أنظمة الطاقة

يمتلك جسم الإنسان ثلاثة أنظمة رئيسية لإنتاج الـATP  وتزويد الجسم بالطاقة أثناء النشاطات المختلفة وهي:

1. نظام الفوسفوكرياتين(ATP-PCr / Phosphagen System)  

2. نظام التحلل الجلايكولي أوالهدم اللاهوائي للجلوكوز (Anaerobic Glycolysis)

3. نظام الفسفرة التأكسدية أوالحرق الهوائي للوقود أو الأكسدة (Oxidative Phosphorylation)

الجدير بالذكر أن عمليات إنتاج الـATP يمكن أن تحدث في عدم وجود الأوكسجين ويُطلق عليها في هذه الحالة عمليات الأيض اللاهوائي (Anaerobic Metabolism) أو التنفس اللاهوائي(Anaerobic Respiration) ، أما عندما تحدث بوجود الأوكسجين فيُطلق عليها الأيض الهوائي (Aerobic Metabolism) أو التنفس الهوائي.(Aerobic Respiration)

إن دراسة أنظمة الطاقة المختلفة سيجيبنا على العديد من التساؤلات وسيُمكِّننا من فهم ما يحدث أثناء التمرين في أجسامنا ولماذا نشعر بالإعياء والتعب ونصل إلى مرحلة اللهُاث الشديد ولماذا عند خفض سرعة الأداء أو شدة التمرين يمكننا الاستمرار في التمرين لفترات أطول.

نظام الفوسفوكرياتين (ATP-PCr)

إذا احتاج شخص أن يشارك بنشاط بدني مثلاً كالعَدْو (Sprinting)، فبمجرد البدء بالعَدْو بأقصى سرعة يستنفذ هذا الـعَدّاء الـATP الموجود في الخلية خلال ثانية أو اثنتين، وهنا يأتي دور نظام الفوسفوكرياتين لمساعدة الجسم على توليد الطاقة والاستمرار بالنشاط.

تحتوي الخلايا على جزيء فوسفاتي عالي الطاقة يسمى فوسفات الكرياتين (Creatine Phosphate) أو كريتينات الفوسفات (Phosphocreatine-PCr) وتستخدم الخلية الطاقة المُخزَّنة في فوسفات الكرياتين لإعادة بناء الـ   ATP للمحافظة على إمداد ثابت منه نسبياً. تتم هذه العملية كما في الشكل رقم (30)، إذ يتم تحرير مجموعة الفوسفات التي يحتوي عليها مركب فوسفات الكرياتين بكسر الرابطة بين مجموعة الفوسفات ومركب الكرياتين بفعل أنزيم خاص، الأمر الذي يؤدي إلى تحرر الطاقة من كسر هذه الرابطة الكيميائية واستخدامها لربط مجموعة الفوسفات التي تحررت بجزيء ADP لتكوين جزيء ATP جديد. ومن الجدير بالذكر أن هذا النظام هو أبسط وأسرع الأنظمة الثلاثة، فهو أول نظام يهُب لمساعدة الخلية لتعويض الـATP المُستنفَذ منها وتحدث هذه العملية بسرعة، كما يمكن أن تحدث بوجود أو عدم وجود الأوكسجين، لذلك يُعتبر هذا النظام نظاماً لاهوائياً، وهذا النظام هو المُزوّد الرئيسي للطاقة للنشاطات القصيرة الأمد عالية الشدة التي تستمر لفترة تتراوح بين 10-15 ثانية على الأكثر، مثل تمارين رفع الأوزان العالية مع عدد تكرارات منخفضة والتي تحتاج للقوة القصوى (Power and Maximum Strength Training)، أو خلال منافسات الجري القصيرة (Sprinting). كما أن هذا النظام يبدأ بالعمل مع بداية أي نشاط بغض النظر عن شدة النشاط بسبب قدرته على توفير الطاقة بشكل سريع جداً مقارنة بالأنظمة الأخرى.

إلا أن قدرة هذا النظام على إمداد الجسم بالطاقة محدودة، حيث ينخفض تركيز الـ PCr في الخلايا العضلية مع مرور الوقت وتصبح مستوياته غير قادرة على إعادة إنتاج الـATP الضروري لعمليات الانقباض والاسترخاء العضلي وهذا ما يحدث عند الوصول إلى مرحلة الإرهاق (Exhaustion) .

فمثلاً عند الجري بحد أقصى (All-out Sprint)، فبالإضافة لمخزون الـ ATPالموجود أصلاً في العضلات عند لحظة البدء بالجري، يمكن لهذا النظام أن يمد كافة العضلات العاملة بكمية كافية من الطاقة فقط للاستمرار بالنشاط لمدة 10-15 ثانية ومع استمرار الجري لن يستطيع نظام الـ ATP-PCr على مجاراة حاجة الخلايا للطاقة، عندها تعتمد الخلية على عمليات اخرى لإنتاج الـATP وتشمل هذه العمليات الهدم اللاهوائي للجلوكوز والأكسدة.

نظام التحلل الجلايكولي اللاهوائي (Anaerobic Glycolysis)

ماذا يحدث إذا أراد صديقنا الـعَدّاء الاستمرار في الجري لمدة تزيد عن 10-15 ثانية؟ من أين سيحصل على المزيد من جزيئات الـATP للاستمرار في الجري؟

من حسن حظ الـعَدّاء أن الجسم يستطيع إنتاج المزيد من الـATP  باستخدام نظام التحلل الجلايكولي، أي هدم أو تحلل الجلوكوز والذي يتولى مهمة تزويد الجسم بالـ ATP في هذه المرحلة وبدون الحاجة للأوكسجين.

 ومن المثير للاهتمام أن هذا النظام يبدأ بالعمل بالتزامن مع نظام ATP-PCr، إلا أنه ينتج جزيئات الـATP بشكل أبطأ من نظام الـ ATP-PCr، ولذلك تكون مساهمته قليلة خلال الثواني العشرة الأولى من النشاط. إن مشاركة هذا النظام بعملية توليد الطاقة يساعدنا على الاستمرار بالنشاط لفترة أطول، ولكن علينا التقليل من شدة التمرين، وفي حالة الـعَدّاء للاستمرار في الجري سيضطر للإبطاء قليلاً من سرعته.

تحدث عملية تحلل الجلوكوز في سيتوسول الخلايا، وذلك عبر سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي يتحكم بها 10 انزيمات لاهوائية خاصة، فهي أكثر تعقيداً من نظام الـ ATP-PCr، ويستخدم هذا النظام الجلوكوز المتوفر في الدم والذي ينتج عن:

• هضم الكربوهيدرات،
• تحطم جلايكوجين الكبد،
• بالإضافة إلى عمليات بناء جزيئات الجلوكوز في الكبد التي يُطلق عليها استحداث السكر (Gluconeogenesis) من مصادر غير الكربوهيدرات مثل الدهون أو البروتينات.

كما تستخدم العضلات أيضاً الجلوكوز الناتج عن تحطم جلايكوجين العضلات المُخزّن فيها.

وتؤدي عملية هدم الجلوكوز في النهاية إلى إنتاج حامض البيروفيك (Pyruvic Acid)، حيث ينتج عن تحلل كل جزيء جلوكوز جزيئان من حامض البيروفيك. وتُنتج هذه العملية جزيئين ATP إذا كان مصدر البيروفيك هو الجلوكوز، وثلاثة جزيئات ATP إذا كان المصدر هو الجلايكوجين.

كما ينتج عن هذه العملية أيضاً أيونات الهيدروجين (H+) والتي إذا ما تراكمت في الألياف العضلية ستتسبب بإعياء العضلات والشعور بنوع من الألم أو الحرقة المزعجة (Burning Sensation) ، لذلك يقوم الجسم بمعادلتها عن طريق ارتباطها بناقل الكتروني يسمى (NAD+) يتم اختزاله وتحوليه إلى (NADH). أنظر الشكل رقم (31).

من المثير للاهتمام أن تكوّن حامض البيروفيك يعتبر بمثابة مفترق الطرق بالنسبة للخلايا، فقد ذكرنا أن هذه العملية لا تحتاج لوجود الأوكسجين، إلا إن توفُر الأوكسجين هو الذي يحدد مصير حامض البيروفيك.

 وفي السطور القادمة سنتحدث عن مصير حامض البيروفيك في حالة عدم توفُر الأوكسجين، أي الهدم اللاهوائي للجلوكوز (ويسمى بالتخمُّر في بعض المراجع) والذي يؤدي إلى تحوّل حامض البيروفيك إلى حامض اللاكتيك أو اللبن (Lactic Acid)  الغني بالتأكيد عن التعريف!

فعندما تتم عملية التحلل الجلايكولي لإنتاج الطاقة بشكل سريع (مثلاً عند محاولة الـعَدّاء للجري بسرعة)، سيتم أيضاً تكون أيونات الهيدروجين بشكل سريع والتي على الجسم معادلتها كما ذكرنا سابقاً.

ولأن العضلات بحاجة للطاقة بسرعة وسرعة إمداد الأوكسجين لا توازي هذه السرعة لنتمكن من إنتاج الطاقة بشكل هوائي (والذي سنتحدث عنه بعد قليل)، يهُب حامض البيروفيك لنجدة العضلة وذلك بمعادلة أيونات الهيدروجين حيث يتحول بذلك إلى حامض اللاكتيك، ولكن لفترة وجيزة!

بالرغم من قدرة هذا النظام على توليد كم أكبر من الطاقة من نظام ATP-PCr، إلا أنه يمد الجسم بطاقة كافية لاستمرار النشاط لمدة 30-50 ثانية إضافية، والجدير بالذكر أن معظم التمارين الرياضية التي نقوم بها في النوادي الرياضية تعتمد اعتماداً كبيراً على هذا النظام، فالقيام بـ 8-12 تكرارات من تمارين المقاومة يقع ضمن هذا الإطار الزمني.

نلاحظ أن العمل المشترك لنظامي الـ  ATP-PCrوالتحلل الجلايكولي اللاهوائي يسمح للعضلة بتوليد القوة عندما يكون إمداد  الأوكسجين غير كافٍ، ويكونان هما النظامين السائدين خلال الدقائق الأولى من التمرين الشديد، وبعد الجري لمدة 90-120 ثانية سيواجه صديقنا الـعَدّاء مفترق طرق جديد. فما هو يا ترى؟

إن تراكم حامض اللاكتيك الناتج عن التحلل الجلايكولي اللاهوائي في العضلات وسوائل الجسم يُعتبر عاملاً محدداً لقدرة نظام التحلل الجلايكولي على الاستمرار في إنتاج الطاقة لفترة أطول.

فعندما تزداد مستويات حامض اللاكتيك في العضلة عن مستوياتها في حالة الراحة والتي تكون 1 ملي مول/كغم من العضلة (1mmol/kg)، لأكثر من 25 ملي مول/كغم(25mmol/kg) ، يرتفع مستوى الحموضة داخل الألياف العضلية ويمنع هذا “التحمّض” في الألياف العضلية استمرار عملية هدم جلايكوجين العضلات لاستخدامه بعملية التحلل الجلايكولي وذلك لأنه يُعطل عمل الأنزيمات اللاهوائية، كما إنه يُعوّق أيضاً عمل الكالسيوم الضروري لتكون الجسور المستعرضة في الألياف العضلية وحدوث الانقباض العضلي.

من المحتمل أن يرتفع استخدام الطاقة من قبل الألياف العضلية خلال التمرين 200 ضعف عن وقت الراحة، وسيعجز في هذه الحالة نظاما   ATP-PCrوالتحلل الجلايكولي اللاهوائي عن توفير كل الطاقة اللازمة، فماذا يفعل صديقنا الـعَدّاء في هذه المرحلة؟ هل سيتوقف عن الجري؟

بالطبع لا…

لحسن الحظ سيقوم نظام الفسفرة التأكسدية، أي النظام الهوائي بتحمل مسؤولية إنتاج الطاقة والاستمرار في التمرين، لكن مرة أخرى على الـعَدّاء أن يبطئ من سرعته للاستمرار في الجري.

نظام الفسفرة التأكسدية (Oxidative phosphorylation)

إن هذا النظام هو أكثر الأنظمة الثلاثة تعقيداً، حيث يقوم الجسم بتفكيك مصادر الطاقة بمساعدة الأوكسجين لتوليد الطاقة ويُطلق عليه أيضاً التنفس الخلوي الهوائي (Aerobic Cellular Respiration) بسبب استخدامه للأوكسجين وتتم هذه العملية ضمن عٌضيّات خلوية خاصة تعرف بالمايتوكوندريا (وهي بمثابة محطات توليد الطاقة في الخلية)، وهذا النظام هو الأبطأ بين الأنظمة الثلاثة.

أنظر الشكل (32) الذي يوضح الصيغة الكيمائية العامة لعملية التنفس الهوائي.

قد يبدو للوهلة الأولى نظام الفسفرة التأكسدية الأقل “جاذبية” إذا جاز التعبير مقارنة بالأنظمة اللاهوائية بسبب مشاركته المتأخرة في تزويد الجسم بالطاقة، إلا أن هذا النظام يمتاز بسعة كبيرة لإنتاج الطاقة وهو النظام الأساسي لإنتاج الطاقة في وقت الراحة وخلال النشاطات طويلة الأمد منخفضة الشدة أو معتدلة الشدة ونشاطات التَحمُّل بشكل عام، ويشمل الإنتاج الهوائي للـ  ATPثلاث عمليات، وهي التحلل الجلايكولي الهوائي، دورة كربس، وسلسلة نقل الإلكترونات وسنتعرف عليهم الآن بشيء من التفصيل.

• التحلل الجلايكولي الهوائي (Aerobic Glycolysis)

يلعب هدم الجلوكوز دوراً مهما في إنتاج الـ ATP سواء كان بشكل هوائي أو لا هوائي. فكما ذكرنا سابقاً أن التحلل الجلايكولي سواء كان بوجود أو عدم وجود الأوكسجين، سيَنتج عنه حامض البيروفيك والاختلاف فقط هو في مصير ناتج العملية، أي حامض البيروفيك. أنظر الشكل (33).

نتذكر من السطور السابقة أن التحلل الجلايكولي اللاهوائي ينتج عنه حامض اللاكتيك، بالإضافة إلى جزيئي ATP لكل جزيء من الجلوكوز. أما في حال توفر الأوكسجين، فسيتم تحويل حامض البيروفيك إلى مركب يسمى الإستيل مساعد إنزيم -أ (Acetyl CoA) داخل حشوة الميتوكوندريا وهذا المركب مهم جداً للبدء بالمرحلة الثانية من الفسفرة التأكسدية، أي دورة كربس.

• دورة كربس (The Krebs Cycle)

بعد أن يتم تكوين الإستيل مساعد إنزيم -أ فإنه يدخل دورة كربس، حيث تتم أكسدته ‏لإنتاج الطاقة من خلال سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية وتحدث هذه التفاعلات داخل حشوة الميتوكوندريا حيث ينتج عنها تكوين جزيئين من الـ ATP، كما ينتج عنها ثاني أوكسيد الكربون وأيونات الهيدروجين (H+) التي سيتم استخدامها في المرحلة اللاحقة، أي في سلسلة نقل الإلكترونات.

• سلسلة نقل الإلكترونات (Electron Transport Chain)  

ينتج عن تفاعلات التحلل الجلايكولي وخلال دورة كربس إطلاق أيونات الهيدروجين، ولكي لا تتراكم هذه الأيونات وتسبب ارتفاع مستوى الحموضة داخل الخلايا، يتم اتحاد هذه الأيونات مع نواقل الكترونية تحمل ذرات الهيدروجين عبر غشاء الميتوكوندريا وبعد المرور بسلسلة من التفاعلات يتم إنتاج المزيد من الطاقة.

وتقدم في النهاية هذه التفاعلات الطاقة لعملية تحويل جزيئات الـ ADP إلىATP. وينتج عن أكسدة جزيء واحد من الجلوكوز تقريباً 32 -34 جزيء ATP. أنظر الشكل (43) الذي يوضح المراحل المختلفة من التنفس الخلوي.

من الجدير بالذكر أن الجسم يمكن أن ينتج الإستيل مساعد إنزيم -أ من أيض الدهون بعملية تعرف بأكسدة بيتا التي تحول الدهون إلى أحماض دهنية (β-oxidation)، حيث إن أيض الدهون يتم في الجسم بشكل هوائي ومن ثم يتم استخدام الإستيل مساعد إنزيم -أ في دورة كربس لإنتاج المزيد من الـATP.

  وينتج عن أيض الدهون بشكل عام كمية أكبر بكثير من الـATP ويحدد الكمية نوع الحامض الدهني المستخدم كمصدر للطاقة وعدد ذرات الكربون المكونة له، فمثلاً ينتج حامض البالمتيك (Palmitic Acid) المكوّن من 16 ذرة كربون 129 جزيء ATP، فمع ازدياد عدد ذرات الكربون، تزداد كمية الإستيل مساعد إنزيم -أ الممكن تكوينها.

ويحتاج أيض الدهون من الجسم استخدام كم أكبر من الأوكسجين، لذلك تظل الكربوهيدرات المصدر المفضل للجسم كوقود لإنتاج الـATP بشكل هوائي، وكذلك خلال التمارين اللاهوائية (عندما تكون كمية الأوكسجين محدودة).

كما يمكن أن يستخدم الجسم البروتين لتوليد الطاقة أثناء التمارين الرياضية في حالات الجوع الشديد أو عند استنفاذ الطاقة، حيث يتم إنتاج الإستيل مساعد إنزيم -أ من أيض الاحماض الامينية (أي وحدات البناء الاساسية للبروتينات) لاستخدامه في دورة كربس.

 كما تستخدم الأحماض الأمينية كمصدر للطاقة عن طريق تحويلها إلى جلوكوز بعملية استحداث السكر التي ذكرناها سابقاً، لذلك تُعد البروتينات مصدراً ثالثاً للطاقة. أنظر الشكل (35) الذي يوضح كيف يمكن لمصادر الطاقة المختلفة أن تنتج الإستيل مساعد إنزيم -أ.

ومن المثير للاهتمام أن الجسم يفضل إنتاج الطاقة بشكل هوائي لعدة أسباب منها:

• أن كم الطاقة التي تنتج عنها أكبر بكثير من الطاقة التي تنتج بالطرق اللاهوائية.
• ·         أن فضلات هذه العملية هي الماء وثاني أوكسيد الكربون والتي يسهُل التخلص منها مقارنة بحامض اللاكتيك الذي يشكل عبئاً أكبر على الجسم للتخلص منه.
• ·         تنوع المواد الأولية التي يمكن استخدامها للبدء بتفاعلات التنفس الخلوي، فعملية أيض الدهون في الجسم تتم بالطرق الهوائية، والدهون غالباً ما تتوفر بكميات وفيرة إذا ما قورنت بالكربوهيدرات والبروتينات، ما يُمكِّن هذا النظام من توفير الطاقة لأداء التمارين الرياضية لفترات طويلة جداً.