Metabolizam olimpijskog prvaka

Mediji i prije svega fitness industrija od ovog su područja napravili pravu „znanstvenu granu”, u čijem se istraživanju možemo vrlo brzo izgubiti. No u osnovi nema ničega tako složenog ako poznajemo malo fizike, kemije i biologije. Brzina, trajanje i postignuće u nekoj sportskoj disciplini ovise o sposobnosti proizvodnje kemijske energije u (mišićnim) stanicama i učinkovitosti pretvorbe te kemijske energije u mehanički rad koji mišić obavlja. Rad koji naši mišići obave u nekom vremenskom segmentu nazivamo mišićnom snagom, čija normalizirana vrijednost s obzirom na tjelesnu masu predstavlja tzv. specifičnu snagu. Nju, prije svega ljubitelji biciklizma te i automobila, vrlo dobro poznajete kao mjerilo učinkovitosti. Poslovica kaže da novcem ne možemo kupiti sreću, ali naravno možemo kupiti automobil s boljim motorom i time utjecati na to koliko brzo i daleko ćemo se moći voziti. U sportu, nažalost ili nasreću, to ne možemo učiniti. No primjerenim treningom možemo izgraditi našu staničnu »mašineriju« tako da naši mišići imaju na raspolaganju dovoljno energije koju mogu izravno i što učinkovitije upotrijebiti za rad i time poboljšati učinkovitost. To je vrlo težak proces koji zahtijeva mnogo truda i napora, stoga je jedna od čari sporta upravo ta da nam omogućuje nadmašivanje samih sebe. Sportska je učinkovitost tako proizvod složenih interakcija između bioloških/biokemijskih sustava te naravno i mentalnih i okolišnih čimbenika. U seriji članaka pokušat ću vam, dragi čitatelji i čitateljice, ilustrirati kakvu ulogu ima prehrana u životu vrhunskog sportaša.

Energija se ne stvara ni iz čega

Kako bi naši mišići mogli obavljati rad, potrebna im je energija u obliku koji je stanici upotrebljiv. Da bi naše stanice mogle iskorištavati energiju, potrebni su im supstrati odnosno hrana, jer ni tako složen sustav kao što je ljudsko tijelo ne može energiju stvoriti ni iz čega. U hrani se u većim molekulama koje nazivamo makronutrijentima (masti, ugljikohidrati, bjelančevine) uz pomoć enzima cijepaju slabe kemijske veze između atoma ugljika, kisika, dušika, sumpora te fosfora i nastaju manje, stabilnije molekule, pri čemu se oslobađa energija koja se pohranjuje u fosfoanhidridnoj vezi u molekuli adenozin trifosfata (ATP). U tim procesima ključnu ulogu imaju i mikronutrijenti, koji igraju ulogu kofaktora enzimski kataliziranih biokemijskih putova te istodobno omogućuju robustan obrambeni sustav. Ulogu kofaktora obavljaju vitamini i minerali, a organizam ih također dobiva iz hrane i tekućina. Uz energiju naši mišići trebaju i građevni materijal (aminokiseline) iz kojeg grade nove, veće i složenije strukture.

U stanicama je energija pohranjena u obliku potencijalne energije u molekuli adenozin trifosfata (ATP). ATP čini organska dušična baza adenin, na koju su preko šećera riboze vezane tri fosfatne skupine u dvije tzv. fosfoanhidridne veze.

Terminalna (treća) fosfatna skupina u molekuli slabo je vezana jer se elektroni odnosno negativni naboji na atomima kisika »odbijaju«. Takva je molekula zbog zakona termodinamike nestabilna i ima veliku težnju raspasti se na molekule koje imaju nižu energiju i termodinamički su stabilnije. Kad se jedna fosfatna skupina u procesu hidrolize odcijepi, oslobađa se energija koju stanica zatim može upotrijebiti za rad, npr. mišićna stanica za kontrakciju. Potencijalna energija iz ATP-a pretvara se u kinetičku, a mali dio se oslobađa u obliku topline. Tako se ukupna energija svemira održava, a neuređenost povećava, čime zadovoljavamo 1. i 2. zakon termodinamike. Odcjepljivanjem jedne fosfatne skupine iz ATP-a nastaje adenozin difosfat (ADP), koji je stabilnija molekula, a pritom se oslobađa 30,5 kJ/mol energije. Ako to preračunamo u jedinice koje su nam u svijetu prehrane poznatije, dakle kilokalorije, dobivamo 7,3 kcal/mol.

Te »kalorije« predstavljaju slobodnu energiju koju naši mišići mogu upotrebljavati. Kako bi mišićnu kontrakciju mogli izvoditi brže i generirati veću silu u kraćem vremenu te kako bi dulje vrijeme s određenim intenzitetom mogli obavljati rad. Naše tijelo dakle ne »sagorijeva« kalorije, već ih upotrebljava za pretvorbu u različite oblike drugih energija, a mišićne stanice prije svega za mehanički rad. Kada naši mišići imaju na raspolaganju više energije, možemo trčati dulje i brže, skočiti više i pomicati teže predmete. Kažemo da smo brži, izdržljiviji i eksplozivniji te i snažniji. Ako volimo kemijsko računanje i poznajemo jedinicu za množinu tvari (mol) i pojam molarne mase, možemo utvrditi da prosječan čovjek svaki dan mora proizvesti i pretvoriti otprilike jednom do dvaput toliko kilograma ATP-a koliko iznosi njegova tjelesna masa, kako bi svoje tijelo opskrbio dovoljnom količinom energije (kalorija). Vrhunski sportaši, primjerice Tadej Pogačar i Primož Roglič na Tour de Franceu ili pak Jan Frodeno na Ironmanu, trebaju čak i do 600 kilograma ili više ATP-a na dan kako bi zadovoljili sve energetske potrebe tijela.

Raspoloživost molekule ATP-a od kritične je važnosti za sposobnost skeletnog mišića da pokrene kontrakciju bez obzira na to traje li aktivnost nekoliko stotinki sekunde, nekoliko minuta ili pak čak i više sati, kao primjerice u maratonu. No za optimalno djelovanje naših mišića nije važna samo energetski bogata molekula ATP-a. Da bi došlo do mišićne kontrakcije, potreban je prijenos signala iz moždane kore preko živčanog sustava do živčano-mišićnog spoja odnosno motoričkih ploča, gdje se u sinaptičku pukotinu oslobađa neurotransmiter acetilkolin. On nakon vezanja na receptore mišićnih stanica aktivira ionske kanaliće preko kojih u stanicu ulazi natrij i uzrokuje depolarizaciju stanične membrane. Kada taj tzv. ekscitatorni postsinaptički membranski potencijal prijeđe određenu vrijednost (prag), nastaje akcijski potencijal koji putuje po T-tubulima u unutrašnjost mišićnog vlakna i aktivira oslobađanje kalcijevih iona, a oni vezanjem na C-podjedinicu troponina i inhibicijom I-podjedinice troponina te odmicanjem tropomiozina omogućuju vezanje miozinskih glavica s aktinskim filamentima. Nastaje tzv. poprečni mostić, na miozinske glavice vežu se molekule ATP-a koje se pod utjecajem enzima miozinske ATPaze hidroliziraju i oslobađa se energija. Oslobođena energija omogućuje konformacijske promjene miozinskih glavica i odvajanje od aktinskih filamenata, što omogućuje kontrakciju mišića u skladu s tzv. teorijom kliznih filamenata. Mišićna kontrakcija traje dok je prisutan kalcij koji inhibira tropomiozin. Kada kalcijeve crpke transportiraju kalcij natrag u organele zvane sarkoplazmatski retikulum, dolazi do relaksacije mišića. Mišićna se vlakna podražuju za kontrakciju kada se acetilkolin oslobodi iz motoričkih neurona u sinaptičku pukotinu i veže na receptore. Enzim acetilkolinesteraza razgrađuje taj neurotransmiter na kolin, koji se veže u presinaptičke neurone i može se ponovno pretvoriti natrag u acetilkolin te se ponovno veže na receptore kada dobije novi impuls. Ako tog impulsa nema, ionski kanalići kroz koje prolaze natrijevi ioni zatvaraju se i stanična se membrana repolarizira, a mišić se opušta. Naravno, tijekom čitanja ovoga vjerojatno vam se postavilo logično pitanje – kakve »zaboga« veze imaju ti mehanizmi i moje naklapanje s prehranom i sportskom učinkovitošću?

Osnovni građevni element neurotransmitera acetilkolina jest molekula kolina, koju naše tijelo doduše u malim količinama može proizvesti samo, no krajem 20. stoljeća uvrstili su je među esencijalne tvari. Za one nešto radoznalije čitatelje – kolin je potreban i za stvaranje fosfatidilkolina, koji je osnovni građevni element staničnih membrana i VLDL lipoproteina koji omogućuju izvoz triglicerida iz jetre, a djeluje i kao donor metilnih skupina i na taj način omogućuje pretvorbu homocisteina u metionin, čime se smanjuje rizik od nastanka kardiovaskularnih komplikacija. Nalazimo ga prije svega u jajčanom žumanjku i jetri te i drugim proizvodima životinjskog podrijetla, u oksidiranom obliku pa i u hrani biljnog podrijetla kao betain. Da bi se stanična membrana depolarizirala, potrebna je energija u obliku ATP-a, a uz to i elektroliti kao što su natrij, kalij i klorid te kalcij. Da bi se aktinske i miozinske bjelančevinske strukture povezale, potreban je mineral kalcij. Transport kalcija natrag u sarkoplazmatski retikulum energetski je zahtjevan proces i zahtijeva energetski bogate molekule ATP-a za djelovanje enzima ATPaze. Odmicanje poprečnog mostića i konformacijske promjene miozinske glavice, koje omogućuju mišićnu kontrakciju, zahtijevaju energiju koja se oslobađa hidrolizom ATP-a. Uz to, ekspresija enzima acetilkolinesteraze i acetilkolinskih receptora stimulirana je preko molekula ATP-a. Naposljetku, kako bi naše stanice mogle iskoristiti energiju iz molekula ATP-a, nužno trebaju magnezij koji s ATP-om tvori kompleks i aktivira ga. I kao što ćemo saznati u sljedećim sadržajima, za stvaranje ATP-a je uz supstrate (makronutrijente) potreban naravno i kisik pa tako i željezo, koje omogućuje transport kisika do tkiva. Uz to i gotovo svi B vitamini kao što su tiamin, riboflavin, nikotinamid, pantotenska kiselina, piridoksin, biotin te i folat i kobalamin. Oni su kofaktori različitih enzimskih kompleksa koji su uključeni u tzv. fosforilaciju na razini supstrata ili pak oksidativnu fosforilaciju, uz pomoć koje naše stanice dobivaju upotrebljivu energiju iz hrane. U procesu elektronskog transportnog lanca i tzv. redoks reakcija u stanici važni su i drugi minerali kao što su cink, mangan i bakar te vitamin E, koji pružaju antioksidativnu zaštitu, dok vitamini A, D i K2 zajedno s esencijalnim masnim kiselinama imaju važnu ulogu u epigenetskoj kontroli metaboličkih procesa, anaboličkim procesima, imunomodulaciji te i u regeneraciji. 

Kao što vidite, prehrana ima izravnu ulogu u sportskoj učinkovitosti i postizanju vrhunskih rezultata, stoga je za sportaša iznimno važna komponenta u svakodnevnom životu. Naravno, moramo biti svjesni činjenice da ni optimalna prehrana neće pomoći prosječnom sportašu da postigne vrhunske rezultate, no vrijedi i obrnuto: loša prehrana može vrhunskog sportaša učiniti prosječnim i nekompetentnim. 

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