Объяснение 3 энергетических путей

Фундаментальным атрибутом фитнеса всегда было наше неустанное стремление к новым идеям, когда дело доходит до программирования. Будь то эволюционный или постепенный характер; тенденция или причуда, мы, кажется, процветаем, бросая вызов статусу-кво в нашем стремлении к лучшему, большему, более сильному или быстрому.

 

Помимо носимых технологий, возможно, самой большой тенденцией в фитнесе за последние несколько лет стала растущая популярность более коротких, более эффективных по времени интервальных тренировок, выполняемых с более высокой интенсивностью или скоростью работы (например, табата, HIIT).

В сочетании с этими более короткими высокоинтенсивными тренировками вы можете услышать такие термины, как «дожигание» или «EPOC», используемые в непринужденной беседе.

Хотя этот формат тренировок ни в коем случае не нов, он восходит к началу-середине 1990-х годов в области спортивной подготовки, именно его недавнее представление широкой публике повысило значение этого метода упражнений.

Что могло начаться с нашей одержимости похудением; отслеживание активности и калорий; и отсутствие у нас свободного времени для физических упражнений; изменил весь наш философский подход к программированию упражнений и уделил больше внимания метаболизму, энергетическим путям и использованию топлива.

Кроме того, это также подстегнуло интерес к различным нетрадиционным практикам, таким как кардио натощак и кетоны. К сожалению, сложность этих биологических систем также породила много дезинформации и непонимания по этим темам.

И, как специалисты по фитнесу, мы придерживаемся стандарта предоставления научно обоснованного образования и программ для общественности, и поэтому нам необходимо понимать использование топлива и соответствующие роли в энергетических путях. Цель этой статьи — представить основные принципы наших энергетических путей и обсудить популярную практику кардио натощак.

Энергетические пути

Энергия для биологической работы производится аэробно в присутствии кислорода или анаэробно в отсутствие кислорода (1).

Как показано на рис. 1-1, аэробный путь вырабатывает большое количество энергии, хотя и медленнее, и может использовать все три макроэлемента в качестве источника топлива.

Напротив, анаэробные пути, включающие как фосфагенную (немедленную) энергетическую систему, так и быстрый гликолитический путь, производят энергию быстро, но в ограниченных количествах, и могут использовать только глюкозу в качестве источника топлива (2). Однако, учитывая объем этой статьи, мы рассмотрим только аэробный путь, поскольку он отражает самый большой источник наших калорий в день и включает в себя все три макроэлемента, потребляемые в нашем рационе.

Рисунок 1-1: Обзор путей биоэнергетики

Аэробное дыхание: митохондриальное дыхание

Аэробное дыхание происходит в митохондриях, органеллах, расположенных внутри клеток, которые производят энергию. Однако все три вида топлива проходят некоторую первичную подготовку, чтобы подготовить их к проникновению в митохондрии. Пути поступления всех трех макронутриентов показаны на рис. 1-2, но прежде чем обсуждать каждый из них, давайте сначала определим виды топлива:

• Триглицериды (ТГ) — простой жир, который представляет собой основную форму хранения жира в организме. Триглицериды состоят из молекулы глицерина, которая образует основу молекулы, соединенной с тремя свободными жирными кислотами (СЖК). Именно с этими СЖК многие из нас знакомы, поскольку по длине их можно разделить на короткоцепочечные, среднецепочечные или длинноцепочечные; и классифицируются по своей структуре как насыщенные, мононенасыщенные или полиненасыщенные. Перед попаданием в дыхательные пути ТГ должны быть разделены на строительные блоки глицерин и СЖК, после чего СЖК дополнительно подготавливаются для вступления в цикл Кребса посредством бета-окисления, которое расщепляет более длинные углеродные цепи на 2-углеродные фрагменты (3).
• Углеводы существуют в организме либо в виде хранимой формы, называемой гликогеном, либо в виде глюкозы, когда она всасывается и сразу же используется в качестве топлива. Все углеводы подвергаются гликолизу (анаэробному углеводному обмену) — процессу, происходящему вне митохондрий. Конечным продуктом гликолиза является образование пирувата, который либо проникает в митохондрии, чтобы продолжить аэробный путь, либо превращается в лактат (анаэробный) — и то, и другое может происходить одновременно. Именно доступность кислорода, доставляемого в митохондрии, определяет, сколько пирувата пройдет в митохондрии (т. е. больше кислорода соответствует большему поступлению пирувата в митохондрии). Любой избыток пирувата не может оставаться в клетке в виде пирувата, так как это замедляет гликолиз – таким образом, он превращается в лактат путем соединения с ионами водорода, которые также образуются при гликолизе. В норме ионы водорода также перемещаются в митохондрии для завершения дыхания, но их избыток проблематичен, поскольку он снижает pH ткани, что ухудшает мышечную функцию и энергетические пути. По сути, сочетание пирувата с ионами водорода с образованием лактата позволяет мышце продолжать работать дольше, чем обычно. Это показано цифрой 1 на рис. 1-2.
• Белки отличаются от жиров и углеводов тем, что содержат элемент азот, который не участвует в дыхании. Впоследствии его необходимо удалить (дезаминирование), в результате чего образуется аммиак, потенциально опасный для организма (4). Аммиак быстро превращается в мочевину в печени, а затем выводится преимущественно с мочой через почки. Это показано цифрой 6 на рис. 1-2.

Рисунок 1-2: Метаболическая мельница – использование топлива в энергетических путях

На первый взгляд метаболическая мельница выглядит сложной и запутанной, но мы воспользуемся аналогией, с которой мы более знакомы, чтобы лучше понять ее хитросплетения. Давайте начнем с цикла Кребса — это точка, в которой все 3 макроэлемента сходятся в митохондриях. Думайте о цикле Кребса как о баре или ночном клубе, месте, где все хотят встретиться.

• Подумайте о TG, представляющих одиноких женщин, приходящих в велобар Krebs из части города TG. Они приходят одетыми, чтобы танцевать и общаться как ацетил-КоА (соединение, которое входит в цикл Кребса) — расценивайте их подготовку к вечеру как бета-окисление. Это показано цифрой 3 на рис. 1-2. К сожалению, в велобаре Krebs действуют правила только для пар, поэтому всем одиноким дамам для входа нужен партнер. Обычно они рассчитывают встретить одиноких мужчин, которые также собираются в велобаре Кребса из другой части города (например, углеводы). По сути, это означает, что для полного метаболизма жиров в них должны присутствовать углеводы.
• Теперь рассмотрим судьбу углеводов. Как упоминалось ранее, гликолиз производит пируват, который уникален тем, что он может производить либо одиноких женщин (ацетил-КоА), либо одиноких мужчин (оксалоацетат). Это показано цифрой 2 на рис. 1-2. Возвращаясь к нашей аналогии с баром, учитывая, что в TG-части города достаточно одиноких женщин, углеводная часть города обычно обеспечивает одиноких мужчин (т. е. оксалоацетат). В совокупности одинокие женщины из TG-части города присоединяются к одиноким мужчинам из углеводной части города и входят в велобар Curbs.

На протяжении всего нашего существования людям приходилось терпеть периоды голода, когда еды было мало или она отсутствовала. В случае, если наши доступные запасы углеводов истощатся или станут дефицитными (вспомните сегодняшние диеты с ограничением углеводов), мы ограничиваем количество одиноких мужчин, прибывающих из углеводной части города. Это вызывает состояние метаболического выживания, когда организм вынужден адаптироваться, чтобы выжить и не погибнуть.

• Возвращаясь к нашей аналогии с баром, подумайте о том, что бар не получает достаточного количества клиентов из-за нехватки одиноких мужчин из углеводной части города. Пытаясь подстегнуть бизнес, менеджер решает позвонить своему другу, который управляет спортивным баром в белковой части города (рассмотрите бизнес и прибыльность как производство энергии). Он делает два предложения завсегдатаям спортивного бара в стране протеинов: присоединиться к одиноким дамам, чтобы пообщаться в клубе, или тайно пробраться через заднюю дверь, чтобы насладиться специальными напитками (т. е. получить энергию).
• Те, кто хочет пообщаться с одинокими женщинами (глюкогенные аминокислоты), проезжают через углеводную часть города и прибывают как одинокие мужчины. Термин глюкогенный означает создание глюкозы. Другими словами, мы превращаем белки в углеводы, чтобы продолжить метаболизм жиров, и, к сожалению, 99% полезного белка в организме человека составляют живые ткани, называемые мышцами. Это показано цифрой 5 на рис. 1-2 первой части).
• Однако этого преобразования может быть недостаточно для удовлетворения потребностей организма в энергии, поэтому для производства энергии может также потребоваться дополнительный белок. Это представляет тех мужчин в спортивном баре, которые заинтересованы в посещении велобара Krebs, но только для особых напитков (т.е. для получения энергии). Их подбрасывают с черного хода бара и называют кетогенными аминокислотами, поскольку они в основном производят энергию. Однако они также могут производить кетоны, о которых мы поговорим далее. Помните, что эти белки также происходят из мышечной ткани.

Так что же происходит с дополнительными одинокими дамами, скапливающимися у бара, которые не могут войти из-за нехватки одиноких мужчин? Менеджер, следуя городским законам, сообщает этим дамам, что они не могут слоняться без дела вне бара и должны уйти. Чтобы митохондриальное дыхание продолжалось, лишние одинокие женщины (ацетил-КоА) превращаются в кетоны, которые затем могут быть удалены из митохондрий и помещены в кровоток через кровь.

Это показано цифрой 4 на рис. 1-2 в первой части. Кетоны представляют собой соединения, образующиеся в результате неполного метаболизма жиров (и, возможно, кетогенных белков). Двумя основными производимыми кетонами являются ацетоацетон и β-гидроксибутират, которые могут использоваться в качестве топлива почти каждой клеткой организма, за исключением печени и эритроцитов, которым требуется глюкоза (1, 2). Любые кетоны, не используемые организмом, быстро превращаются в ацетон для удаления из организма, потому что кетоны снижают рН крови (ацидоз), что может привести к опасному для жизни состоянию, называемому кетоацидозом, когда они накапливаются в больших количествах. Ацетон — это то же соединение, которое содержится в жидкости для снятия лака с ногтей, и иногда, когда уровень кетонов в крови повышается, в моче, дыхании или поте может ощущаться сладкий «ацетоновый» запах, что указывает на состояние метаболического выживания.

Вывод: все 3 макронутриента незаменимы для производства энергии, но исключение или ограничение углеводов из рациона, особенно на продолжительное время, может изменить наши нормальные метаболические пути, что может иметь серьезные последствия (т. мышечный белок, который, в свою очередь, также замедляет скорость метаболизма в организме).

Использованная литература:

1. Кенни В.Л., Уилмор Х. и Костилл Д.Л. (2015). Физиология спорта и физических упражнений (6^й редактирование). Шампейн, Иллинойс. Кинетика человека.
2. Покари Дж., Брайант С.С. и Комана Ф. (2015). Физиология упражненийFA Davis Company, Филадельфия, Пенсильвания.
3. Юкендруп АЕ. (2002). Регуляция жирового обмена в скелетных мышцах. Анналы Нью-Йоркской академии наук967: 217 – 235.
4. Брукс Г.А. (1987). Аминокислотный и белковый обмен при физической нагрузке и восстановлении. Медицина и наука в спорте и физических упражнениях19: С150-С156.