ساختار انرژی در بدن و اندازه گیری آن

 

توانائی بدن برای استخراج انرژی از مواد غذائی و انتقال آن به اجزاء قابل انقباض عضلات اسکلتی است که تعیین‌کنندهٔ توانائی ما برای انجام ورزش‌هائی مثل دویدن، دوچرخه‌سواری، شنا و کونگ فو و غیره خواهد بود. انتقال انرژی از طریق هزاران واکنش پیچیدهٔ شیمیائی رخ می‌دهد که نیازمند اختلاط صحیح و دقیق مواد ریز مغذی و درشت مغذی با اکسیژن است. اصطلاح ”هوازی“ بیانگر همین واکنش‌های انرژی‌زا و نیازمند اکسیژن است. در مقابل، اصطلاح ”بی‌هوازی“ به معنی ایجاد انرژی در زمانی کوتاه و بدون استفاده از اکسیژن می‌باشد. انتقال سریع انرژی سبب عملکرد عالی بدن در طی ورزش‌های با مدت کوتاه و سریع مثل دوهای سرعت، شنای مسافت کوتاه و یا ورزش‌های دارای استارت سریع و مکرر مثل فوتبال، بسکتبال، واترپلو، والیبال و هاکی خواهد شد.

در کل می‌توان چنین عنوان کرد که انرژی به معنی توانائی انجام کار است. انرژی یا به‌صورت پتانسیل و یا جنبشی وجود دارد. شکل پتانسیل آن به انرژی اطلاق می‌شود که در ارتباط با ساختار یا وضعیت یک ماده است. شکل جنبشی آن نیز به انرژی حرکتی اطلاق می‌شود. زمانی‌که انرژی پتانسیل به جنبشی تبدیل می‌شود، قابل اندازه‌گیری است. واکنش‌های اکسیداسیون - احیاء به تنهائی یا همراه باهم سبب اکسیداسیون سلولی می‌شوند، یعنی یک ماده الکترون‌های خود را از دست می‌دهد تا همزمان واکنش معکوس احیاء (که در آن الکترون به ماده اضافه می‌شود) فعل و انفعالات شیمیائی انجام پذیرد. این واکنش‌ها، اصل سیستم انتقال انرژی بدن را پایه‌ریزی می‌کنند.

 

● اندازه‌گیری انرژی غذائی

برای تعیین ارزش انرژی‌زائی غذاها، آزمایشگاه‌ها از دستگاهی به نام پمپ کالری‌متر استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها براساس اصل کالری‌متری مستقیم عمل می‌کنند: یعنی حرارت آزاد شده در اثر سوختن کامل غذا را اندازه می‌گیرند. نحوهٔ عمل این دستگاه به‌شرح زیر است: غذا در حفره‌ای بسته که با اکسیژن در فشار بالا شارژ می‌گردد، قرار داده می‌شود. یک جریان الکتریکی از فیوزی که در بالای دستگاه تعبیه شده، سبب احتراق غذا در مجاورت اکسیژن خواهد شد. با سوختن غذا، پوشش آب موجود در اطراف دستگاه، انرژی آزاد شدهٔ گرمائی را جذب خواهد کرد. از آنجائی که کالری‌‌متر کاملاً از محیط بیرون جدا است، افزایش دمای آب، مستقیماً نمایشگر حرارتی است که اکسیداسیون آن مادهٔ غذائی ایجاد می‌شود. برای مثال یک قاشق چایخوری مارگارین، وقتی که به‌طور کامل در بمب کالری‌متر بسوزد، ۱۰۰ کیلوکالری انرژی آزاد می‌کند. این میزان انرژی می‌تواند یک کیلوگرم آب یخ را به نقطهٔ جوش خود برساند. برای کربوهیدرات‌ها، گرمای آزاد شده وابسته به نحوهٔ قرارگیری اتم‌ها در مولکول قند خاص است. مثلاً هر گرم گلوکز معادل ۷۴/۳ کیلوکالری انرژی آزاد می‌کند که حدود ۱۲ درصد کمتر از گلیکوژن و نشاسته است. ارزش کالری‌زائی متوسط برای یک گرم چربی معادل ۵/۹ کیلوکالری است. در مورد پروتئین‌ها، نوع و میزان نیتروژن نسبی موجب در ساختمان مولکولی آنها تعیین‌کننده خواهد بود. پروتئین‌های محلول در تخم‌مرغ، گوشت، ذرت و غلات حدوداً ۱۶ درصد نیتروژن دارند و میزان گرمای آزاد شدهٔ آنها به‌طور متوسط ۷۵/۵ کیلوکالری در ازاء هر گرم است.

مقایسهٔ میزان گرمای تولید شده توسط درشت‌ مغذی‌ها نشان می‌دهد که اکسیداسیون کامل چری در دستگاه بمب کالری‌متر، سبب آزادی انرژی به میزان ۶۵ درصد بیشتر از هر گرم پروتئین و ۲۰ درصد بیشتر از هر گرم کربوهیدرات خواهد شد. پس می‌توان نتیجه گرفت که غذاهای پرچربی، از لحاظ انرژی غنی‌تر از غذاهائی هستند که نسبتاً فاقد چربی می‌باشند.

 

● منابع انرژی

بدن انسان نیازمند تأمین مداوم انرژی شیمیائی است تا بتواند اعمال پیچیده و متفاوت خود را انجام دهد. انرژی به‌دست آمده از اکسیداسیون غذاها، به‌طور ناگهانی و در دمای بالا آزاد نمی‌شود چون بدن برخلاف یک موتور مکانیکی قادر به استفاده از انرژی گرمائی نیست (اگر این‌طور بود، مایعات بدن بلافاصه جوش می‌آمدند و بافت‌های بدن در آتش می‌سوختند!). برعکس، استخراج انرژی پتانسیل شیمیائی موجود در کربوهیدرات‌ها، قندها و پروتئین‌ها، در جریان واکنش‌های پیچیده و کنترل شونده توسط آنزیم‌ها و در محیط نسبتاً خنک و آبکی سلول‌ها رخ می‌دهد. داستان اینکه چگونه بدن منبع انرژی دائمی خود را تأمین می‌کند با مولکول آدنوزین تری فسفات (ATP) آغاز می‌شود که حامل مخصوص بدن برای انرژی آزاد است. حدود ۴۰ درصد انرژی پتانسیل مواد غذائی به این مولکول منتقل می‌شود. با شکسته شدن اتصال انتهای فسفر در این مولکول، انرژی آزاد شده و برای تمام اشکال کار بیولوژیک در بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اما فسفو کراتین چیست؟ اصولاً سلول‌های بدن مقادیر اندکی ATP در خود ذخیره دارند و بنابراین باید براساس میزان مصرف، مجدداً آن را بازسازی کنند. با حفظ مقادیر اندک ATP، غلظت نسبی آن (و بالطبع غلظت نسبی مولکول آدنوزین دی فسفات (ADP) به سرعت و با هرگونه افزایشی در میزان نیاز سلولی، تغییر خواهد کرد. هرگونه افزایش در میزان نیاز سلولی، بلافاصله سبب اختلال در نسبت ATP به ADP می‌شود. این عدم تعادل باعث تحریک مکانیسم‌های آزادکنندهٔ دیگر انرژی می‌شود تا ATP مجدداً ساخته شود. این موضوع بیانگر آن است که چرا نیاز به انرژی به سرعت و در ابتدای ورزش افزایش می‌یابد. همان‌طور که مشخص شده، میزان انتقال انرژی وابسته به شدت ورزش است. انتقال انرژی در فردی که در حالت نشسته به راه رفتن تغییر وضعیت می‌دهد، ۴ برابر می‌شود. یا اینکه تغییر وضعیت از پیاده‌روی به یک عمل سرعتی، سبب افزایش انتقال انرژی تا ۱۲۰ برابر خواهد شد!

بدن در یک زمان، حدود ۱۰۰-۸۰ گرم ATP در خود ذخیره دارد. این میزان، تأمین‌کنندهٔ انرژی داخل عضلانی کافی برای چندین ثانیه حرکت ورزشی انفجاری است. برای مقابله با این محدودیت، ATP به‌صورت مداوم ساخته می‌شود. مقداری از انرژی لازم برای سنتز مجدد ATP، مستقیماً از شکافت بی‌هوازی مولکول فسفات در یک ترکیب داخل سلولی و پرانرژی دیگر به نام فسفو کراتین (Pcr) به‌دست می‌آید. فسفو کراتین با مولکول ADP وارد عمل شده و ATP می‌سازد. این منبع بی‌هوازی و پرانرژی، سبب جایگزینی سریع ATP می‌شود. در جریان ساخت مجدد و هوازی ATP، مولکول اکسیژن به‌عنوان گیرندهٔ نهائی الکترون در زنجیرهٔ تنفسی عمل کرده و ضمن ترکیب با هیدروژن، مولکول آب ایجاد می‌کند. درشت‌ مغذی‌ها به‌عنوان منابع اصلی و بالقوهٔ انرژی با ADP و یون فسفر همراه شده و ATP را می‌سازند. شکسته شدن کامل یک مول گلوکز سبب آزاد شدن ۶۸۹ کیلوکالری انرژی می‌شود. از این مقدار، اتصالات مولکول ATP حاوی ۲۶۳ کیلوکالری(۳۸ درصد) انرژی خواهند بود و بقیهٔ آن به‌صورت گرما دفع می‌شود.

در جریان واکنش‌های گلیکولیتیک در سیتوزول سلولی و در حین فسفوریلاسیون، ۲ مولکول ATP ایجاد خواهد شد. اتم‌های هیدروژن که در جریان شکسته شدن گلوکز ایجاد می‌شوند، در زنجیرهٔ تنفسی اکسیده شده و انرژی ایجاد شده در این روند با ADP ترکیب خواهد شد. اکسیداسیون کامل مولکول گلوکز در عضلات اسکلتی، سبب تولید خالص ۳۶ مولکول ATP خواهد شد. در جریان فعالیت شدید و در زمانی‌که تولید هیدروژن همگام با اکسیداسیون آن پیش نمی‌رود، اسید لاکتیک ایجاد شده و مولکول پیرووات به‌طور موقتی با هیدروژن ترکیب خواهد شد. این موضوع باعث گلیکولیز بی‌هوازی در طی زمان باقی‌مانده خواهد شد. شکسته شدن کامل یک مولکول تری‌گلیسرید حدود ۴۶۰ مولکول ATP آزاد خواهد کرد. کاتابولیسم اسیدهای چرب نیز نیازمند اکسیژن خواهند بود و واژهٔ هوازی بیانگر همین واکنش‌ها است. باید توجه داشت که اسیدهای چرب قابل تبدیل به گلوکز نیستند. پروتئین به‌عنوان منبع مهمی برای تولید انرژی در بدن شناخته شده است. در جریان برداشت یک نیتروژن از مولکول آمینواسید، ساختار کربنی باقی‌مانده وارد مسیرهای متابولیک گوناگون شده و باعث ساخت هوازی ATP خواهد شد. در آخر باید گفت چربی‌ها نیازمند مقدار معینی کربوهیدرات شکسته شده برای کاتابولیسم خود هستند. یعنی در حقیقت چربی در شعلهٔ کربوهیدرات‌ها می‌سوزند.

 

● محاسبهٔ انرژی مصرفی

برای محاسبهٔ انرژی مورد نیاز یک ورزشکار باید تعادل بین دریافت و مصرف انرژی را برقرار کرد. بدین ترتیب توده و ترکیب بدن به گونه‌ای حفظ می‌شود که تضمین‌کنندهٔ سلامت و عملکرد بدنی مناسب ورزشکار باشد.

 

▪ انرژی مصرفی در حال ورزش

میزان انرژی مورد نیاز روزانهٔ ورزشکاران براساس جثه و سطح فعالیت آنان متفاوت است. به‌عنوان یک قاعدهٔ کلی، توصیه شده است که ورزشکاران مرد روزانه بیش از ۵۰Kcal/kg و ورزشکاران زن ۵۰-۴۵ کیلوکالری در ازاء هر کیلوگرم وزن بدن مصرف‌ کنند تا نیازهای روزانهٔ انرژی برای ۹۰ دقیقه فعالیت یا بیشتر را در طی یک روز تأمین نمایند. بر این اساس یک فوتبالیست ۸۵ کیلوگرمی به بیش از ۴۲۵۰ کیلوکالری و یک ژیمناست زن ۴۰ کیلوگرمی که در روز ۲ ساعت تمرین می‌کند، نیازمند حدوداً ۲۰۰۰ کیلوکالری انرژی است. بدون توجه به روش‌های پیچیدهٔ محاسبهٔ انرژی، اشتهای ورزشکار عامل اصلی میزان مصرف روزانهٔ انرژی است. کافی بودن انرژی را می‌توان از راه‌ اندازه‌گیری وزن و ترکیب بدن بررسی کرد.

 

▪ انرژی مصرفی در حال استراحت

برای حفظ وزن بدن، دریافت انرژی باید متعادل با میزان مصرف آن در روند استراحت، فعالیت فیزیکی و نیز ترموژنز (حرارت‌زائی) باشد. میزان مصرف انرژی در حال استراحت (Resting energy expenditure - REE)، متناسب با تودهٔ لخم بدن است و باید با معادلات زیر محاسبه شود:

- در مردان ۱۸-۱۰ ساله:

۶۵۱ + (وزن بدن ضربدر ۵/۱۷)

- در مردان ۳۰-۱۸ ساله:

۶۷۹ + (وزن بدن ضربدر ۳/۱۵)

- در مردان ۶۰-۳۰ ساله:

۸۷۹ + (وزن بدن ضربدر ۶/۱۱)

- در زنان ۱۸-۱۰ ساله:

۷۴۶ + (وزن بدن ضربدر ۲/۱۲)

- در زنان ۳۰-۱۸ ساله:

۴۹۶ + (وزن بدن ضربدر ۷/۱۴)

- در زنان ۶۰-۳۰ ساله:

۸۲۹ + (وزن بدن ضربدر ۷/۳)

در این معادلات وزن برحسب کیلوگرم است.