مقاله فیزیولوژی و مسیرهای متابولیکی در فعالیت های ورزشی

در این مقاله فیزیولوژی و مسیرهای متابولیکی فعالیت های ورزشی بررسی شده اند؛ نقش عضلات، تولید انرژی و سازگاری بدن در تمرینات مختلف توضیح داده شده است.

مقدمه:
فعالیت های ورزشی بدنی مستلزم واکنش های فیزیولوژیکی هماهنگ و موثری هستند که در تعامل میان دو گروه اصلی از سیستم های بدن شکل می گیرند. گروه اول، شامل سامانه هایی است که وظیفه دارند انرژی متابولیکی تولید کرده و اکسیژن و سایر عناصر مورد نیاز برای انقباض عضلات اسکلتی را فراهم کنند. این گروه همچنین مسئول دفع مواد زائد حاصل از متابولیسم و تنظیم دمای بدن است.

گروه دوم از سیستم های بدن، نقش حیاتی در حفظ تعادل مایعات و الکترولیت ها ایفا می کنند. درک درست از عملکرد این دو گروه سیستم در هنگام ورزش، برای تحلیل این موضوع که کدام نوع تغذیه می تواند بر اجزای مختلف تمرین تاثیر بگذارد، امری ضروری است.

گرچه بررسی دقیق و جداگانه هر یک از این سیستم ها خارج از محدوده این بخش قرار دارد، اما هدف در اینجا آن است که به برخی از واکنش های فیزیولوژیکی و متابولیکی مهم که در زمان فعالیت های ورزشی رخ می دهند، اشاره شود و نقش کلیدی آن ها در سازگاری بدن با فعالیت های ورزشی روشن گردد.

ماهیچه های اسکلتی:
حدود ۴۵ درصد از وزن بدن انسان را ماهیچه های اسکلتی تشکیل می دهند. این نوع بافت عضلانی نقشی کلیدی در ایجاد نیرو برای حرکت مفاصل، به ویژه در زمان فعالیت های ورزشی دارد.

توان عضله در تولید نیرو به عوامل گوناگونی بستگی دارد؛ از جمله می توان به اندازه سطح مقطع عضله، نوع فیبرهای تشکیل دهنده، تعداد واحدهای حرکتی که درگیر فعالیت هستند، میزان تحریک عصبی (بسامد سیگنال های نورون های حرکتی)، طول عضله در زمان فعالیت و سرعت انقباض آن اشاره کرد.

زنجیزه رویدادهایی که در انقباض ماهیچه موثر است به صورت زیر خلاصه شده است:
1- فعالیت غشای حرکتی و برانگیختگی آلفای نورون حرکتی
2- ورود تکانه الکتریکی در نقطه اتصال اعصاب و عضلات عصبی
3- انتشار عمل بالقوه ماهیچه ها در طول Sarcolemma
4- برانگیختگی جفت یونهای انقباض
a: انتقال برانگیختگی در لوله های کوچک t
b: آزاد کردن کلسیم از شبکه های Sarcoplasmic
c: تاثیر کلسیم روی actin myfi lament
5- تشکیل پیوند Actin~myosin و رشد کششی
6- جذب دوبار کلسیم توسط شبکه های Sarcoplasmic و آزاد شدن ماهیچه ها

برای اینکه عضلات اسکلتی بتوانند وظایف مکانیکی خود را انجام دهند، نیاز به انرژی شیمیایی دارند که از طریق فرایند تجزیه ATP (آدنوزین تری فسفات) تامین می شود. آنزیمی به نام ATPase ماهیچه ای (myosin ATPase) به عنوان کاتالیزور این واکنش عمل می کند.

با وجود اهمیت حیاتی ATP، ذخایر آن در عضلات محدود است (حدود ۵ میلی مول در هر کیلوگرم وزن مرطوب بافت)، بنابراین بدن به مسیرهای متابولیکی دیگر برای بازسازی سریع ATP نیاز دارد تا انقباض عضلانی ادامه یابد. یکی از منابع انرژی سریع، کراتین فسفات (CP) است؛ ترکیبی با انرژی بالا که به مقدار زیادی (نزدیک به ۲۰ میلی مول بر کیلوگرم) در عضله ذخیره می شود.

در شرایط فعالیت شدید، CP سریعاً شکسته شده و انرژی حاصل از آن صرف تولید دوباره ATP می شود. علاوه بر این، تبدیل ADP به ATP نیز امکان پذیر است که این فرایند توسط آنزیم آدنیلات کیناز (adenylate kinase) تسهیل می گردد. مجموعه این واکنش ها، زیرمجموعه سیستم انرژی بدون اسید لاکتیک یا فسفاژن به شمار می آیند.

به جز این، مسیرهای دیگری برای تامین انرژی وجود دارند که بدون نیاز به اکسیژن عمل می کنند؛ مانند سیستم گلیکولیز بی هوازی و چرخه اسید لاکتیک. در مسیر گلیکولیز، گلوکز عمدتاً از تجزیه گلیکوژن ذخیره شده در عضله به دست می آید و در نهایت به لاکتات تبدیل می شود.

این مسیرهای انرژی غالباً هنگام انجام حرکات شدید ولی کوتاه مدت به کار گرفته می شوند. در مقابل، در تمرین های طولانی مدت و پایدار، مسیر هوازی (ایروبیک) نقش اصلی را در تامین انرژی ایفا می کند؛ جایی که سوخت عمده از اکسیداسیون کربوهیدرات ها و چربی ها به دست می آید.

در سال های اخیر، یکی از موضوعات مورد توجه در علم فیزیولوژی عضله، بررسی ارتباط ساختار ماهیچه ها با ظرفیت آن ها در انجام تمرین های ورزشی مختلف بوده است؛ موضوعی که نقش قابل توجهی در تدوین برنامه های تمرینی هدفمند دارد.

ماهیچه های اسکلتی انسان ترکیب دو نوع بافت اصلی می باشند:
1- تیک آرام (ST)
2- تیک سریع (FT)
فیبرهای عضلانی تندانقباض (FT) به دو گروه اصلی تقسیم می شوند: FTa و FTb. این دسته بندی بر اساس تفاوت عملکردی آنها در فرایندهای گلیکولیتیک و اکسیداتیو شکل گرفته است. هر کدام از این نوع فیبرها خصوصیات شیمیایی و متابولیکی ویژه ای دارند که بر عملکرد آنزیم myosin ATPase تاثیر می گذارد.

فیبرهای نوع کندانقباض (ST) عمدتاً از مسیر اکسیداتیو برای تامین انرژی استفاده می کنند، دارای شبکه مویرگی گسترده ای هستند و مقاومت بالایی در برابر خستگی دارند. بنابراین، این نوع فیبرها برای فعالیت های ورزشی طولانی با شدت کم بسیار مناسب اند.

در مقابل، فیبرهای تندانقباض (FT) توانایی بیشتری در متابولیسم گلیکولیتیک دارند، به ویژه گروه FTb که بیشترین فعالیت گلیکولیتیک و کمترین ظرفیت اکسیداتیو را دارد. این فیبرها زودتر خسته می شوند و برای فعالیت های شدید و انفجاری مناسب تر هستند.

هنگامی که شدت تمرین افزایش می یابد، ابتدا فیبرهای ST فعال می شوند، اما با افزایش بار تمرینی، تعداد و فعالیت فیبرهای FT نیز بیشتر می شود. این روند، جذب و درگیر شدن فیبرهای عضلانی در طول تمرین را نشان می دهد و در ورزشکاران به طور مداوم مشاهده می شود، به خصوص زمانی که میزان گلیکوژن عضلات به عنوان شاخصی برای فعالیت فیبرها مورد بررسی قرار می گیرد.

در فعالیت های طولانی مدت، فیبرهای ST به طور اصلی تامین کننده نیرو هستند، هرچند در مراحل بعدی ممکن است فیبرهای FTa نیز وارد عمل شوند. با شدت گرفتن فعالیت، فیبرهای FT نیز به طور کامل فعال می شوند. به این ترتیب، در تمرینات با بالاترین شدت، تمام انواع فیبرهای عضلانی نقش ایفا می کنند (مطالعه Vollestad و Blom در سال ۱۹۸۵).

این الگوهای فعالیت فیبرهای عضلانی به دلیل اهمیت رابطه میان ترکیب بافت عضله و عملکرد ورزشی در ورزشکاران حرفه ای مورد توجه قرار گرفته است. به طور کلی، ورزشکاران استقامتی سطح بالا دارای درصد بالایی از فیبرهای ST (بین ۷۰ تا ۹۰ درصد) هستند، در حالی که ورزشکاران سرعتی و قدرتی از درصد بیشتری فیبرهای FT برخوردارند (مطالعه Costil و همکاران، ۱۹۷۵).

ترکیب فیبرهای عضلانی تحت تاثیر دو عامل اصلی قرار دارد؛ یکی ژنتیک فرد و دیگری تغییراتی که در اثر تمرینات ورزشی به وجود می آید.

متابولیسم تمرین
در طول تمرینات با شدت بالا مانند دو سرعت، منابع اصلی انرژی شامل تجزیه سریع CP و ATP و همچنین تبدیل گلیکوژن به اسید لاکتیک هستند. این فرآیندها حتی در تمرینات ایستا نیز نقش کلیدی دارند. زمانی که فعالیت به حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد حداکثر ظرفیت هوازی (MCV) می رسد، فشار داخل عضله افزایش یافته و باعث کاهش جریان خون می شود؛ این امر انتقال اکسیژن و مواد اولیه لازم برای انقباض ماهیچه های اسکلتی را محدود می کند.

از ابتدای فعالیت، تجزیه فسفازن ها و گلیکوژن در عضلات فعال می شود. اگرچه سیستم گلیکولیتیک توان تولید ATP بیشتری نسبت به سیستم فسفازن دارد، اما میزان انرژی تولیدی آن کمتر است. بنابراین با کاهش ذخایر CP در عضله، سرعت تولید انرژی بی هوازی نمی تواند به طور مداوم حفظ شود (مطابق نمودار ۲-۲). این موضوع به کاهش بازده در طول زمان فعالیت منجر می شود.

در فعالیت های طولانی مدت، متابولیسم اکسیداتیو مسئول تولید بخش عمده ای از ATP مورد نیاز برای انقباض عضلانی است. هرچند اکسیداسیون اسیدهای آمینه در میزان کمی رخ می دهد، کربوهیدرات ها و چربی ها به عنوان منابع اصلی انرژی اکسیداتیو شناخته می شوند. نسبت استفاده از این دو منبع انرژی تحت تاثیر شدت و مدت تمرین، رژیم غذایی پیشین، میزان مواد اولیه در دسترس و شرایط محیطی قرار دارد.

گلیکوژن ذخیره شده در عضلات نقش حیاتی در تامین انرژی به ویژه در فعالیت های شدید و کوتاه مدت و همچنین فعالیت های طولانی ایفا می کند. سرعت استفاده از این ذخایر در مراحل اولیه فعالیت بسیار بیشتر بوده و با شدت تمرین ارتباط مستقیم دارد (مطالعات Vollestal و همکاران، ۱۹۸۴ و ۱۹۹۲).

با ادامه فعالیت، ذخایر گلیکوژن عضله کاهش می یابد و گلوکز خون به عنوان منبع کربوهیدراتی اصلی وارد عمل می شود. جذب گلوکز توسط عضلات با افزایش شدت و مدت زمان فعالیت افزایش می یابد. این فرایندها با متابولیسم گلوکز و جریان خون در عضلات هماهنگ هستند (مطالعه Hargreaves، ۲۰۰۰).

به طور همزمان، افزایش جذب گلوکز توسط عضلات با تولید گلوکز در کبد همراه است، به طوری که سطح گلوکز خون معمولاً در حد نرمال یا کمی بالاتر از حالت استراحت حفظ می شود. بخش عمده گلوکز تولید شده توسط کبد از طریق فرآیند گلیکوژنز تامین می شود. در مراحل پایانی فعالیت های طولانی، زمانی که ذخایر گلیکوژن کبد کاهش می یابد، گلیکوژنز به عنوان منبع مهمی برای تامین گلوکز باقی می ماند.