ما نوع تحولات الطاقة التي تحدث في العضلات
ما هي تحولات الطاقة في العضلات
العضلات هي محولات طاقة بيولوجية: فهي تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.
أي أنها تحول الطاقة الكيميائية إلى شغل.
والكفاءة هي التي تحدد مقدار الطاقة الكيميائية التي تستهلكها العضلة لتنتج طاقة ميكانيكية، وتختلف الكفاءة بين العضلات بشكل كبير،
وحتى الآن فإن أكثر العضلات كفاءة في استهلاك الطاقة تمت دراستها هي عضلات السلحفاة ، التي تتمتع بكفاءة قصوى تصل إلى 35٪.
أنواع الطاقة في جسم الإنسان
تتطلب جميع وظائف الجسم من التفكير إلى رفع الأثقال ، الطاقة، تتحول حركات العضلات الصغيرة العديدة المصاحبة لجميع الأنشطة الهادئة ، من النوم إلى خدش الرأس ، في النهاية إلى طاقة حرارية، مثلها مثل حركات عضلات القلب والرئتين والجهاز الهضمي.
وعادة ما يحول الجسم على الطاقة الكيميائية المخزنة في الطعام إلى شغل أو طاقة حرارية أو يتم تخزينها كطاقة كيميائية داخل الأنسجة الدهنية، ومن الطبيعي أن يكون معظم الطاقة الناتجة في الجسم تكون على شكل طاقة حرارية، ومع ذلك تعتمد نواتج
أنواع الطاقة في جسم الإنسان
على مقدار ما نتناوله من طعام وعلى مستوى نشاطنا البدني.
إذا أكلنا أكثر مما هو مطلوب للقيام بعمل ودفئنا، فإن الباقي يتحول إلى دهون الجسم.
ما شكل الطاقة التي في الطعام
يتم إيصال الطاقة إلى الجسم من خلال الأطعمة التي نتناولها والسوائل التي نشربها، حيث تحتوي الأطعمة على الكثير من الطاقة الكيميائية المخزنة وعندما تأكل يقسم جسمك هذه الأطعمة إلى مكونات أصغر ويمتصها لاستخدامها كوقود.
وتأتي الطاقة من العناصر الغذائية الرئيسية الثلاثة وهي الكربوهيدرات والبروتينات والدهون وتعتبر الكربوهيدرات أهم مصدر للطاقة، وفي الحالات التي يتم فيها استنفاد الكربوهيدرات يمكن للجسم استخدام البروتين والدهون للحصول على الطاقة.
طرق إنشاء الطاقة في جسم الإنسان
إن التمثيل الغذائي الخاص بك هو التفاعلات الكيميائية في خلايا الجسم التي تحول هذا الطعام إلى طاقة.
معظم الطاقة التي يحتاجها الجسم هي للراحة والمعروفة باسم التمثيل الغذائي الأساسي، و هذا هو الحد الأدنى من الطاقة التي يحتاجها الجسم للحفاظ على وظائفه الحيوية مثل التنفس والدورة الدموية ووظائف الأعضاء.
ويسمى معدل استخدام الطاقة لمثل هذه الوظائف باسم معدل الأيض الأساسي (BMR) ويختلف هذا المعدل بناءً على الجينات والجنس والعمر والطول والوزن.
حيث ينخفض معدل الأيض الأساسي لديك كلما تقدمت في العمر بسبب انخفاض كتلة العضلات.
يتطلب التمثيل الغذائي الأمثل للطاقة الحصول على ما يكفي من العناصر الغذائية من أطعمتنا وإلا فإن التمثيل الغذائي للطاقة لدينا يكون دون المستوى ونشعر بالتعب والركود.
وتمدك جميع الأطعمة بالطاقة وبعض الأطعمة على وجه الخصوص تساعد على زيادة مستويات الطاقة لديك مثل الموز الذي يعد مصدر ممتاز للكربوهيدرات والبوتاسيوم وفيتامين B6، والأسماك الدهنية مثل السلمون أو التونة التي تعتبر مصدر جيد للبروتين والأحماض الدهنية وفيتامينات ب، والأرز البني حيث أنه مصدر للألياف والفيتامينات والمعادن والبيض مصدر للبروتين.
يوجد العديد من الأطعمة الأخرى التي توفر كمية وفيرة من الطاقةللجسم، لا سيما تلك المليئة بالكربوهيدرات للحصول على الطاقة المتاحة، أو الألياف أو البروتين التي تعمل على الإطلاق البطيء للطاقة والفيتامينات الأساسية والمعادن ومضادات الأكسدة.
يتم استقلاب الأطعمة على المستوى الخلوي لصنع ما يعرف ب أدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP (Adenosine Triphosphate)
ويتم ذلك من خلال عملية تعرف باسم التنفس الخلوي، وATP هي المادة الكيميائية التي تستخدمها الخلية للطاقة للعديد من العمليات الخلوية بما في ذلك تقلص العضلات وانقسام الخلايا، وتتطلب هذه العملية وجود الأكسجين وتسمى التنفس الهوائي.
وتتم عملية التنفس الهوائي عبر المعادلة الكيميائية:
الجلوكوز + الأكسجين ← ثاني أكسيد الكربون + الماء + الطاقة (مثل ATP)
في البداية يتم تقسيم الجزيئات الغذائية الكبيرة بواسطة الإنزيمات إلى وحدات فرعية بسيطة في عملية تعرف باسم الهضم، ثم تنقسم البروتينات إلى أحماض أمينية ، والسكريات المتعددة إلى سكريات والدهون إلى أحماض دهنية وغليسيرول وذلك من خلال عمل إنزيمات معينة.
بعد هذه العملية يجب أن تدخل جزيئات الوحدة الفرعية الأصغر إلى خلايا الجسم، وتدخل أولاً إلى العصارة الخلوية (الجزء المائي من سيتوبلازم الخلية) حيث تبدأ عملية التنفس الخلوي.
مراحل التنفس الهوائي
تحدث عملية التنفس الهوائي عندما يحتاج الجسم إلى طاقة كافية للعيش فقط، وكذلك للقيام بالأنشطة اليومية وأداء تمارين الكارديو.
أما في حالة الأنشطة المكثفة فإن العضلات تستخدم نوع من التنفس اللاهوائي، وبينما تنتج عملية التنفس الهوائي طاقة أكثر من الأنظمة اللاهوائية ، فهي أيضًا أقل كفاءة ولا يمكن استخدامها إلا أثناء الأنشطة منخفضة الكثافة.
وهناك أربع مراحل من التنفس الخلوي الهوائي تحدث لإنتاج ATP (تحتاج خلايا الطاقة للقيام بعملها):
المرحلة 1 تحلل الجلوكوز (المعروف أيضًا باسم انهيار الجلوكوز)
يحدث هذا في السيتوبلازم ويتضمن سلسلة من التفاعلات المتسلسلة المعروفة باسم تحلل السكر لتحويل كل جزيء من الجلوكوز (جزيء من ستة كربون) إلى وحدتين أصغر من البيروفات (جزيء ثلاثي الكربون).
وأثناء تكوين البيروفات يتم إنتاج نوعين من الجزيئات الحاملة النشطة (وهي جزيئات صغيرة قابلة للانتشار في الخلايا التي تحتوي على روابط تساهمية غنية بالطاقة) ،وهما ATP و NADH (النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد المختزل) ،وتنتج هذه المرحلة 4 جزيئات من ATP وجزيئين من NADH من الجلوكوز ولكنه يستخدم جزيئين من ATP للوصول إلى هناك ، لذلك ينتج في الواقع 2 ATP + 2 NADH و pyruvate. ثم تمر البيروفات إلى الميتوكوندريا.
المرحلة الثانية: تفاعل الارتباط
هذا التفاعل يربط تحلل الجلوكوز بالمرحلة 3 من دورة حامض الستريك / كريبس، وعند هذه النقطة ، تتم إزالة جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون وجزيء هيدروجين واحد من البيروفات (وتسمى ب نزع الكربوكسيل المؤكسد) لإنتاج مجموعة الأسيتيل ،والتي تنضم إلى إنزيم يسمى CoA (الإنزيم المساعد A) لتكوين acetyl-CoA، والذي يكون جاهزًا بعد ذلك تستخدم في دورة حامض الستريك / كريبس، ويعد Acetyl-CoA ضروريًا للمرحلة التالية.
المرحلة الثالثة: دورة حمض الستريك / كريبس
تحدث تلك الدورة في الميتوكوندريا، حيث يتحد الأسيتيل CoA (وهو جزيء ثنائي الكربون) مع oxaloacetate (جزيء رباعي الكربون) لتكوين السترات (جزيء من ستة كربون).
ويتم بعد ذلك أكسدة جزيء السترات تدريجيًا مما يسمح باستخدام طاقة هذه الأكسدة لإنتاج جزيئات حاملة نشطة غنية بالطاقة.
وتشكل السلسلة من ثمانية تفاعلات تحدث في شكل دورة، وفي النهاية يتجدد أوكسالو أسيتات والذي يمكن أن يدخل في الدورة مرة أخرى.
وتوفر الدورة السلائف بما في ذلك بعض الأحماض الأمينيةـ وكذلك العامل المختزل NADH التي تستخدم في العديد من التفاعلات الكيميائية الحيوية.
تنتج كل دورة من جزيئين من ثاني أكسيد الكربون، وثلاثة جزيئات من NADH ، وجزيء واحد من GTP (غوانوزين ثلاثي الفوسفات) وجزيء واحد من FADH2 (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد).
نظرًا لإنتاج جزيئين أسيتيل- CoA من كل جزيء جلوكوز مستخدم ، يلزم إجراء دورتين لكل جزيء جلوكوز.
المرحلة 4 سلسلة نقل الإلكترون
في هذه المرحلة النهائية ، تنقل حاملات الإلكترون NADH و FADH2، التي اكتسبت إلكترونات عندما كانت تؤكسد جزيئات أخرى هذه الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون.
ويحدث هذا في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا، وتتطلب هذه العملية الأكسجين وتنطوي على تحريك هذه الإلكترونات عبر سلسلة من ناقلات الإلكترون التي تخضع لتفاعلات الأكسدة والاختزال يؤدي هذا إلى تراكم أيونات الهيدروجين في الفضاء الموجود بين الغشاء.
يتشكل تدرج التركيز بعد ذلك حيث تنتشر أيونات الهيدروجين خارج هذا الفضاء عن طريق تمرير سينسيز ATP.
ويعمل تيار أيونات الهيدروجين على تشغيل التحويل التحفيزي لـ ATP synthase ، والذي بدوره يؤدي إلى فسفوريلات ADP (يضيف مجموعة فوسفات) وبالتالي ينتج ATP، وتحدث نقطة نهاية السلسلة عندما تقلل الإلكترونات الأكسجين الجزيئي ، مما يؤدي إلى إنتاج الماء.
على الرغم من أن عدد ATP المتوقع حدوثها انهيار جزيء جلوكوز واحد هو 38 وحدة، إلا أنه من الناحية الواقعية يتكون ما بين 30-32 جزيء ATP فقط خلال عملية التنفس الهوائي. [2]