The Three Metabolic Energy Systems – Caffeine & Iron

February 10, 2019

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Di solito parliamo di energia in termini generali, come in “Non ho molta energia oggi” o “Puoi sentire l’energia nella stanza”. Ma cos’è veramente l’energia? Dove riusciamo a spostare l’energia? Come lo usiamo? Come possiamo ottenere di più? In definitiva, cosa controlla i nostri movimenti? Le tre vie di energia metabolica sono il sistema fosfageno, la glicolisi e il sistema aerobico. Come funzionano e qual è il loro effetto?

Albert Einstein, nella sua infinita saggezza, ha scoperto che l’energia totale di un oggetto è uguale alla massa dell’oggetto moltiplicata per il quadrato della velocità della luce. La sua formula per l’energia atomica, E = mc2, è diventata la formula matematica più riconosciuta al mondo. Secondo la sua equazione, qualsiasi cambiamento nell’energia di un oggetto provoca un cambiamento nella massa di quell’oggetto. Il cambiamento di energia può presentarsi in molte forme, tra cui meccanica, termica, elettromagnetica, chimica, elettrica o nucleare. L’energia è intorno a noi. Le luci della tua casa, un forno a microonde, un telefono, il sole; tutti trasmettono energia. Anche se l’energia solare che riscalda la terra è molto diversa dall’energia utilizzata per salire su una collina, l’energia, come ci dice la prima legge della termodinamica, non può essere né creata né distrutta. È semplicemente cambiato da una forma all’altra. Resintesi ATP

L’energia per tutta l’attività fisica proviene dalla conversione di fosfati ad alta energia (adenosina trifosfato – ATP) in fosfati a bassa energia (adenosina difosfato — ADP; adenosina monofosfato — AMP; e fosfato inorganico, Pi). Durante questa rottura (idrolisi) dell’ATP, che è un processo che richiede acqua, vengono prodotti un protone, energia e calore: ATP + H2O – © ADP + Pi + H + + energia + calore. Dal momento che i nostri muscoli non immagazzinano molto ATP, dobbiamo costantemente ridimensionarli. L’idrolisi e la risintesi dell’ATP sono quindi un processo circolare: l’ATP viene idrolizzato in ADP e Pi, quindi ADP e Pi si combinano per riassestare l’ATP. In alternativa, due molecole di ADP possono combinarsi per produrre ATP e AMP: ADP + ADP – © ATP + AMP.

Come molti altri animali, l’uomo produce ATP attraverso tre vie metaboliche che consistono in molte reazioni chimiche catalizzate da enzimi: il sistema fosfageno, la glicolisi e il sistema aerobico. Quale percorso utilizzano i tuoi clienti per la produzione primaria di ATP dipende da quanto velocemente ne hanno bisogno e da quanto ne hanno bisogno. Il sollevamento di pesi pesanti, ad esempio, richiede energia molto più rapidamente rispetto al jogging sul tapis roulant, rendendo necessaria la dipendenza da diversi sistemi energetici. Tuttavia, la produzione di ATP non viene mai raggiunta dall’uso esclusivo di un sistema energetico, ma piuttosto dalla risposta coordinata di tutti i sistemi energetici che contribuiscono a diversi gradi.1. Sistema fosfageno

Durante attività intense a breve termine, i muscoli devono produrre una grande quantità di energia, creando così una forte domanda di ATP. Il sistema fosfageno (chiamato anche sistema ATP-CP) è il modo più rapido per ridimensionare l’ATP (Robergs & Roberts 1997). La creatina fosfato (CP), che viene immagazzinata nei muscoli scheletrici, dona un fosfato all’ADP per produrre ATP: ADP + CP – © ATP + C. Nessun carboidrato o grasso viene utilizzato in questo processo; la rigenerazione di ATP proviene esclusivamente da CP memorizzato. Dal momento che questo processo non ha bisogno di ossigeno per riassestare l’ATP, è anaerobico o indipendente dall’ossigeno. Come il modo più veloce per risintesare l’ATP, il sistema fosfageno è il sistema energetico predominante utilizzato per un allenamento a 360 ° della durata di circa 10 secondi. Tuttavia, poiché esiste una quantità limitata di CP e ATP immagazzinati nei muscoli scheletrici, la fatica si verifica rapidamente. La glicolisi

La glicolisi è il sistema energetico predominante utilizzato per un esercizio a tutto campo che dura da 30 secondi a circa 2 minuti ed è il secondo modo più veloce per risintesare l’ATP. Durante la glicolisi, il carboidrato – sotto forma di glucosio nel sangue (zucchero) o glicogeno muscolare (la forma immagazzinata di glucosio) – viene scomposto attraverso una serie di reazioni chimiche per formare il piruvato (il glicogeno viene prima scomposto in glucosio attraverso un processo chiamato glicogenolisi). Per ogni molecola di glucosio scomposta in piruvato per glicolisi, vengono prodotte due molecole di ATP utilizzabile (Brooks et al. 2000). Pertanto, attraverso questo percorso viene prodotta pochissima energia, ma il compromesso è che si ottiene l’energia rapidamente. Una volta che si forma il piruvato, ha due destini: conversione in lattato o conversione in una molecola intermedia metabolica chiamata acetil coenzima A (acetil-CoA), che entra nei mitocondri per l’ossidazione e la produzione di più ATP (Robergs & Roberts 1997). La conversione in lattato si verifica quando la domanda di ossigeno è maggiore dell’offerta (cioè durante l’esercizio anaerobico). Al contrario, quando c’è abbastanza ossigeno disponibile per soddisfare le esigenze dei muscoli (cioè durante l’esercizio aerobico), il piruvato (via acetil-CoA) entra nei mitocondri e attraversa il metabolismo aerobico.

Da quando gli esseri umani si sono evoluti per le attività aerobiche (Hochachka, Gunga & Kirsch 1998; Hochachka & Monge 2000), non sorprende che il sistema aerobico, che dipende dall’ossigeno, sia il più complesso dei tre sistemi energetici. Le reazioni metaboliche che si verificano in presenza di ossigeno sono responsabili della maggior parte dell’energia cellulare prodotta dall’organismo. Tuttavia, il metabolismo aerobico è il modo più lento di risintendere l’ATP. L’ossigeno, in quanto patriarca del metabolismo, sa che vale la pena aspettare, poiché controlla il destino della resistenza ed è il sostentamento della vita. “Sono ossigeno”, dice al muscolo, con più di un pizzico di superiorità. “Posso darti un sacco di ATP, ma dovrai aspettare.”

Il sistema aerobico, che include il ciclo di Krebs (chiamato anche ciclo dell’acido citrico o ciclo TCA) e la catena di trasporto degli elettroni, utilizza glucosio nel sangue, glicogeno e grasso come carburanti per risintendere l’ATP nei mitocondri delle cellule muscolari (vedere la barra laterale “Energia Caratteristiche del sistema “). Data la sua posizione, il sistema aerobico è anche chiamato respirazione mitocondriale. Quando si usano carboidrati, glucosio e glicogeno vengono prima metabolizzati attraverso la glicolisi, con il piruvato risultante usato per formare acetil-CoA, che entra nel ciclo di Krebs. Gli elettroni prodotti nel ciclo di Krebs vengono quindi trasportati attraverso la catena di trasporto degli elettroni, dove vengono prodotti ATP e acqua (un processo chiamato fosforilazione ossidativa) (Robergs & Roberts 1997). La completa ossidazione del glucosio tramite glicolisi, il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni produce 36 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio scomposta (Robergs & Roberts 1997). Pertanto, il sistema aerobico produce 18 volte più ATP rispetto alla glicolisi anaerobica da ciascuna molecola di glucosio.

Il grasso, che viene immagazzinato come trigliceride nel tessuto adiposo sotto la pelle e all’interno dei muscoli scheletrici (chiamato trigliceride intramuscolare), è l’altro combustibile principale per il sistema aerobico ed è il più grande deposito di energia nel corpo. Quando si usano grassi, i trigliceridi vengono prima scomposti in acidi grassi liberi e glicerolo (un processo chiamato lipolisi). Gli acidi grassi liberi, che sono composti da una lunga catena di atomi di carbonio, vengono trasportati nei mitocondri muscolari, dove gli atomi di carbonio vengono utilizzati per produrre acetil-CoA (un processo chiamato beta-ossidazione).

Dopo la formazione di acetil-CoA, il metabolismo dei grassi è identico al metabolismo dei carboidrati, con l’acetil-CoA che entra nel ciclo di Krebs e gli elettroni vengono trasportati nella catena di trasporto degli elettroni per formare ATP e acqua. L’ossidazione degli acidi grassi liberi produce molte più molecole di ATP rispetto all’ossidazione del glucosio o del glicogeno. Ad esempio, l’ossidazione del palmitato di acido grasso produce 129 molecole di ATP (Brooks et al. 2000). Non c’è da stupirsi che i clienti possano sostenere un’attività aerobica più a lungo di una anaerobica!

Comprendere come l’energia viene prodotta per l’attività fisica è importante quando si tratta di programmare l’esercizio con la giusta intensità e durata per i propri clienti. Quindi la prossima volta che i tuoi clienti avranno finito con un allenamento e penseranno: “Ho molta energia”, saprai esattamente dove l’hanno preso. Caratteristiche del sistema energetico

Allenamenti del sistema energetico

Fai riscaldare e rinfrescare i clienti prima e dopo ogni allenamento.

Sistema fosfageno

Un allenamento efficace per questo sistema è uno sprint breve e molto veloce sul tapis roulant o sulla bici della durata di 5-15 secondi con 3-5 minuti di riposo tra ciascuno. I lunghi periodi di riposo consentono il completo rifornimento di creatina fosfato nei muscoli in modo che possa essere riutilizzato per l’intervallo successivo.

2 serie da 8 x 5 secondi a velocità massima vicina con riposo passivo 3:00 e riposo 5:00 tra i set
5 x 10 secondi a velocità massima vicina con riposo passivo 3: 00–4: 00

La glicolisi

Questo sistema può essere addestrato utilizzando intervalli veloci della durata da 30 secondi a 2 minuti con un periodo di recupero attivo doppio rispetto al periodo di lavoro (rapporto lavoro-riposo 1: 2).

8-10 x 30 secondi veloci con 1:00 di recupero attivo
4 x 1:30 veloce con recupero attivo 3:00

Sistema Aerobico

Mentre il sistema fosfageno e la glicolisi sono meglio allenati con intervalli, poiché tali sistemi metabolici sono enfatizzati solo durante attività ad alta intensità, il sistema aerobico può essere allenato con esercizi e intervalli continui.

60 minuti al 70% –75% della frequenza cardiaca massima
Allenamento del tempo da 15 a 20 minuti all’intensità della soglia del lattato (circa l’80% -85% della frequenza cardiaca massima)
5 x 3:00 al 95% –100% della frequenza cardiaca massima con 3:00 di recupero attivo

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How you get energy; how you use it.

We usually talk of energy in general terms, as in “I don’t have a lot of energy today” or “You can feel the energy in the room.” But what really is energy? Where do we get the energy to move? How do we use it? How do we get more of it? Ultimately, what controls our movements? The three metabolic energy pathways are the phosphagen system, glycolysis and the aerobic system. How do they work, and what is their effect?

Albert Einstein, in his infinite wisdom, discovered that the total energy of an object is equal to the mass of the object multiplied by the square of the speed of light. His formula for atomic energy, E = mc², has become the most recognized mathematical formula in the world. According to his equation, any change in the energy of an object causes a change in the mass of that object. The change in energy can come in many forms, including mechanical, thermal, electromagnetic, chemical, electrical or nuclear. Energy is all around us. The lights in your home, a microwave, a telephone, the sun; all transmit energy. Even though the solar energy that heats the earth is quite different from the energy used to run up a hill, energy, as the first law of thermodynamics tells us, can be neither created nor destroyed. It is simply changed from one form to another.ATP Resynthesis

The energy for all physical activity comes from the conversion of high-energy phosphates (adenosine triphosphate—ATP) to lower-energy phosphates (adenosine diphosphate—ADP; adenosine monophos- phate—AMP; and inorganic phosphate, P_i). During this breakdown (hydrolysis) of ATP, which is a water-requiring process, a proton, energy and heat are produced: ATP + H₂O —^© ADP + P_i + H⁺ + energy + heat. Since our muscles don’t store much ATP, we must constantly resynthesize it. The hydrolysis and resynthesis of ATP is thus a circular process—ATP is hydrolyzed into ADP and P_i, and then ADP and P_i combine to resynthesize ATP. Alternatively, two ADP molecules can combine to produce ATP and AMP: ADP + ADP —^© ATP + AMP.

Like many other animals, humans produce ATP through three metabolic pathways that consist of many enzyme-catalyzed chemical reactions: the phosphagen system, glycolysis and the aerobic system. Which pathway your clients use for the primary production of ATP depends on how quickly they need it and how much of it they need. Lifting heavy weights, for instance, requires energy much more quickly than jogging on the treadmill, necessitating the reliance on different energy systems. However, the production of ATP is never achieved by the exclusive use of one energy system, but rather by the coordinated response of all energy systems contributing to different degrees.1. Phosphagen System

During short-term, intense activities, a large amount of power needs to be produced by the muscles, creating a high demand for ATP. The phosphagen system (also called the ATP-CP system) is the quickest way to resynthesize ATP (Robergs & Roberts 1997). Creatine phosphate (CP), which is stored in skeletal muscles, donates a phosphate to ADP to produce ATP: ADP + CP —^© ATP + C. No carbohydrate or fat is used in this process; the regeneration of ATP comes solely from stored CP. Since this process does not need oxygen to resynthesize ATP, it is anaerobic, or oxygen-independent. As the fastest way to resynthesize ATP, the phosphagen system is the predominant energy system used for all-out exercise lasting up to about 10 seconds. However, since there is a limited amount of stored CP and ATP in skeletal muscles, fatigue occurs rapidly.2. Glycolysis

Glycolysis is the predominant energy system used for all-out exercise lasting from 30 seconds to about 2 minutes and is the second-fastest way to resynthesize ATP. During glycolysis, carbohydrate—in the form of either blood glucose (sugar) or muscle glycogen (the stored form of glucose)—is broken down through a series of chemical reactions to form pyruvate (glycogen is first broken down into glucose through a process called glycogenolysis). For every molecule of glucose broken down to pyruvate through glycolysis, two molecules of usable ATP are produced (Brooks et al. 2000). Thus, very little energy is produced through this pathway, but the trade-off is that you get the energy quickly. Once pyruvate is formed, it has two fates: conversion to lactate or conversion to a metabolic intermediary molecule called acetyl coenzyme A (acetyl-CoA), which enters the mitochondria for oxidation and the production of more ATP (Robergs & Roberts 1997). Conversion to lactate occurs when the demand for oxygen is greater than the supply (i.e., during anaerobic exercise). Conversely, when there is enough oxygen available to meet the muscles’ needs (i.e., during aerobic exercise), pyruvate (via acetyl-CoA) enters the mitochondria and goes through aerobic metabolism.

When oxygen is not supplied fast enough to meet the muscles’ needs (anaerobic glycolysis), there is an increase in hydrogen ions (which causes the muscle pH to decrease; a condition called acidosis) and other metabolites (ADP, P_i and potassium ions). Acidosis and the accumulation of these other metabolites cause a number of problems inside the muscles, including inhibition of specific enzymes involved in metabolism and muscle contraction, inhibition of the release of calcium (the trigger for muscle contraction) from its storage site in muscles, and interference with the muscles’ electrical charges (Enoka & Stuart 1992; Glaister 2005; McLester 1997). As a result of these changes, muscles lose their ability to contract effectively, and muscle force production and exercise intensity ultimately decrease.3. Aerobic System

Since humans evolved for aerobic activities (Hochachka, Gunga & Kirsch 1998; Hochachka & Monge 2000), it’s not surprising that the aerobic system, which is dependent on oxygen, is the most complex of the three energy systems. The metabolic reactions that take place in the presence of oxygen are responsible for most of the cellular energy produced by the body. However, aerobic metabolism is the slowest way to resynthesize ATP. Oxygen, as the patriarch of metabolism, knows that it is worth the wait, as it controls the fate of endurance and is the sustenance of life. “I’m oxygen,” it says to the muscle, with more than a hint of superiority. “I can give you a lot of ATP, but you will have to wait for it.”

The aerobic system—which includes the Krebs cycle (also called the citric acid cycle or TCA cycle) and the electron transport chain—uses blood glucose, glycogen and fat as fuels to resynthesize ATP in the mitochondria of muscle cells (see the sidebar “Energy System Characteristics”). Given its location, the aerobic system is also called mitochondrial respiration. When using carbohydrate, glucose and glycogen are first metabolized through glycolysis, with the resulting pyruvate used to form acetyl-CoA, which enters the Krebs cycle. The electrons produced in the Krebs cycle are then transported through the electron transport chain, where ATP and water are produced (a process called oxidative phosphorylation) (Robergs & Roberts 1997). Complete oxidation of glucose via glycolysis, the Krebs cycle and the electron transport chain produces 36 molecules of ATP for every molecule of glucose broken down (Robergs & Roberts 1997). Thus, the aerobic system produces 18 times more ATP than does anaerobic glycolysis from each glucose molecule.

Fat, which is stored as triglyceride in adipose tissue underneath the skin and within skeletal muscles (called intramuscular triglyceride), is the other major fuel for the aerobic system, and is the largest store of energy in the body. When using fat, triglycerides are first broken down into free fatty acids and glycerol (a process called lipolysis). The free fatty acids, which are composed of a long chain of carbon atoms, are transported to the muscle mitochondria, where the carbon atoms are used to produce acetyl-CoA (a process called beta-oxidation).

Following acetyl-CoA formation, fat metabolism is identical to carbohydrate metabolism, with acetyl-CoA entering the Krebs cycle and the electrons being transported to the electron transport chain to form ATP and water. The oxidation of free fatty acids yields many more ATP molecules than the oxidation of glucose or glycogen. For example, the oxidation of the fatty acid palmitate produces 129 molecules of ATP (Brooks et al. 2000). No wonder clients can sustain an aerobic activity longer than an anaerobic one!

Understanding how energy is produced for physical activity is important when it comes to programming exercise at the proper intensity and duration for your clients. So the next time your clients get done with a workout and think, “I have a lot of energy,” you’ll know exactly where they got it.Energy System Characteristics

Energy System Workouts

Have clients warm up and cool down before and after each workout.

Phosphagen System

An effective workout for this system is short, very fast sprints on the treadmill or bike lasting 5–15 seconds with 3–5 minutes of rest between each. The long rest periods allow for complete replenishment of creatine phosphate in the muscles so it can be reused for the next interval.

2 sets of 8 x 5 seconds at close to top speed with 3:00 passive rest and 5:00 rest between sets
5 x 10 seconds at close to top speed with 3:00–4:00 passive rest

Glycolysis

This system can be trained using fast intervals lasting 30 seconds to 2 minutes with an active-recovery period twice as long as the work period (1:2 work-to-rest ratio).

8–10 x 30 seconds fast with 1:00 active recovery
4 x 1:30 fast with 3:00 active recovery

Aerobic System

While the phosphagen system and glycolysis are best trained with intervals, because those metabolic systems are emphasized only during high-intensity activities, the aerobic system can be trained with both continuous exercise and intervals.

60 minutes at 70%–75% maximum heart rate
15- to 20-minute tempo workout at lactate threshold intensity (about 80%–85% maximum heart rate)
5 x 3:00 at 95%–100% maximum heart rate with 3:00 active recovery

References

Brooks, G.A., et al. 2000. Exercise Physiology: Human Bioenergetics and Its Applications.Mountain View, CA: Mayfield.

Enoka, R.M., & Stuart, D.G. 1992. Neurobiology of muscle fatigue. Journal of Applied Physiology, 72 (5), 1631–48.

Glaister, M. 2005. Multiple sprint work: Physiological responses, mechanisms of fatigue and the influence of aerobic fitness. Sports Medicine, 35 (9), 757–77.

Hochachka, P.W., Gunga, H.C., & Kirsch, K. 1998. Our ancestral physiological phenotype: An adaptation for hypoxia tolerance and for endurance performance? Proceedings of the National Academy of Sciences, 95, 1915–20.

Hochachka, P.W., & Monge, C. 2000. Evolution of human hypoxia tolerance physiology. Advances in Experimental and Medical Biology, 475, 25–43.

McLester, J.R. 1997. Muscle contraction and fatigue: The role of adenosine 5′-diphosphate and inorganic phosphate. Sports Medicine, 23 (5), 287–305.

Robergs, R.A. & Roberts, S.O. 1997. Exercise Physiology: Exercise, Performance, and Clinical Applications. Boston: William C. Brown.

Jason Karp, Phd, The three metabolic energy systems, 2009