מבוא
גוף האדם זקוק לאנרגיה כדי לתפקד, אך מניין מגיעה אנרגיה זו? ברור כי תחילתו של התהליך הוא המזון שאנו אוכלים. אבל גופינו לא יכול להשתמש ישירות באנרגיה האגורה במזון – תחילה היא מומרת למולקולה בשם adenosine triphosphate (או ATP), הצורה השמישה של אנרגיה כימית הדרושה לתפקוד התאים בגוף.
במאמר זה נכיר שלוש מערכות המייצרות ATP בגוף האדם. אבל תחילה מהו ATP?
ATP
מולקולת ה-ATP מורכבת מארבע קבוצות. קבוצת adenosine, אליה מחוברת שרשרת של שלוש קבוצות phosphate. צורה סכימתית של מולקולת ATP מתוארת בציור 1.
ציור 1 – מולקולת ATP
הקשר בין קבוצות ה-P במולקולת ה-ATP הוא קשר בעל אנרגיה גבוהה (high-energy bond), ושבירתו משחררת כמות גדולה של אנרגיה.
בתגובה כימית עם מים (hydrolysis), ובעזרת אנזים ATPase, מולקולת ATP מתפרקת למולקולת ADP ומשחררת את אנרגית הקשר.
ציור 2 – ATP + H2O → ADP + Pi + energy
שלוש מערכות אנרגיה
האוכל שאנו אוכלים מורכב מפחמימות, שומנים, וחלבונים. בתהליך העיכול הם מפורקים למרכיביהם הבסיסיים: גלוקוז (glucose), חומצות שומן (fatty acids), וחומצות אמינו (amino acids), בהתאמה. לאחר פירוקם הם מובלים בדם לשימוש מיידי של תאי הגוף, או לאחסון לשימוש במועד מאוחר יותר.
מאחר שמאגרי ה-ATP בתאים הם קטנים מאד, ATP חייב להיות מיוצר ללא הפסקה – ללא ATP אין חיים.
| רעל הציאניד (cyanide) גורם למוות מיידי כי הוא חוסם את ייצור ה-ATP בתאים |
גוף האדם מייצר ATP באמצעות שלוש מערכות אנרגיה.
- Phosphagen
- Anaerobic glycolysis
- Oxidative phosphorylation
Phosphagen system
במהלך פעילות גופנית אינטנסיבית השרירים נדרשים להגיב במהירות ולייצר הספק גבוה, ולשם כך נדרשת כמות גדולה של ATP. כאן נכנסת לפעולה מערכת ה-phosphagen (הקרויה גם מערכת ATP-CP), שהיא הדרך המהירה ביותר ליצור ATP.
מערכת phosphagen היא מערכת אנאירובית (אינה משתמשת בחמצן), זמינה באופן מיידי ומסוגלת לספק הרבה אנרגיה לפרק זמן קצר, לפעילויות הנמשכות עד 30 שניות (ריצות קצרות, הרמת משקלות, זריקת כדור).
בתאי השרירים מצויה כמות קטנה של מולקולה בשם CP – creatine phospate. מולקולת CP תורמת את קבוצת ה-P שלה למולקולת ADP, ובעזרת אנזים creatine kinase מתקבלת מולקולה של ATP.
ADP + creatine phosphate → ATP + creatine
Anaerobic glycolysis
מערכת anaerobic glycolysis היא היא הענף האנאירובי של שימוש באנרגיה של גלוקוז (glucose) כדי לייצר ATP. זוהי מערכת מורכבת, מהירה, אבל לא יעילה.
בתהליך של 10 שלבים היא מייצרת שתי מולקולות ATP מכל מולקולת גלוקוז (מתוך פוטנציאל של 38 מולקולות ATP לכל מולקולת גלוקוז) במהירות גבוה פי 100 בערך מקצב הייצור של ATP במסלול האירובי (המתואר בהמשך), למשך זמן של עד 100 שניות בערך.
בתהליך ה-anaerobic glycolysis משתחררים יונים של מימן (+H) הגורמים לירידת ה-pH (עליה בחומציות) של תאי השרירים, הגורמת לכאב הצריבה המוכר, ולפגיעה בתפקוד השרירים.
Oxidative phosphorylation
oxidative phosphorylation היא מערכת אירובית, תאורטית בלתי מוגבלת בזמן, המספקת את רוב האנרגיה בגופינו. זוהי מערכת רב-שלבית, יעילה מאד אך איטית. להבדיל משתי המערכות הקודמות הפועלות בנוזל התא (cytoplasm), הרי ש-oxidative phosphorylation פועל בתוך גופיפי המיטוכונדריה (mitochondria) של התא.
המערכת מסוגלת להשתמש הן בגלוקוז והן בחומצות שומן לייצור ה-ATP. במרכזה של המערכת עומד תהליך מורכב ביותר בשם cytric acid cycle, המייצר 34 מולקולות ATP מכל מולקולה של גלוקוז, ובערך 100 מולקולות ATP מכל מולקולה של חומצת שומן (תלוי באורכה של חומצת השומן).
בציור 3 מוצגת השוואה בין יכולות ייצור האנרגיה בתלות בזמן של שלוש מערכות האנרגיה.
ציור 3 – השוואת מערכות האנרגיה בגוף