АТФ - енергийната валута на клетките

Какво ще научиш

• Какво е АТФ;
• Защо АТФ е критично важен за съществуването ни;
• Къде се произвежда;
• Как се произвежда;
• Как хранителните вещества участват в енергийния обмен;
• АТФ като хранителна добавка.

Какво е АТФ

Пълното наименование на АТФ е аденозин трифосфат. Среща се и като аденозинтрифосфорна киселина.

Аденозин идва от това, че молекулата на АТФ съдържа азотна база аденин, а трифосфат идва от това, че съдържа 3 молекули фосфорна киселина. Между аденина и групата форсфорни киселини стои молекулата рибоза.

Особеност на трифосфатните молекули е тяхната нестабилност и наличието на така наречените макроергични връзки - части от молекулата, в които има висок риск тя да бъде разцепена. Разцепването на тези макроергични връзки води до отпускането на енергия.

Затова трифосфатните молекули са изключителни важни за нашия организъм и служат като важни молекулни механизми за съхраняване и пренасяне на химична енергия в клетките.

За какво е необходим АТФ

АТФ е необходим за почти всяко действие в тялото – като започнем от съкращаването на скелетната мускулатура, преминем през мускулите отговорни за храносмилането и стигнем до производството на ензими. Всъщност аденозин трифосфатът е необходим и за пренасянето на молекули през клетъчните мембрани и... за да формираме още АТФ.

Къде се произвежда АТФ

Основната "работилница" за АТФ са митохондриите.

Те са клетъчни органели и се намират във вътрешността на клетките. Представляват заоблени мехурчести структури с две мембрани:

• гладка външна мембрана, през която проникват различни метаболити;
• вътрешна, изградена от кристи, които от своя страна представляват многобройни гънки, насочени към вътрешността.

Именно във вътрешната мембрана се намират ензимите на дихателната верига и ензимът АТФ-синтетаза, синтезиращ АТФ.

Митохондриите са отговорни за около 95% от производството на енергията, необходима на тялото, а останалите 5% се произвеждат от други части на клетките.

Ето защо тези клетъчни органели са от изключителна важност за цялостното ни здраве и функциониране и често се наричат „клетъчни енергийни фабрики“.

Грубо казано, основна отговорност на митохондрията е да превръща протеини, въглехидрати и мазнини в енергия. Митохондриите са явяват вътреклетъчни лаборатории, с много застъпени процеси в тях:

• повечето реакции от цикъла на Кребс;
• окислението на мастните киселини;
• дезаминирането на глутамата;
• окислително декарбоксилиране на пирувата до ацетил-КоА;
• някои реакции от аминокиселинната обмяна.

Много от енергията в основните макро хранителни вещества не може да бъде използвана от тялото, докато не бъде окислена. След като това се случи, се освобождава енергията, която е била съхранена в химичните връзки.

В митохондриите тя се превръща в аденозин трифосфат или АТФ – източникът на химическа енергия за клетките.

Как се произвежда АТФ

Както стана ясно, за да извършват телата ни всички важни функции, се изисква постоянен поток на АТФ. За целта макро хранителните вещества - белтъчини, въглехидрати и мазнини, се разграждат до основните си единици, след което могат да се използват за генерирането на енергия.

Тези вещества могат да дойдат както от храната, която приемаме, така и от съхранените в тялото ресурси, като например от запасите в клетките на черния дроб (хепатоцити), на мускулите (миоцити) или от мастните клетки.

Независимо от източника им обаче, макро хранителните вещества се разграждат до аминокиселини, глюкоза и мастни киселини.

За всички клетки и тъкани в организма, които се нуждаят от повече АТФ, с най-голяма важност са триглицеридите и гликогенът, явявайки се като ключови за запасите на вещества. Те не само че осигуряват енергия за органите, в които се намират, но и са отговорни за всички клетки, нямащи собствена възможност да съхраняват вещества, от които може да се произведе енергия.

Гликогенът се разгражда до глюкоза, триглицеридите – до мастни киселини или кетонни тела, а протеините – до аминокиселини.

След това крайните вещества могат да участват в процеса на енергиен обмен както в клетките, в които се намират, така и чрез кръвообращението да постъпят в периферните клетки, за да произведат АТФ.

АТФ-ФК

Първият метаболитен път за производство на АТФ е познат като аденозин трифосфат – фосфокреатин (ATP-PCr). Както името показва, системата е съставена от АТФ и фосфокреатин. Тя осигурява енергия без участието на кислород.

АТФ-ФК обикновено е първата система, която се включва, когато тялото започне да използва АТФ с по-високи темпове, например при тренировки.

АТФ-ФК действа в цитозола на клетките ни и участва в бързата регенерация на АТФ от АДФ (аденозин дифосфат) и Ф (фосфат).

Използва ензима креатин киназа, за да разруши химичните връзки между молекулите на креатина и фосфата, които вече са свързани в фосфокреатин.

След разкъсването на тези връзки, свободно в клетките се освобождават молекулите креатин, фосфат, както и енергия.

Тази енергия и новата фосфатна молекула помагат за възстановяването на АТФ.

С новосъздадения аденозин трифосфат се осигурява енергия за физиолигичните нужди.

Формираният по този път АТФ обаче може да помогне за кратко време. Въпреки че запасите на фосфокреатина в тялото са около 6 пъти по-големи от тези на АТФ, по време на периоди с интензивна потребност от енергия (например максимално усилие за мускулно съкращение), ФК запасите може да осигурят енергия за около само 10 секунди.

AТФ-ФК може да се илюстрира много добре като спринт. След 10 секунди спринтиране, тялото е принудено да забави ритъм, защото в мускулите намаляват концентрациите на АТФ и ФК.

Поради тази причина приемът на креатин като хранителна добавка може да подобри мускулното представяне, защото в мускулите ще има на разположение повече креатин (и фосфокреатин), когато има високоинтензивна мускулна контракция за кратък период от време и необходимост от повече АТФ.

И така, какво се случва, ако искаме да продължим усилието след тези 10 секунди?

Включват се други пътища за производство на АТФ.

Гликолиза

Когато енергийната потребност е висока и продължи повече от 10 секунди от физическото усилие, запасите от ФК започват да се изчерпват и друга енергийна система взима участие, за да регенерира АТФ. Интересното е, че тя се задейства по същото време, по което и АТФ-ФК, но тъй като е много по-бавна, не допринася много за енергийния трансфер по време на първите 10 секунди.

Тази система, намираща се в цитозола, разгражда запасите от мускулен гликоген, наличната глюкоза в кръвта и глицерола от триглицеридите, за да помогне в регенерирането на АТФ.

Тя е далеч по-сложна от АТФ-ФК и при нея от всяка молекула глюкоза, използвана в процеса, се получават 4 молекули АТФ (от АДФ и Ф). Тъй като обаче процесът гликолиза „струва“ 2 молекули АТФ, реално от всяка молекула глюкоза, използвана в АТФ-ФК се получават 2 молекули АТФ, 2 молекули пируват (краен продукт на гликолизата) и 2 молекули – NADH.

В сложното протичане на този процес има любопитна подробност относно млечната киселина, за която популярно се смята, че причинява „парене“ и умора в мускулите. Всъщност обаче нещата не стоят така.

Ако гликолизата протече бързо, както би следвало да бъде при по-високо интензивна активност, накрая ще има произведен и значителен по количество пируват.

Бързият процес на гликолиза освобождава и много водородни йони в клетките, като остатъчен продукт от разкъсването на химичните връзки. Тъй като водородните молекули могат бързо да изморят мускулните клетки, на бързия им темп на освобождаване трябва да се отговори с буфер. Чрез гликолиза, естествените водородни рецептори NAD+ и пируватът се задействат по това направление.

Те „вземат“ възможно по-бързо водородните молекули, NAD+ става NADH, а пируватът се превръща в небезивестната млечна киселина. И обратно на популярното мнение, млечната киселина по-скоро служи като водороден буфер, който извежда водородните йони извън клетките, отколкото като причина за мускулно парене и умора.

Всъщност това свързване на NAD+ и пирувата към излишните водородни йони ни позволява да продължим да тренираме.

Гликолизата има възможност да регенерира АТФ и да поддържа интензивна физическа активност за около 80 секунди след първите 10 секунди с АТФ-ФК.

Около и след тези 80 секунди се включва третият път за производство на АТФ – окислително фосфорилиране.

Окислително фосфорилиране

Когато физическото усилие продължи след 80-90 секунди, интензивността може трябва да намалее поради три основни фактора:

• изчерпването на фосфокреатин;
• максимална скорост на гликолизата ;
• високи нива на киселинност в мускулите.

В тази точка просто човек е принуден да забави темпо, но ако продължи да се движи в средно темпо, окислителното фосфорилиране идва на помощ.

Стига да може да се използва кислород, тази система за производство на АТФ продължава независимо. Окислителното фосфорилиране е най-бавният път, но пък има огромен капацитет за възстановяването на АТФ. Ако кажем, че АТФ-ФК е спринтьор на 100 м, то окислителното фосфорилиране е ултрамаратонец.

Системата е съставена от два процеса – цикълът на Кребс и електронната транспортна верига.

Повече за цикъла на Кребс може да прочетете тук,  а за целта на на тази статия трябва да отбележим, че с едно завъртане на цикъла, протичащ във вътрешната мембрана на митохондрията, се получават 1 молекула АТФ, 2 молекули въглероден диоксид и 8 водородни йони.

Въпреки че по време на цикъла на Кребс се произвеждат много водородни йони, те няма да причинят бързо умора, подобно на тези при гликолизата.

Вместо това, водородните йони се свързват към NAD+ и FAD+ в митохондрията, след което се пренасят към следващата стъпка от процеса на окислителното фосфорилиране – електронната транспортна верига.

И така, NADH (NAD+и водород) и FADH2 (FAD+ и 2 молекули водород), получени по време на цикъла на Кребс, пренасят водородните молекули през митохондрията и прехвърлят заредените им електрони към специални молекули, намиращи се в кристите на вътрешната мембрана на митохондрията.

След още няколко стъпки във вътрешната мембрана, свързани с протоните на водородните молекули и производството на енергия, се стига до 32 молекули АТФ от 1 молекула глюкоза.

И трите системи играят огромна роля, за да живеем, дишаме и да се движим. С помощта гликолизата и окислителното фосфорилиране, от 1 молекула глюкоза общо се генерират между 30 и 38 молекули АТФ.

Метаболизъм на хранителните вещества

След като обсъдихме трите основни процеса за обмен на енергия, в които макро хранителните вещества участват за формирането на АТФ, е редно да изброим накратко и основните метаболитни пътища, през които белтъчини, въглехидрати и мазнини минават, за да помогнат регенерирането на АТФ

Въглехидратен метаболизъм

Въглехидратите играят важна роля в храненето поради 2 основни причини:

• те са най-бързо действащият източник за енергиен трансфер от хранителните вещества;
• запасите им в тялото са ограничени.

Това обаче не означава, че хората трябва да се придържат към високовъглехидратни режими, тъй като до глюкоза може да се стигне и от невъглехидратни източници.

Пет са основните метаболитни пътища, по които въглехидратите могат да поемат, за да помогнат евентуално при регенерацията на АТФ.

1. Гликогенеза: синтез на гликоген от глюкоза;
2. Гликогенолиза: синтез на глюкоза от гликоген;
3. Гликолиза: от глюкоза до пируват;
4. Цикъл на Кребс и електронна транспортна верига: от Ацетил-КоА до АТФ, въглероден диоксид и вода;
5. Глюконеогенеза: синтез на глюкоза от невъглехидратни източници.

Метаболизъм на мазнините

Въпреки че мазнините бяха набедени за лоши през последните години, сега все по-ясно става тяхното важно значение за цялостното здраве на човек.

Мастните киселини и триглицеридите имат 4 основни роли:

• Участват и подпомагат регулирането на функциите на хормоните;
• Осигуряват структурата на плазмените мембрани;
• Явяват се най-големият източник на енергия в тялото;
• Помагат при транспортирането на конкретни витамини и минерали в тялото.

Шест пък са основните метаболитни пътища, отнасящи се до разграждането на мазнини и участието им в енергийните обмени.

1. Триглицериди и мобилизация на мастни киселини: запасите от мастни киселини са обединени в молекули, познати ни като триглицериди. За да бъдат използвани в енергийния трансфер, триглицеридите трябва да бъдат разградени до мастни киселини;
2. B-окисление (Бета-окисление): мастните киселини се разграждат до Ацетил-КоА – молекула, която играе важна ключова роля в енергийния трансфер, включваща се активно в цикъла на Кребс;
3. Формиране на кетонни тела: когато енергийните потребности са високи и приемът на въглехидрати е недостатъчен, черният дроб произвежда молекули, познати като кетонни тела, които са изпозлвани като източник на енергия.
4. Синтез на мастни киселини: наблюдава се при богата на захар хранене и ниска потребност на енергия и представлява формиране на мастни киселини не само от постъпилите чрез храненето мазнини, но и от допълнителни хранителни вещества от всякакъв вид, чийто прием се явява екстра над потребностите ни;
5. Синтез на триглицериди;
6. Синтез на холестерол.

Метаболизъм на белтъчините

Аминокиселините, от които са изградени протеините (белтъчините) са отговорни за всичко от нашата структура, хормони, ензими, имунна система (имуноглобулини и антитела), транспортни протеини и други.

Без хранене, което да осигури есенциалните аминокиселини, функционирането ни се затруднява. Въпреки че са толкова важни генерално, в контекста на енергийния обмен те играят малка роля.

Четири са основните процеса, отнасящи се до белтъчините и имащи принос при формирането на енергия.

1. Аминокиселинен „басейн“: в тялото терминът „басейн“ характеризира групирането на конкретни молекули в специфично място/тъкан. Има няколко аминокиселинни басейна в тялото, които са отговорни за физиологични реакции;
2. Разграждане на аминокиселини: три са основните роли на аминокиселините в тялото – могат да формират нови протеини; могат да бъдат използвани за синтез на глюкоза (глюконеогенеза) и могат да бъдат използвани при процесите на регенериране на АТФ;
3. Дезаминиране (първата стъпка в разграждането на аминокиселините, което представлява премахване на аминните групи);
4. Трансаминиране (трансфер на амино група от аминокиселина до алфа-кето киселина).

АТФ като добавка

След като разбрахме колко важен е АТФ за съществуването ни, вероятно в някои хора изниква въпросът „може ли да се приема като добавка?“.

Доказани и потенциални ползи от приема на АТФ

Да, АТФ се предлага под формата на добавка, но с днешна дата приемът ѝ не се радва на особена популярност, както преди години.

Причината е, че докато реалните ползи при изследвания с мишки са обещаващи, то при хората нещата стоят различно.

Например, според някои изследвания прием на АТФ може да подобри спортното представяне, тъй като подобрява кръвоснабдяването към активната тъкан и спомага за по-бързо възстановяване, но други заключават, че приемът на аденозин трифосфат не увеличава концентрацията на веществото в кръвната плазма.

Странични ефекти от приема на АТФ

Не са известни странични ефекти от прием на аденозин трифосфат, но следва да се отбележи, е най-дългото изследване по това направление е само с 12 седмици продължителност.

Прием с други добавки

За увеличаване на ползите за спортното представяне, АТФ може да се комбинира с креатин и бета-аланин.

Препоръчителни дози

За да се увеличат всякакви потенциални ползи, се препоръчва прием от 400 мг АТФ около 30 минути преди тренировка. В почивни дни дозата е същата, а приемът е на празен стомах, 30 минути преди първото хранене за деня.