Çoğumuz kendimize bakmayı ve sağlıklı olmayı hayatlarımızın merkezine koymuş durumdayız. Sağlıklı olmak için düzenli egzersiz, bilinçli beslenme, ek kilo alımından sakınma, yağlı gıdalardan uzak durma gibi farklı uygulamaları günlük yaşamımızda uygulamaya çalışıyoruz.
Vücudumuzun ihtiyaç duyduğu enerjiyi hangi şekillerde elde ettiğini anlamak ve bu mekanizmalardan elde edilen verimi artırmak için gerekli davranış veya yaşam stili değişikliklerini yapabilmek de sağlıklı yaşama giden yollardan biri olarak önümüzde çıkıyor.
Bu yazı serisine, egzersiz sırasında vücudumuzun kullandığı enerji mekanizmalarından bahsedip perde arkasında nasıl bir biyokimyasal döngü olduğundan bahsederek başlamak istiyorum. Devam niteliğindeki diğer yazılarda da takip edilen beslenme protokolüne göre enerji üretim mekanizmalarındaki adaptasyonlardan ve antrenman türlerine göre hangi enerji üretim mekanizmalarının daha çok tercih edildiğinden bahsedeceğim.
Konuya öncelikle vücudumuzun varlığını sürdürebilmesi için gereken ve aynı zamanda antrenman sırasında kaslarımızın ihtiyaç duydukları enerjinin tanımından başlamak istiyorum. Vücudumuz, diğer birçok organizma gibi enerjisini ATP (adenozin trifostat) adı verilen ve bir adenozin ile üç fosfat içeren moleküllerden elde etmektedir, ATP’yi bir nevi vücudun kullandığı enerji para birimi gibi düşünebilirsiniz.
ATP, yediğimiz gıdalardaki kimyasal enerji kullanılarak ADP molekülüne yeni bir fosfat eklenmesi ve bu sırada gıdalardan alınan kimyasal enerjinin bu yeni fosfat bağına aktarılması ile elde edilir. İzlediğiniz beslenme protokolü ketojenik beslenme, paleo diyeti, aralıklı oruç, vejetaryenlik veya klasik batı diyeti olabilir; ancak hücrelerinizin kullandığı enerji her durumda ATP olarak üretilmekte ve iskelet kaslarınızın (çizgili kaslarınızın) işlevlerini sürdürmesinde kullanılmaktadır. Kas kasılması sırasında ATP iskelet kaslarında yer alan miyozin adlı kalın protein yapıdaki ipliklerin ince ve uzun yapıdaki aktin proteinlerinden oluşan iplikçiklere tutunmasını ve bu sayede kasın kasılmasını sağlar. Bu işlem sonucunda ATP fosfatını kaybederek (yani fosfat bağındaki enerjiyi kullanarak) ADP’ye dönüşür.
Son ürün olarak ATP üretiliyor olsa da beslenme şeklinize, yaptığınız antrenmanın süresine, yaptığınız antrenmanın yoğunluğuna ve vücut kompozisyonunuza göre ATP’nin nasıl üretildiği değişiklik gösterebilir. ATP, solunum adı verilen ve yaşayan organizmalarda enerji üretimini sağlayan bir süreç ile üretilir ve oksijenli (aerobik) ve oksijensiz (anaerobik) olmak üzere iki ana çeşide sahiptir. Yazının bundan sonraki bölümünde enerji üretimi ile kast edilen olgunun aslında ATP üretimi olduğunu varsayabilirsiniz.
Aerobik solunum ile enerji üretimi Krebs, sitrik asit (SAD) veya trikarboksilik asit döngüsü olarak adlandırılan döngüsel tepkimeden (döngünün sonunda oluşan çıktıların bir sonraki döngüde girdi olarak kullanıldığı) ve bunu takiben oksidatif fosforilasyon adı verilen işlemden üretilir. Anaerobik solunumda enerji, fosfajen sistem (anaerobik alaktik) sistem ve anaerobik laktik sistem olmak üzere iki farklı şekilde elde edilebilmektedir.
Burada kısa bir ara verip yazının bundan sonrasında kullanacağım bazı tanımlardan bahsetmek istiyorum:
Glikoliz : Yunanca kökenli Gliko yani tatlı, şekerli kelimesi ile Lisis yani erime, çözünme, çözme kelimesinden türemiştir ve glikozun parçalanması (hidrolize olması) anlamına gelir. Hücrede sitoplazmada (hücreyi dolduran saydam yarı akışkan sıvı) gerçekleşir. Glikoliz sonunda 1 glikoz molekünden 2 piruvat, 2 NADH ve 2 ATP üretilir.
Glikojenez : Yunanca kökenli Gliko yani tatlı, şekerli kelimesi ile Jenez yani olma, oluşma kelimesinden türemiştir ve glikoz moleküllerinin, depolanmak üzere daha büyük olan glikojene çevrilmesi anlamına gelir. Karaciğerde ve kas hücrelerinde, glikoz ve ATP miktarları nispeten yüksek olarak bulunduğunda gerçekleşir. İnsülin hormonu tarafından tetiklenir ve 1 glikoz molekülü için 2 ATP harcanarak gerçekleşir.
İnsülin : Pankreas tarafından salgılanan bir hormondur ve kandaki glikoz seviyesini düzenler. İnsülin salgısının artması ile hücreler kandaki glikozu alarak ya glikojenez ile depolanmak üzere glikojene çevirirler ya da enerji ihtiyaçlarını karşılamak üzere kullanırlar.
Pirüvat : Glikozun glikoliz ile parçalanması sonucu oluşan 3 karbonlu bir şeker molekülüdür. Aerobik solunumda yani ortamda yeterli oksijen olduğu durumda oluşan pirüvat mitokondriye girerek oksijenli solunum ile karbondioksit (CO2), hidrojen iyonlarına ve NADH’ye dönüşür. Ortamda yeterli oksijen yok ise pirüvat fermente olur ki bu fermantasyon bitkilerde ve mantarlarda etanolü, hayvanlarda laktik asidi oluşturur.
Laktat: Oksijenin yeterli olmadığı ortamda, glikoliz sonucu üretilen pirüvatın fermentasyonu sonucu oluşan organik moleküldür. Vücut içerisinde taşınabilmesi için bir proton kaybederek Laktik Asit haline gelir.
Kreatin fosfat : Fosfokreatin olarak da adlandırılan bir moleküldür. Vücutta karaciğer ve böbrekte üretilen veya gıdalar ile dışarıdan alınan organik bir bileşen olan kreatinin fosfor ile bağlanması sonucu üretilir. Yüksek miktarda enerji içerir ve ADP’den ATP elde edilmesi sırasında kullanılır.
Asetil CoA : Asetil koenzim A olarak adlandırılan ve pirüvatın oksijenin yeterli olduğu ortamda mitokondriye girmesi sonucu elde edilen bir koenzimdir (enzime yardımcı olan madde). Mitokondri içine giren pirüvatın, pirüvat dehidrojenez enzimi ile parçalanması sırasında koenzim A tepkimeye katılır ve 1 pirüvat molekülünden 2 karbondioksit molekülü, 1 NADH ve 1 Asetil CoA üretilir.
Sitrik Asit Döngüsü (SAD) : Krebs Döngüsü veya Trikarboksilik Asit Döngüsü olarak da adlandırılır. Glikozun, glikoliz ile başlayan katabolik (yıkımsal) süreçte önce pirüvata ardından asetil coA’ya dönüştürülmesinden sonra gelen enerji üretim döngüsüdür. Sitrik asit döngüsünün bir turunda 2 CO2, 3 NADH, 1 FADH2 ve 1 ATP üretilir.
NADH, FADH2: NADH (nikotinamid adenin dinükleotit) ve FADH2 (flavin adenin dinükleotit) adı verilen koenzimler, yüksek enerjili biyokimyasal moleküllerdir ve “elektron taşıma zinciri (ETZ)” adı verilen mekanizma ile mitokondride ATP üretilmesine katkıda bulunurlar.
Elektron taşıma zinciri : Mitokondrinin iç zarında bulunan bir dizi protein ve organik molekülün genel adıdır. Oksijenli solunum sırasında üretilen NADH ve FADH2 moleküllerinde taşınan elektronlardaki enerjiyi açığa çıkararak ATP üretiminde kullanılmasını sağlar.
Oksidatif fosforilasyon : Oksijenin yeterli olduğu ortamda glikozun parçalanması sırasında farklı aşamalarda üretilen NADH ve FADH2 moleküllerinden elektron taşınım zinciri yardımı ile ATP üretilmesi sürecine verilen genel addır. 1 NADH molekülünden 3 ATP, 1 FADH2 molekülünden 2 ATP enerji elde edilmektedir.
İnsan vücudunda enerji üretimi, genel olarak glikozun parçalanmasına ve sonrasında ortamda oksijen olup olmamasına ve enerji ihtiyacının süresine bağlı olarak gerçekleşiyor (Takip edilen beslenme protokolü düşük karbonhidrat-yüksek yağ alımını baz alsa dahi enerji üretiminin büyük kısmı yine SAD ve oksidatif fosforilasyon aşamalarını içerdiği için yazıda enerji üretiminin glikoliz ile başladığı varsayılmıştır.). Şimdi sırasıyla bu enerji üretim mekanizmalarına göz atabiliriz:
1) Anaerobik Solunum
a. Anaerobik Alaktik : Oksijensiz (anaerobik) ve laktik asit üretmeyen (alaktik) bir enerji üretim mekanizmasıdır. Fosfajen veya ATP-Kreatinfosfat sistemi olarak da adlandırılır. Hücrede ani enerji ihtiyacı ortaya çıktığında, hücrede bulunan ATP’ler ADP’ye indirgenerek enerji elde edilir. Üretilen ADP’lerin yine hücrede bulunan kreatinfosfat içinde yer alan fosfor ile birleşerek tekrar ATP üretilmesi ve ATP’den tekrar enerji elde edilmesi sağlanır.
b. Anaerobik Laktik : Glikoliz ile parçalanan glikozdan elde edilen pirüvat molekülünün oksijensiz solunum ile NADH ve laktata dönüştüğü bir indirgenme reaksiyonunu içerir. 1 glikozdan 2 pirüvat, 2 NADH ve 2 ATP elde edilir.
2) Aerobik Solunum
a. Glikoliz ile oluşan pirüvat, ortamda yeterli oksijen olduğunda mitokondri içine girerek SAD’a girmek üzere asetil coA’ya dönüşür ve SAD sonucunda kasları besleyecek enerji kullanıma hazır halde olan ATP ve ek bir işlemden geçmesi gereken NADH, FADH2 olarak açığa çıkar. NADH ve FADH2 üzerindeki enerjiyi taşıyan hidrojen atomları mitokondride yer alan elektron taşıma zincirinden geçer. Bu sırada oksijen kullanılarak su oluşur ve açığa çıkan enerji ve diğer bileşikler ile ADP ATP’ye sentezlenir. NADH ve FADH2’den ETZ aracılığı ile ATP edilen bu işlem oksidatif fosforilasyon olarak adlandırılır.
Enerji üretim çeşitlerini tanımladıktan sonra bu sistemlerin birbiriyle ilişkisini, her biri ile üretilen enerji miktarını ve hangi durumlarda gerçekleştiklerini inceleyebiliriz.
ATP üretimi için kullanılan mekanizmalar için vücudun belirli bir sıralaması bulunmamakta olup bahsi geçen bütün enerji üretim mekanizmaları vücutta eşzamanlı olarak kullanılmaktadır. Yazıda, antrenmanın süresi ve yoğunluğuna bağlı olarak hangi mekanizmaya daha fazla ağırlık verildiğini vurgulayabilmek ve süreçleri daha anlaşılabilir kılmak için bir anlatım sırası belirlenmiştir, bu sıralama bir önceliklendirmeden ziyade ağırlıklandırma olarak değerlendirilmelidir.
Herhangi bir sebeple ile kaslar kullanılmaya başlandığında oluşan ani enerji yani ATP ihtiyacına cevap verebilmek için hücreler ilk etapta en kolay yolu tercih eder. Bu da kullanıma hazır durumda bulunan ATP’lerin kas hücrelerinde kasılmayı gerçekleştirmek üzere kullanılması demektir. Hazırda bulunan ATP molekülleri kullanılmaya başlandığı anda artan ATP talebini karşılamak için ATP-CP sistemi devreye girer ve yeni ATP molekülleri üretilmeye başlanır. ATP ihtiyacı, bu iki yol ile karşılanamamaya başladığında diğer enerji üretim mekanizmalarının ağırlığı artmaya başlar.
Kaslar tarafından kullanılacak olan ATP, erişimi kolay kaynaklar tarafından karşılanamadığında anaerobik laktik ve aerobik solunum ile üretilen ATP miktarı da artar. Glikoliz sonucu açığa çıkan glikoz, ortamda oksijensiz şekilde pirüvata ve sonrasında da laktata dönüştürülür. Eşzamanlı olarak oksijen miktarına bağlı olarak ortaya çıkan pirüvat mitokondri içine alınarak SAD’a katılır ve takiben oksidatif fosforilasyon ile ATP üretimi gerçekleşir. Pirüvattan ATP üretiminin oksijenli solunum ile mitokondri içinde mi gerçekleşeceği yoksa oksijensiz solunum ile mitokondriye girmeden mi gerçekleşeceği, hücreye sağlanan oksijen ile belirlenmektedir.
Enerji üretiminde kullanılan glikozun hangi kaynaklardan elde edildiği ve nasıl üretildiği beslenme disiplinini de içinde katan daha geniş bir konu olduğu için başka bir yazının konusu olarak bırakıyor ve bu konuya daha fazla detaya girmiyorum.
Hücrelerimiz oksijensiz şekilde enerji elde edebildiği halde oksijenli üretimi tercih etmelerinin sebebi nedir ?
Buradaki belirleyici etkenler iki solunum mekanizması sonunda elde edilen net ATP miktarlarındaki farklılığın yanı sıra hangi sürecin daha verimli ve sürdürülebilir olduğudur. Kullanıma hazır şekilde tutulan ATP stoğu yetersiz olduğu için çok kısa süreli enerji ihtiyacını cevaplayabilirken ATP-CP mekanizması da kullanıma hazır kreatin fosfat stokları el verdiğince kullanılabilir. Anaerobik solunumda pirüvatın laktata dönüştürüldüğü mekanizmada ise laktatın hücreden uzaklaştırılma hızı üretilme hızına yetişemediği için artan asidite hücresel faaliyetleri etkilemekte ve enerji üretiminin hızını olumsuz etkilemektedir.
Enerji üretiminde oluşan laktat (veya laktik asit) ayrıntısına girmeden sadece enerji üretim mekanizmalarından bahsedeceğim. Laktik asit ve laktat eşik değeri hakkında yazılacak çok şey olduğu için onlar da bu yazı serisinin diğer bölümlerinde ele alınacak.
Enerji üretim mekanizmalarında üretilen enerji miktarlarını incelediğimizde neden oksijenli solunumun tercih edildiği biraz daha netleşecektir (tercih edilme ile kast edilen enerji üretiminde oksijenli solunumun ağırlığının daha fazla olması durumudur). Ortamda yeterli oksijen olduğunda SAD sırasında üretilen kullanıma hazır ATP’ler doğrudan kas hareketinde kullanılırken NADH ve FADH2 molekülleri ETZ’ye aktarılır ve oksidatif fosforilasyon süreci ile bu moleküllerdeki enerji ATP üretiminde kullanılır. Literatürde 1 NADH molekülünden 3 ATP, 1 FADH2 molekülünden 2 ATP üretildiği bilgisi yer almaktadır. Ancak son dönemde yapılan araştırmalar bu süreçteki verimsizlikler sebebi ile gerçek ATP miktarlarının daha az olduğunu göstermektedir. Bu yazıda ATP miktarlarını genel kanı görmüş karşılıklarını kullanarak hesaplayacağız.
1 glikozdan 2 pirüvat elde edildiği ve SAD’ın her turunda sadece 1 adet pirüvat kullanıldığı için 1 glikoz molekülünden enerji üretiminde SAD’ın 2 defa tamamlanması gerekmektedir. Her iki solunum türü de glikoliz basamağı ile başlarken ortamda oksijen olması durumunda pirüvattan SAD ve ETZ aracılığı ile çok daha yüksek miktarda ATP elde ediliyorken oksijen tedariğinin yetersiz olması halinde enerji elde etme süresi daha kısa olsa dahi elde edilen enerji miktarı diğer sürece göre çok daha az olmaktadır.
Şu ana kadar yazıda ağırlıklı olarak karbonhidratlardan glikoz elde edilmesi ve bu glikozun da enerji üretim mekanizmalarında kullanılmasından bahsettim; ancak bu kısım hikayenin daha sadece başlangıcı.
Bu yazıda fark edeceğiniz üzere karbonhidrat temelli enerji üretimi dışındaki konulardan bahsedilmiyor. Enerji üretimi konusunu, kanın asiditesindeki değişimin kas işlevlerine etkisi, üretim süreçlerinde glikoz yerine ketonların kullanılması, glikoz ve keton cisimlerinin ATP üretimi açısından verimlilikleri ve vücudun hangi durumlarda hangi bileşeni tercih ettiği gibi daha birçok farklı bakış açısından irdelemek gerekiyor. Devam yazılarında konuyu bu açılardan ele almaya devam edeceğim.
Spor ve sevgiyle kalın...
Kaynaklar
1. G. Artioli, R. Bertuzzi, H. Roschel, S. Mendes, A. Lancha, E. Franchini, “Determining the Contribution of the Energy Systems During Exercise”, Journal of Visualized Experiments, 2012, 61:3413, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3415169/
2. Brigham Young University, Anatomy & Physiology Lecture Notes, https://content.byui.edu/file/a236934c-3c60-4fe9-90aa-d343b3e3a640/1/module8/readings/energy_cycle.html
3. S. Eberle, Endurance Sports Nutrition-3rd Edition, 2014