosti. Seveda se vam je ob branju tega najbrž postavilo logično vprašanje, kaj »za vraga« imajo ti mehanizmi in moje nakladanje veze s prehrano in športno zmogljivostjo?

Osnovni gradnik nevrotransmiterja aceliholina je molekula holina, ki jo sicer naše telo lahko v majhnih količinah proizvaja samo, vendar so jo konec 20. stoletja uvrstili med esencalne snovi. Za tiste malo bolj vedoželjne bralce, holin je potreben za tudi za tvorbo fosfatidil holina, ki je osnovni gradnik celičnih membran in VLDL lipoproteinov, ki omogočajo eksport trigliceridov iz jeter, deluje pa tudi kot donor metilnih skupin in na tak način omogoča pretvorbo homocisteina v metionin, kar zmanjša tveganje za nastanek kardiovaskularnih zapletov. Najdemo ga predvsem v jajčnem rumenjaku in jetrih ter tudi drugih izdelkih živalskega izvora v oksidirani obliki pa tudi v hrani rastlinskega izvora kot betain. Za to, da se celična membrana depolarizira, je potrebna energija v obliki ATP-ja, poleg tega pa elektroliti kot so natrij, kalij in klorid in kalcij. Da se aktinske in miozinske beljakovinske strukture povežejo, je potreben mineral kalcij. Transport kalcija nazaj v sarkoplazemski retikulum je energijsko zahteven proces in zahteva energijsko bogate molekule ATP za delovanje encima ATPaza. Odklon prečnega mostička in konformacijske spremembe miozinske glavice, ki omogočajo mišično kontrakcijo, zahteva energijo, katera se sprosti s hidrolizo ATP-ja. Poleg tega je ekpresija encima acetilholin esteraza in acetilholinskih receptorjev stimulirana preko molekul ATP-ja. Ne nazadanje, za to, da naše celice lahko izkoristijo energijo iz molekul ATP-ja, nujno potrebujejo magnezij, ki tvori z ATP kompleks in ga aktivira. In kot bomo spoznali v naslednjih vsebinah, je za tvorbo ATP-ja poleg substratov (makrohranil) potreben seveda tudi kisik in tako tudi železo, ki omogoča transport kisika do tkiv. Poleg tega pa skoraj vsi B vitamini kot so tiamin, riboflavin, nikotinamid, pantotenska kislina, piridoksin, biotin pa tudi folat in kobalamin. Le-ti so kofaktorji različnih encimskih kompleksov, ki so vključeni v t.i. fosforilacijo na nivoju substrata ali pa oksidativno fosforilacijo, s pomočjo katere naše celice dobijo uporabno energijo iz hrane. V procesu elektronske transportne verige in t.i. redoks reakciahj v celici so pomembni še drugi minerali kot so cink, mangan in baker ter vitamin E, ki nudijo antioksidativno zaščito, medtem ko vitamini A, D in K2 skupaj z esencialnimi maščobnimi kislinami igrajo pomembno vlogo pri epigenetski kontroli metabolnih procesov, anabolnih procesih, imunomodulaciji in tako tudi pri regeneraciji. 

Kot vidite, prehrana igra neposredno vlogo pri športni zmogljivosti in doseganju vrhunskih rezultatov, zato je za športnika izjemno pomembna komponenta v vsakdanjem življenju. Seveda pa se moramo zavedati dejstva, da niti optimalna prehrana ne bo pomagala povprečnemu športniku doseči vrhunskih rezultatov, vendar pa velja tudi obratno: slaba prehrana lahko naredi vrhunskega športnika povprečnega in nekompetentnega. 

Avtor: dr. Leon Bedrač, univ. dipl. kem.