Ενεργειακά συστήματα

Ενεργειακές πηγές και άσκηση

Η ενέργεια παρέχει στον αθλητή την ικανότητα να εκτελεί εργασία.
Η εργασία είναι η εφαρμογή δύναμης, δηλαδή η συμβολή των μυών να εφαρμόζουν δύναμη ενάντια σε μια αντίσταση.
Η ενέργεια αποτελεί προϋπόθεση για την εκτέλεση της σωματικής εργασίας κατά τη διάρκεια της προπόνησης και των αγώνων.
Η ενέργεια εξάγεται από τη μετατροπή των τροφίμων στα επίπεδα μυϊκών κυττάρων σε μια ένωση υψηλής ενέργειας, γνωστή ως τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), η οποία στη συνέχεια αποθηκεύεται στο μυϊκό κύτταρο.
Το ATP, όπως υποδηλώνει το όνομά του, αποτελείται από ένα μόριο αδενοσίνης και τρία μόρια φωσφόρου.

Η ενέργεια που απαιτείται για τη μυϊκή σύσπαση απελευθερώνεται με τη μετατροπή της υψηλής ενέργειας ΑΤΡ σε ADP + Pi (διφωσφορική αδενοσίνη + ανόργανο φωσφορικό άλας).
Καθώς διασπάται ένας δεσμός φωσφορικού, εξαιτίας της διάσπασης ADP και Pi, απελευθερώνεται ενέργεια.
Η ποσότητα του ATP που αποθηκεύεται στους μύες είναι περιορισμένη, οπότε το σώμα πρέπει συνεχώς να αναπληρώνει τις αποθήκες ATP για να συνεχίσει τη σωματική άσκηση. Το σώμα μπορεί να αναπληρώσει τα αποθέματα ATP από οποιοδήποτε από τα τρία ενεργειακά συστήματα, ανάλογα τον τύπο σωματικής δραστηριότητας: το σύστημα φωσφαγόνων (ATP-PC), το γλυκολυτικό και το οξειδωτικό σύστημα.

Φωσφαγόνο σύστημα (αναερόβιο γαλακτικό)

Το πρωτεύον αναερόβιο ενεργειακό σύστημα είναι το σύστημα φωσφαγόνων (ATP-PC).
Το σύστημα φωσφαγόνων περιέχει τρεις βασικές αντιδράσεις που χρησιμοποιούνται στην επεξεργασία του ΑΤΡ.

Η πρώτη αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα την διάσπαση του ΑΤΡ σε διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και Pi, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενέργειας.
Επειδή ο σκελετικός μυς έχει περιορισμένα αποθέματα ΑΤΡ, απαιτούνται περαιτέρω αντιδράσεις για τη διατήρηση της διαθεσιμότητας του ΑΤΡ.

Η δεύτερη αντίδραση χρησιμοποιείται για την επανασύνθεση του ΑΤΡ από ADP και φωσφοκρεατίνη (φωσφορική κρεατίνη ή PCr).
Σε αυτό το σενάριο απομακρύνεται ένα φωσφορικό από τη PCr, σχηματίζοντας Pi και κρεατίνη (C). Το Pi που σχηματίζεται από αυτή τη διαδικασία προστίθεται στη συνέχεια στο ADP και σχηματίζεται ένα μόριο ΑΤΡ.
Η τελική αντίδραση που μπορεί να συμβεί διασπάει το ADP σε μονοφωσφορική αδενοσίνη και Pi, μετά την οποία το Pi μπορεί πάλι να προστεθεί σε ADΡ, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ΑΤΡ.

Επειδή ο σκελετικός μυς μπορεί να αποθηκεύσει μόνο μια μικρή ποσότητα ΑΤΡ, η μείωση της ενέργειας συμβαίνει σε μόλις 10 δευτερόλεπτα εργασίας υψηλής έντασης, ενώ η PCr μπορεί να μειωθεί κατά 50% έως 70% των αρχικών τιμών σε μόλις 5 δευτερόλεπτα άσκησης υψηλής έντασης και μπορεί να εξαντληθεί σχεδόν εξ ολοκλήρου ως αποτέλεσμα της έντονης εξαντλητικής άσκησης .

Είναι ενδιαφέρον ότι η υψηλότερη συμβολή στην παραγωγή ATP από την PCr, συμβαίνει στα πρώτα 2 δευτερόλεπτα από την έναρξη της άσκησης, ενώ στα 10 δευτερόλεπτα άσκησης, η ικανότητα της PCr να προμηθεύει ATP μειώνεται κατά 50% και στα 30 δευτερόλεπτα άσκησης. η PCr συμβάλλει πολύ λίγο στην παροχή του ΑΤΡ.
Σε περίπου 10 δευτερόλεπτα, η συμβολή του γλυκολυτικού συστήματος στην παροχή ΑΤΡ αρχίζει να αυξάνεται.

Το σύστημα φωσφαγόνων φαίνεται να είναι η πρωταρχική πηγή ενέργειας για εξαιρετικά υψηλής έντασης δραστηριότητες, όπως τα σπριντ, την άρση βαρών, τα άλματα, τις ρίψεις κ.α.

Η αναπλήρωση των αποθηκών φωσφαγόνου είναι συνήθως μια ταχεία διαδικασία, με το 70% της αποκατάστασης του ΑΤΡ να εμφανίζεται σε περίπου 30 δευτερόλεπτα και πλήρη αποκατάσταση να λαμβάνει χώρα εντός 3 έως 5 λεπτών μετά την άσκηση.

Η αποκατάσταση της PCr διαρκεί περισσότερο, με 2 λεπτά για επαναφορά 84%, 4 λεπτά για 89% αποκατάσταση και 8 λεπτά για πλήρη αποκατάσταση. Η αποκατάσταση των φωσφογόνων εμφανίζεται κυρίως μέσω του αερόβιου μεταβολισμού.
Ωστόσο, το γλυκολυτικό σύστημα μπορεί επίσης να συμβάλει στην αποκατάσταση της συγκέντρωσης φωσφαγόνου μετά από άσκηση υψηλής έντασης.

Γλυκολυτικό σύστημα (αναερόβιο γαλακτικό)

Το δεύτερο αναερόβιο ενεργειακό σύστημα είναι το γλυκολυτικό, το οποίο είναι το επικρατέστερο ενεργειακό σύστημα για δραστηριότητες που διαρκούν από 20 δευτερόλεπτα έως περίπου 2 λεπτά.

Το πρωτεύον καύσιμο για το γλυκολυτικό σύστημα προέρχεται από τη διάσπαση των αποθεμάτων γλυκόζης αίματος και αποθεμάτων γλυκογόνου. Αρχικά, η μεγάλη πλειοψηφία του ΑΤΡ παρέχεται από ταχεία γλυκόλυση και καθώς η διάρκεια της δραστηριότητας πλησιάζει τα 2 λεπτά, η παροχή ΑΤΡ προέρχεται κυρίως από αργή γλυκόλυση.

Η γρήγορη γλυκόλυση έχει ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό γαλακτικού οξέος, το οποίο μετατρέπεται ταχέως σε γαλακτικό.
Όταν η γλυκόλυση συμβαίνει με πολύ γρήγορο ρυθμό, η ικανότητα του σώματος να μετατρέπει το γαλακτικό οξύ σε γαλακτικό μπορεί να εξασθενίσει και το γαλακτικό οξύ θα αρχίσει να συσσωρεύεται, πράγμα που μπορεί να οδηγήσει σε κόπωση και τελικά σε διακοπή της δραστηριότητας.

Η συσσώρευση του γαλακτικού οξέος είναι πιο διαδεδομένη σε επαναλαμβανόμενες περιόδους άσκησης υψηλής έντασης, ειδικά εκείνες με μικρή διάρκεια ανάπαυσης.
Έτσι, μια υψηλή συγκέντρωση γαλακτικού οξέος μπορεί να υποδηλώνει ταχεία παροχή ενέργειας.
Δρομικά αγωνίσματα κατά τα οποία η αναερόβια γλυκόλυση συμμετέχει σε πολύ μεγάλο ποσοστό είναι τα 200μ, 400μ και 800μ, ενώ από τα 1500μ και πάνω αρχίζει να μειώνεται.

Καθώς η διάρκεια της δραστηριότητας αυξάνεται και πλησιάζει τα 2 λεπτά, η παροχή ΑΤΡ μετατοπίζεται από ταχεία γλυκόλυση σε βραδεία γλυκόλυση. Θεωρητικά, καθώς μειώνεται η ένταση της άσκησης και ο ρυθμός γλυκολυτικής διάσπασης της γλυκόζης και του γλυκογόνου επιβραδύνεται, παρομοίως μειώνεται η συσσώρευση γαλακτικού οξέος επιτρέποντας στο σώμα να ρυθμίσει το γαλακτικό οξύ σε γαλακτικό και να σχηματίσει πυροσταφυλικό.

Μόλις σχηματιστεί πυροσταφυλικό, μεταφέρεται στα μιτοχόνδρια, όπου χρησιμοποιείται στον οξειδωτικό μεταβολισμό.
Το γαλακτικό επίσης μεταφέρεται στο ήπαρ, όπου μετατρέπεται σε γλυκόζη ή πηγαίνει σε ενεργούς ιστούς όπως ο σκελετικός και ο καρδιακός μυς, όπου μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό και τελικά χρησιμοποιείται στον οξειδωτικό μεταβολισμό.

Η ποσότητα του διαθέσιμου γλυκογόνου σχετίζεται με την ποσότητα των υδατανθράκων που προσλαμβάνονται από τη διατροφή.
Έτσι, είναι εύκολο να δούμε ότι οι δίαιτες χαμηλής περιεκτικότητας σε υδατάνθρακες θα οδηγήσουν σε μείωση των αποθεμάτων γλυκογόνου των μυών, γεγονός που θα μειώσει την απόδοση του αθλητή.
Η χρησιμοποίηση του γλυκογόνου κατά τη διάρκεια της προπόνησης και του αγώνα εξαρτάται από τη διάρκεια και την ένταση του αγώνα.
Αερόβια άσκηση και αναερόβια άσκηση, όπως επαναλαμβανόμενα σπριντ και προπόνηση με αντιστάσεις, μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τα αποθέματα γλυκογόνου των μυών και του ήπατος.
Μετά την άσκηση, μία από τις κύριες ανησυχίες για τους αθλητές και τους προπονητές είναι το χρονικό πλαίσιο για την επανασύνθεση του γλυκογόνου.

Αν ο αθλητής δεν τροφοδοτεί τα αποθέματα γλυκογόνου, η απόδοση μπορεί να είναι σημαντικά μειωμένη.
Ανεπαρκείς αποθήκες μυϊκού γλυκογόνου έχουν συνδεθεί με επαγόμενη από την άσκηση μυϊκή αδυναμία, μείωση στην παραγωγή ισοκινητικής δύναμης, όπως και μείωση της ισομετρικής δύναμης.

Μετά την ολοκλήρωση μιας περιόδου άσκησης, χρειάζεται συνήθως 20 με 24 ώρες για να αποκατασταθεί πλήρως το μυϊκό γλυκογόνο.
Εάν, ωστόσο, υπάρχει διατροφή ανεπαρκής σε υδατάνθρακες ή υπερβολική μυϊκή βλάβη προκαλούμενη από την άσκηση, ο χρόνος που απαιτούνται για την αποκατάσταση του γλυκογόνου μπορεί να επεκταθεί σημαντικά.
Σε 2 ώρες μετά την παύση της άσκησης, ο αθλητής έχει μια μεγάλη ευκαιρία να αυξήσει τους ρυθμούς σύνθεσης του μυϊκού γλυκογόνου.
Ο Ivy και οι συνεργάτες του πρότειναν ότι εάν οι υδατάνθρακες καταναλώνονται μέσα σε 2 ώρες από την ολοκλήρωση της άσκησης, τα αποθέματα γλυκογόνου των μυών μπορεί να έχουν αύξηση 45%. Αυτό μπορεί να είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν ο αθλητής έχει μόνο ένα μικρό χρονικό διάστημα μεταξύ περιόδων άσκησης ή αγωνιστικών περιόδων την ίδια ημέρα.

Οξειδωτικό σύστημα (αερόβιο)

Όπως και το γλυκολυτικό σύστημα, το οξειδωτικό σύστημα έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιεί τη γλυκόζη αίματος και μυϊκό γλυκογόνο ως πηγές καυσίμου για την παραγωγή ΑΤΡ.
Η μεγάλη διαφορά μεταξύ των γλυκολυτικών και των οξειδωτικών συστημάτων είναι ότι οι ενζυματικές αντιδράσεις που σχετίζονται με το οξειδωτικό σύστημα εμφανίζονται με την παρουσία οξυγόνου, ενώ το γλυκολυτικό το σύστημα επεξεργάζεται ενέργεια χωρίς Ο2.
Σε αντίθεση με το γρήγορο γλυκολυτικό σύστημα, το οξειδωτικό σύστημα δεν παράγει γαλακτικό οξύ από τη διάσπαση της γλυκόζης και του γλυκογόνου. Επιπλέον, το οξειδωτικό σύστημα έχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιεί λίπη και πρωτεΐνες στην παραγωγή του ΑΤΡ.

Σε ηρεμία, τα οξειδωτικά συστήματα παράγουν περίπου το 70% της απόδοσης του ΑΤΡ από την οξείδωση των λιπών και περίπου το 30% του ΑΤΡ της από την οξείδωση των υδατανθράκων.

Η χρήση καυσίμου εξαρτάται από την ένταση της άσκησης. Ο Brooks και οι συνάδελφοί του περιέγραψαν αυτό που ονομάζεται “cross-over concept”, στο οποίο σε άσκηση χαμηλότερης έντασης λαμβάνεται το ATP κυρίως από την οξείδωση του λίπους και ορισμένων υδατανθράκων.

Καθώς αυξάνεται η ένταση της άσκησης, αυξάνεται η ποσότητα υδατανθράκων που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ΑΤΡ, ενώ η χρήση του λίπους για την παροχή ATP μειώνεται. Αυτό υποστηρίζει την ιδέα ότι σε περιόδους άσκησης υψηλότερης έντασης χρησιμοποιούνται υδατάνθρακες ως κύρια πηγή καυσίμου.

Το οξειδωτικό ή αερόβιο σύστημα είναι η πρωταρχική πηγή του ΑΤΡ για γεγονότα που διαρκούν μεταξύ 2 λεπτών και περίπου 3 ωρών (όλα τα δρομικά αγωνίσματα από 800μ έως μαραθώνιο, cross country σκι, ποδηλασία αποστάσεων). Αντίθετα, δραστηριότητες οι οποίες είναι μικρότερες από τα 2 λεπτά βασίζονται σε αναερόβια μέσα για να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις σε ΑΤΡ.

Συμβολή των ενεργειακών συστημάτων

Σε κάθε περίπτωση τα διάφορα ενεργειακά συστήματα συμβάλλουν στη συνολική απόδοση ΑΤΡ.
Ωστόσο, ανάλογα με τις φυσιολογικές απαιτήσεις που σχετίζονται με την περίοδο άσκησης, η απόδοση ΑΤΡ μπορεί να συνδεθεί με ένα σύστημα πρωτογενούς ενέργειας.

Για παράδειγμα, τα αγωνίσματα πολύ υψηλής έντασης, όπως το σπριντ 100 μέτρων, που συμβαίνουν σε σύντομο χρονικό διάστημα, μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική εξάρτηση από τα αναερόβια ενεργειακά συστήματα ώστε να ικανοποιηθεί η ζήτηση για ATP.
Καθώς η διάρκεια της δραστηριότητας επεκτείνεται, η εξάρτηση από τους οξειδωτικούς μηχανισμούς για την παροχή ΑΤΡ αυξάνεται.
Για παράδειγμα, περίοδοι άσκησης που διαρκούν περίπου 1 λεπτό ικανοποιούν το 70% της ενεργειακής ζήτησης του σώματος μέσω αναερόβιων μηχανισμών, ενώ οι περίοδοι ασκήσεων που έχουν διάρκεια 4 λεπτών θα καλύψουν το 65% της ζήτησης ενέργειας του σώματος μέσω της χρήσης του αερόβιου μεταβολισμού.
Έτσι, υπάρχει ένα σύστημα πρωτογενούς ενέργειας που ανταποκρίνεται στις ανάγκες του αθλητή σε ATP κατά τη διάρκεια ενός συγκεκριμένου αθλητικού γεγονότος και η κατανόηση αυτή θα βοηθήσει προπονητές και αθλητές στον σχεδιασμό προγραμμάτων προπόνησης  που στοχεύουν συγκεκριμένες βιοενεργειακές ανάγκες για την αθλητική δραστηριότητα.

Η ποσότητα του γαλακτικού στο αίμα δίνει μια εικόνα για το ποιο ενεργειακό σύστημα λειτουργεί ως προμηθευτής πρωτογενούς ενέργειας. Τα υψηλότερα επίπεδα σχηματισμού γαλακτικού οξέος υποδεικνύουν ότι το γλυκολυτικό σύστημα λειτουργεί με πολύ υψηλό ρυθμό, δημιουργώντας έτσι μια συσσώρευση γαλακτικού οξέος και γαλακτικού.
Σε δραστηριότητες αντοχής ή αερόβιας άσκησης, το πρώτο σημείο στο οποίο αρχίζει να αυξάνεται απότομα ο σχηματισμός γαλακτικού οξέος ονομάζεται γαλακτικό κατώφλι (LT, Lactate Threshold) και αντιπροσωπεύει μια μετατόπιση από την αερόβια παροχή ενέργειας σε αναερόβια παροχή ενέργειας, όσο η ένταση της άσκησης αυξάνεται.
Σε απροπόνητα άτομα, το γαλακτικό κατώφλι βρίσκεται μεταξύ 50% και 60% της μέγιστης αερόβιας ικανότητας (VO2max), ενώ οι εξαιρετικά προπονημένοι αθλητές αντοχής επιδεικνύουν γαλακτικό κατώφλι έως και 80% VO2max.
Το γαλακτικό κατώφλι ενός ελίτ αθλητή αντοχής μπορεί να βρίσκεται μεταξύ 83% και 93% της μέγιστης καρδιακής συχνότητας.
Η δεύτερη σημαντική αύξηση στη συσσώρευση γαλακτικού συμβαίνει περίπου στα 4mmol και ονομάζεται onset of blood lactate accumulation (OBLA) που σημαίνει την εμφάνιση της συσσώρευσης γαλακτικού αίματος. Σε προπονημένους αθλητές αντοχής, το OBLA έχει αποδειχθεί ότι συμβαίνει μεταξύ 90% και 93% της μέγιστης καρδιακής συχνότητας.

Αρκετοί ερευνητές έχουν προσκομίσει αποδεικτικά στοιχεία ότι το χρονικό σημείο κατά το οποίο το LT και το  OBLA εμφανίζονται, επηρεάζεται από τα προπονητικά ερεθίσματα. Πρόσφατη εργασία των Esfarjani και Laursen υποδεικνύουν ότι η εκτέλεση υψηλής έντασης διαλειμματικής προπόνησης μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση στις επιδόσεις αντοχής και στο γαλακτικό κατώφλι, επιτρέποντας στον αθλητή αντοχής να δουλεύει σε υψηλότερη ένταση πριν βιώσει τη συσσώρευση γαλακτικού οξέος.

Η διαλειμματική προπόνηση με σπριντ έχει αποδειχθεί ότι αυξάνει τη γλυκολυτική και οξειδωτική ενζυματική δραστηριότητα, τη βελτίωση της μέγιστης βραχυπρόθεσμης ισχύος εξόδου και την αύξηση της μέγιστης αεροβική ισχύος.
Έχει προταθεί ότι η υψηλή αερόβια ικανότητα βελτιώνει την ανάκαμψη από την αναερόβια άσκηση υψηλής έντασης, επειδή αυτή η ικανότητα βελτιώνει την απομάκρυνση του γαλακτικού και την αναγέννηση της φωσφοκρεατίνης.
Αυτά τα ευρήματα μπορεί να οδηγήσουν λανθασμένα τους προπονητές και τους αθλητές να πιστεύουν ότι απαιτείται αερόβια προπόνηση για να βελτιωθεί η ικανότητα του αθλητή να ανακάμψει από επαναλαμβανόμενες περιόδους αναερόβιας άσκησης υψηλής έντασης.
Ωστόσο, αρκετές μελέτες αποδεικνύουν σαφώς ότι η μέγιστη αερόβια ισχύς ή ικανότητα, είναι ελάχιστης σημασίας για την ανάκαμψη από επαναλαμβανόμενες περιόδους αναερόβιας άσκησης υψηλής έντασης.
Η συμπερίληψη της υψηλής έντασης διαλειμματικής προπόνησης από αθλητές που συμμετέχουν σε αθλήματα που υπερισχύουν από την αναερόβια παροχή ενέργειας, θα οδηγήσει σε αερόβια ικανότητα που είναι αρκετά υψηλή για να βελτιώσει την ανάκαμψη μετά την άσκηση.|
Αν και η συμπερίληψη της αερόβιας προπόνησης αυξάνει σημαντικά την αερόβια ισχύ και ικανότητα, μειώνει γενικά την αναερόβια απόδοση.

Ως εκ τούτου, οι προπονητές και οι αθλητές θα πρέπει να επικεντρωθούν στην ενίσχυση του βιοενεργειακού προφίλ για το εκάστοτε αθλητικό γεγονός.
Στη διαλειμματική προπόνηση, το διαστήματα ανάπαυσης μεταξύ των περιόδων δραστηριότητας μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά το κεντρικό ενεργειακό σύστημα που στρεσάρεται. Μικρότερα διαστήματα ανάπαυσης μεταξύ εργασίας (όπως 1: 1-1: 3) θα στοχεύουν επιλεκτικά στο οξειδωτικό σύστημα, ενώ μεγαλύτερα διαστήματα ανάπαυσης μεταξύ εργασίας (1:12-1: 20) θα στοχεύουν επιλεκτικά το σύστημα φωσφαγόνων. Οι προπονητές θα πρέπει να λάβουν υπόψη τα χαρακτηριστικά έντασης και χρόνου του αθλητικού γεγονότος.

Οι Plisk και Gambetta συνέστησαν ότι οι ειδικές δρομικές ή ασκήσεις προσομοίωσης του αγωνίσματος μοντελοποιούν τη βιοενέργεια του αθλητικού γεγονότος και ενσωματώνουν τα τακτικά και τεχνικά συστατικά της δραστηριότητας.
Εάν ενσωματωθούν σωστά, οι ειδικές ασκήσεις θα υπολογίσουν τα χρονικά χαρακτηριστικά και το προφίλ έντασης της δραστηριότητας.

Για να σχεδιαστούν αποτελεσματικά προγράμματα, ο προπονητής ή ο αθλητής πρέπει να κατανοήσει τα χαρακτηριστικά απόδοσης και τις βιοενεργειακές απαιτήσεις της αθλητικής δραστηριότητας.

Μετάφραση/απόδοση από: Periodization: Theory and Methodology of Training, Tudor O. Bompa, G. Gregory Haff.
Human Kinetics – 5th ed. 2009