Systemy energetyczne człowieka

Zrozumienie zasad, w oparciu o które działają nasze systemy energetyczne jest kluczowe dla właściwego programowania treningów tak wytrzymałościowych, jak i siłowych. Ten artykuł pomoże Ci zrozumieć zasady ich działania, pomoże rozpoznać sytuacje w których pracuje konkretny system energetyczny. Znajdziesz tu także przykłady sposobów, w jaki możemy trenować dany system energetyczny zarówno w treningu na siłowni, jak i plenerze.

Wprowadzenie do systemów energetycznych

Energia jest potrzebna do wszelkiego rodzaju procesów w naszym organizmie, zaczynając od tych najbardziej elementarnych – jak transport substancji odżywczych, czy naprawa uszkodzonych tkanek, po wprawianie naszego ciała w ruch poprzez wywoływanie skurczów mięśni. To właśnie na tym ostatnim obszarze się skupimy w poniższym artykule.

Niezależnie od tego, czy jedziemy w wyścigu kolarskim, przebiegamy maraton, gramy w Squasha czy podnosimy ciężary, mięśnie szkieletowe naszego ciała są zasilane jednym i tylko jednym związkiem… trifosforanem adenozyny (ATP). Nasze ciało przechowuje tylko niewielką ilość tej „waluty energetycznej” w komórkach, a jej ilość wystarczy zaledwie na kilka sekund maksymalnego wysiłku, stąd nasz organizm musi na bieżąco odtwarzać jego zasoby. I właśnie o tym, czyli o sposobach, w jaki nasze ciało odbudowuje zasoby ATP jest ten artykuł.

Jak nasze ciało korzysta z ATP?

Cząsteczka ATP składa się z adenozyny i trzech (tri) nieorganicznych grup fosforanowych (Adenosine TriPhosphate). Kiedy cząsteczka ATP jest łączona z wodą (proces zwany hydrolizą), ostatnia grupa fosforanowa oddziela się i uwalnia energię. Cząsteczka trifosforanu adenozyny staje się teraz difosforanem adenozyny lub ADP (Adenosine DiPhosphate).

Aby uzupełnić ograniczone zapasy ATP, reakcje chemiczne dodają grupę fosforanową z powrotem do ADP, aby wytworzyć ATP. Ten proces nazywa się fosforylacją. Jeśli ma to miejsce w obecności tlenu, określa się to jako metabolizm tlenowy lub fosforylację oksydacyjną. Jeśli występuje bez tlenu, jest określany jako metabolizm beztlenowy.

Źródła, z których nasze ciało może odtworzyć ATP

Nasze ciało ma do wyboru cztery źródła, z których może korzystać do odtwarzania ATP: Fosfokreatynę, węglowodany, tłuszcz oraz białka. Co ważne, w trakcie pracy nasz organizm może korzystać z kilku źródeł równocześnie.

Fosfokreatyna

Fosforan kreatyny jest najłatwiej dostępny dla komórek i najszybciej wytwarza ATP. Niestety występuje w ograniczonych stężeniach i szacuje się, że w organizmie, głównie w mięśniach, znajduje się tylko około 100g ATP i około 120g fosfokreatyny.

Glikogen i Węglowodany

Węglowodany, w odróżnieniu od tłuszczu, nie są gromadzone w depozytach obwodowych w całym ciele. W spoczynku węglowodany są pobierane przez mięśnie i wątrobę i przekształcane w glikogen. Glikogen może być wykorzystany do tworzenia ATP, a w wątrobie może zostać przekształcony w glukozę i transportowany do mięśni przez krew. Ciężka sesja treningowa może wyczerpać zapasy węglowodanów w mięśniach i wątrobie, podobnie jak ograniczenie spożycia w diecie. Węglowodany mogą uwalniać energię znacznie szybciej niż tłuszcz.

Tłuszcz

Tłuszcz jest magazynowany głównie jako tkanka tłuszczowa w całym ciele i jest znaczącym rezerwuarem energii. Tłuszcz jest mniej dostępny dla metabolizmu komórkowego aniżeli węglowodany, ponieważ najpierw musi zostać zredukowany ze złożonej postaci, triglicerydów, do prostszych składników glicerolu i wolnych kwasów tłuszczowych. To sprawia, że choć w ciele mamy najwięcej energii zapasowej przechowywanej w postaci tłuszczu, to źródło nie nadaje się jako paliwo do sportów o wysokiej intensywności.

Białko

Białko także jest wykorzystywane jako źródło energii, szczególnie podczas długotrwałej aktywności, jednak najpierw musi zostać rozłożone na aminokwasy, zanim zostanie przekształcone w glukozę. Podobnie jak w przypadku tłuszczu, białko nie może dostarczać energii w takim samym tempie jak węglowodany.

Rodzaje systemów energetycznych

Podstawowy podział systemów energetycznych dzieli je na systemy beztlenowe oraz tlenowe (aerobowe), jednak do uzyskania pełnego obrazu, musimy wyszczególnić trzy rodzaje systemów energetycznych człowieka.

System Fosfagenowy (ATP-Pcr)

Ten beztlenowy system energetyczny opiera się na 3 reakcjach chemicznych:

• Rozpadzie ATP do ADP i cząsteczki P
• Rozpadzie ADP i fosfokreatyny
• Rozpadzie ADP do adenozyno monofosforanu (AMP) i cząsteczki P

System ten opiera się w dużej mierze zapasach fosfokreatyny przechowywanych w naszych mięśniach, których nie jest zbyt wiele. System fosfagenowy wytwarza energię przede wszystkim dla wszystkich sportów krótkotrwałych (do 8 do 10-12 sekund), w których dominującymi umiejętnościami są szybkość i siła. Wysiłek oparty o system fosfagenowy pozwala wygenerować nawet 800W mocy z każdego kilograma masy mięśniowej, to jest ponad 2x więcej niż w systemie glikolitycznym i 4x więcej niż w systemie tlenowym. Odbudowanie zapasów w tym systemie energetycznym nie zabiera wiele czasu: w ciągu 30 sekund system odzyskuje 70% zapasów, a odzyskanie 100% zajmuje nie więcej niż 3 do 5 minut.

Sporty z dominacją systemu fosfagenowego obejmują krótkie sprinty, rzuty i skoki w lekkoatletyce, skoki narciarskie, wspinaczkę szybką, skoki w gimnastyce i podnoszenie ciężarów. Ruchy w tych sportach są wybuchowe, krótkotrwałe i wymagają dużych obciążeń; innymi słowy, wymagają maksymalnej siły i mocy.

System glikolityczny

Drugi z beztlenowych systemów energetycznych, glikolityczny, polega na zapasach glukozy zgromadzonej w mięśniach i glikogenie zgromadzonym w wątrobie. System glikolityczny jest źródłem energii dla intensywnych aktywności sportowych o dłuższym czasie trwania (15 do 120 sekund). Wśród sportów, w których dominuje system glikolityczny znajdziemy biegi na 200 i 400, 800 metrów w lekkoatletyce, pływanie na dystansach 50-200 metrów, kolarstwo torowe i łyżwiarstwo szybkie na 500 i 1000 metrów, a także w gimnastyce.

Warto dodać, że w tym systemie wyróżniamy dwa szlaki energetyczne:

• Szybka glikoliza – proces zachodzący między 15-20 a 60 sekundą trwania bardzo intensywnego wysiłku. Jej efektem jest powstanie kwasu mlekowego, który po konwersji na mleczany zostaje wykorzystany jako źródło energii. Tempo przekształcania kwasu mleczanowego spada wraz z długością wysiłku, a jego nadmierne nagromadzenie uniemożliwia kontynuowanie wysiłku
• Wolna glikoliza – proces pojawiający się w wyniku obniżenia intensywności wysiłku i poprawy możliwości organizmu do buforowania kwasu mlekowego, który po z metabolizowaniu do mleczanu bierze udział w wytworzeniu kwasu pirogronowego. To właśnie ten ostatni kwas zostaje wykorzystany do resyntezy ATP

Czas regeneracji w przypadku tego systemu energetycznego zależy od intensywności i długości wysiłku, jaki podjęliśmy, i wynikającego z tego stężenia kwasu mlekowego. Jeśli nie wykonywaliśmy pracy “do odmowy”, do odzyskania większości sił powinno nam wystarczyć 3-6 krotność długości wykonywanej pracy (np. 30 sekund pracy o wysokiej intensywności – odzyskanie sił powinno zająć od 90 do 180 sekund), ale pełna regeneracja po maksymalnym wysiłku może zająć nawet powyżej godziny.

System tlenowy

Trzeci z systemów energetycznych wykorzystuje tlen do resyntezy ATP. Podobnie jak i system glikolityczny, system tlenowy może wykorzystywać glikogen do produkcji ATP, jednak w tym systemie nie powstaje kwas mlekowy. Poza glikogenem system ten może wykorzystywać tłuszcze i białka do odbudowywania ATP, co oznacza że zapewnia wystarczającą ilość paliwa do każdego możliwego rodzaju wysiłku. To właśnie system tlenowy jest głównym źródłem energii w wysiłkach trwającym powyżej 2 minut, takich jak bieganie na średnich i długich dystansach, kolarstwo szosowe czy MTB i inne aktywności aerobowe o względnie stałej intensywności.

Co jednak w przypadku, gdy sport który uprawiamy łączy w sobie chwile wysiłku o niskiej intensywności z momentami o bardzo wysokiej intensywności, takie jak np. piłka nożna, siatkówka czy koszykówka? W takich momentach mówimy o współdziałaniu systemów energetycznych, czyli sytuacji w której w dostarczaniu energii dla naszego organizmu uczestniczą wszystkie wspomniane systemy. To zresztą dosyć typowa sytuacja dla naszego ciała – znacznie częstsza, niż praca wyłącznie jednego wybranego systemu energetycznego.

Współdziałanie systemów energetycznych w praktyce

W trakcie uprawiania sportów, w których po fazie intensywnej aktywności następuje chwila odpoczynku lub względnego odpoczynku dochodzi do regeneracji zasobów koniecznych do działania systemu fosfagenowego i glikolitycznego. Wbrew pozorom, w większości sportów takich chwil odpoczynku jest aż nadto – koszykówka, tenis, siatkówka czy squash w dużej mierze (nawet 60-80%!) bazują na systemie fosfagenowym. System, który wg teorii powinien wystarczyć nam na wyłącznie na kilka sekund pracy ze względu na charakterystykę tych sportów, umożliwiającą ciągłe odnawianie zapasów fosfokreatyny w trakcie krótkich przerw występujących w trakcie meczów, odpowiada za dostarczenie przeważającej części energii.

Aby zrozumieć to, jaki będzie udział danego systemu energetycznego najlepiej zarejestrować na wideo to co robimy my lub nasi zawodnicy podczas meczu czy innej aktywności. Później przeanalizować faktyczny czas pracy na wysokiej / średniej intensywności, policzyć czas przerw i na tej podstawie stworzyć tabelę, która pomoże nam później w ułożeniu planu treningowego.

Warto pamiętać o płynnym przenikaniu się systemów energetycznych – przykładowo, w przypadku gry w squasha, w krótkiej akcji zakończonej punktem bez przyjęcia przeciwnika zostanie wykorzystany system fosfagenowy. Przerwa do kolejnego serwu powinna wystarczyć na jego odbudowanie, ale co jeśli akcja nie pójdzie po naszej myśli, i zamiast “krótkiej piłki” będzie kilkudziesięciosekundowa wymiana piłek?

W takiej sytuacji organizm po wyczerpaniu zapasów z systemu fosfagenowego skorzysta z szybkiej glikolizy, procesu prowadzącego do postępującego zakwaszania mięśni.

Tutaj dochodzimy do kolejnego systemu energetycznego – tlenowego – który może stanowić cenne wsparcie dla systemu glikolitycznego. Wyniki badań pokazują korelację między wysokim poziomem VO₂Max a zapasami zgromadzonego glikogenu w mięśniach i ekonomizacją jego użycia u sportowców. Warto przy ty zwrócić uwagę, że pomijając sporty faktycznie bazujące wyłącznie na przemianach tlenowych, przypuszcza się że osiągnięcie poziomu VO₂Max na poziomie około 65 ml·kg·min^-1 jest w zupełności wystarczające do zapewnienia maksymalnego wsparcia dla systemów energetycznych wykorzystywanych w aktywnościach o wysokiej intensywności^[1]

Jak trenować odpowiednie systemy energetyczne?

Aby dobrze kształtować systemy energetyczne, po uprzedniej analizie, powinniśmy dobrać odpowiednie metody pracy. Zależy nam przede wszystkim na zachowaniu odpowiednich proporcji czasu pracy do przerwy, i tak:

• do kształtowania systemu fosfagenowego powinniśmy stosować stosunek czasu pracy do czasu przerwy na poziomie od 1:12 do 1:25
• do kształtowania systemu glikolitycznego powinniśmy zachowywać stosunek pracy do przerwy na poziomie od 1:3 do 1:5
• do kształtowania systemu tlenowego powinniśmy zachować stosunek pracy do przerwy na poziomie 1:1 do 1:3

Alternatywnie, możemy skorzystać z proponowanego przez Tudora Bompę podziału na 6 stref intensywności. Bompa proponuje zastosowanie następujących interwałów pracy:

Jak widać mamy tutaj do czynienia z innymi schematami interwałów, co nie znaczy że ten model pracy nie jest skuteczny – pochodzi w końcu od jednego z najbardziej uznanych autorów książek o periodyzacji treningowej ^[2]