Energiemetabolisme en substraatselectie tijdens lichaamsbeweging
- Basisprincipes
o spierstructuur
sarcomeer = structuur tussen twee Z-lijnen
➢ Z-lijn = aanhechting actine
➢ M-lijn = aanhechting myosine
➢ myosine = hydrolysatie ATP = energie vrijgave = omzetting mechanische energie
mitochondrien lopen parallel met myofribrillen
Sarcoplasmatisch Reticulum
➢ structurele stabiliteit (loopt rondom myofibrillen)
➢ opslagplaats Ca+2
→ actief transport naar SR
→ Rust = [Ca2 +] hoger in SR vs sarcoplasma
→ Ca2 + -release in de cel initieert sarcomeer contractie
T-tubuli
➢ verderzetting van plasma membraan = ‘tunnel’
➢ staat in contact met het SR
➢ voortzetting van elektrochemie = depolarisatiegolf van het sarcolemma aan de SR
o depolarisatie
Motorische eindplaat -> sarcolemma -> t-tubuli -> SR
Neuromusculaire junction
➢ Zenuwimpuls bereikt de axonterminal
➢ Acetylcholine komt vrij
➢ Activering van acetylcholinereceptoren op sarcolemma
➢ Receptoren worden ionenkanalen = beetje K + uit en veel Na + erin
➢ Verandering in membraanpotentiaal = binnenkant cel is positief geladen = AP
Voortgezette verspreiding van actiepotentieel langs sarcolemma en de T-Tubuli
T-tubuli zet AP voort naar SR (in contact met elkaar)
o Sliding filament theory
Cross bridge formatie
➢ Ca2 + release van SR = instroom in sarcoplasma
➢ Ca2 + bindt troponine
➢ Troponine verandert van vorm
➢ Geactiveerde ’ myosinekop bindt actine
Activering van myosinehoofd
➢ ATP bindt myosine
➢ ATP-hydrolysatie = ‘gespannen ’ positie
Crossbridge-cyclus
➢ Myosin bindt actine (Pi-release)
➢ Power stroke (ADP-release + beweging)
➢ Onthechting van myosine uit actine (ATP-binding)
➢ Heractivering van myosinekop
o Energie = ATP hydrolyse
Werking
➢ Hoogenergetische bindingen tussen fosfaatgroepen
➢ Energieafgifte tijdens hydrolyse
, Reacties
➢ ATP + H2O → ADP + Pi + H+ + ~31 kJ
➢ ADP + H2O → AMP + Pi + H+ + ~31 kJ
➢ Katalysator = myosine ATPase
3 belangrijke systemen
- ATP = energieopslag of energiedrager?
o ATP opslag
Vergelijkbaar bij
➢ mannen vs vrouwen
➢ atleten vs sedentaire individuen
4-6 mmol ATP/kg spier
Problemen
➢ Fietssprint aan 900 Watt
→ ~ 3,7 mmol ATP/s
→ ATP-systeem zou ‘uitgeput zijn ’ binnen ~ 2 s
➢ 100m sprint aan 30 km/u (piek 40 km/u)
→ ~ 3 mmol ATP/s
→ ATP-systeem zou binnen 1-3 s ‘uitgeput zijn’
➢ 10 km hardlopen aan 20 km/u voor 30 min (1800 s)
→ ~ 1,7 mmol ATP/s
→ 10 kg spiermassa
→ 1800 s * 1,7 ATP / S * 10 kg = 30600 mmol ATP
> 1 mol ATP = 507 g
> 16 kg ATP-afbraak
→ ATP = te zwaar als energieopslag
→ ATP = energiedrager
➢ DUS: continue en onmiddellijke ATP-resynthese vereist!
o Energie systemen voor resynthese
Fosfocreatine systeem in het cytoplasma
➢ PCr + ADP → Cr + ATP
→ Zeer hoog vermogen/power (snelste ATP-productie)
→ Zeer lage capaciteit (PCr-voorraad ± 10–12 sec)
→ Geen O₂ nodig (anaëroob)
→ Activeringstijd = onmiddellijk (0 sec)
➢ Substraatopslag
→ Intramusculaire fosfocreatinevoorraden
➢ Metabolieten = Pi en Cr
Glycolyse in het cytoplasma
➢ ‘Anaërobe glycolyse ’ = Glucose → Pyruvaat → melkzuur (lactaat- + H +)
→ Hoog vermogen, maar lager dan PCr
→ Matige capaciteit (30–90 sec)
→ Geen O₂ nodig
→ Activeringstijd = zeer snel (3–4 sec)
➢ ‘Aërobe glycolyse ’ = Glucose → Pyruvaat → Acetyl-CoA → oxidatieve fosforylering
→ Lager vermogen dan anaërobe glycolyse
, → Veel grotere capaciteit
→ O₂ vereist
→ Activeringstijd = 2–3min.
➢ Substraatopslag
→ spier- en leverglycogeen
→ darmen (CHO-inname)
→ bloedglucose
➢ Metabolieten = Lactaat en H+
Krebs-cyclus en oxidatieve fosforylering in de mitochondriën
➢ Vetoxidatie
→ Laag vermogen (traagste systeem)
→ Zeer hoge capaciteit (uren)
→ O₂ verplicht
→ Activeringstijd = 20-30 min
➢ Substraatopslag
→ intramusculaire triglyceriden
→ perifere triglyceriden
→ bloedtriglyceriden
➢ Metabolieten = Co2 en H2O
Vergelijking
geschatte relatieve energiebijdrage
- PCr-systeem
o Phosphocreatine
PCr + ADP → Cr + ATP
➢ enzym = creatine kinase
hoog energetische binding tussen P en Cr
o Opslag
1-2% spiercreatine gekataboliseerd per dag = urinaire creatinine-uitscheiding
Endogene productie in nier en lever = 1-2 g / dag
Exogene inname van vlees en vis (4-10 g / kg) = 1-2 g / dag
Normaal dieet = spiercreatine store 60-80% verzadigd
Verschillen
➢ genetisch = meer type 2 spiervezels = meer creatine
→ sprinters hebben meer creatine
, ➢ dieet = vegetariers hebben minder creatine opslag (tenzij ze supplementen nemen)
→ supplementen = loading (korte en veel) of maintenance (langer en minder)
o Systeem
Kenmerken
➢ Hoog vermogen (7-8 ATP/s)
➢ 1 chemische reactie = onmiddellijke levering van energie (in ms)
➢ Energiebuffer = houdt [ATP] constant tijdens plotselinge veranderingen in intensiteit
➢ Alactisch, anaëroob
➢ Kleine rol als chemische buffer
→ H + van ATP-hydrolysatie wordt geconsumeerd tijdens afbraak van PCr
➢ Laag energieverbruik store = voor korte intensieve inspanningen
Voorbeeld: 100m sprint
➢ [PCr] in de spier (nat gewicht)
→ 15-25 mmol/kg, afhankelijk van het aantal type II spiervezels
→ 3-5 mmol/kg die je niet echt kunt uitputten
→ 14-19 mmol/kg reserve = 4-6 s sprint
➢ Sprinter vs ongetrainde
➢ Let op = dit is gesimplifieerde voorstelling
→ Interindividuele verschillen = relatieve en absolute verschillen
→ Energiesystemen worden niet opeenvolgend geactiveerd zoals hier
o Recovery kinetica
Herstelduur hangt af van de mate van uitputting
➢ Hoe groter de initiële PCr-depletie, hoe langer om terug naar baseline te komen
➢ Typisch herstel = 5–15 minuten, afhankelijk van
→ intensiteit van de inspanning
→ spiervezeltype
→ metabole omgeving (pH, zuurstofaanvoer)
Metabole acidose vertraagt PCr-resynthese
➢ Een lage pH (door ophoping van H⁺ tijdens anaerobe glycolyse) remt creatine kinase en
vertraagt mitochondriale ATP-productie
➢ Gevolg = PCr-herstel gaat trager, vooral na herhaalde sprints of langere inspanningen
Spiervezeltype bepaalt hersteltempo
➢ Slow-twitch (Type I) = snellere PCr-resynthese
→ hoge mitochondriale dichtheid
→ betere zuurstoftoevoer
→ herstel gebeurt aeroob, dus type I is in het voordeel
➢ Fast-twitch (Type II) = langzamer herstel
→ minder mitochondriën = minder aerobe ATP-productie = tragere PCr-aanvulling
- Basisprincipes
o spierstructuur
sarcomeer = structuur tussen twee Z-lijnen
➢ Z-lijn = aanhechting actine
➢ M-lijn = aanhechting myosine
➢ myosine = hydrolysatie ATP = energie vrijgave = omzetting mechanische energie
mitochondrien lopen parallel met myofribrillen
Sarcoplasmatisch Reticulum
➢ structurele stabiliteit (loopt rondom myofibrillen)
➢ opslagplaats Ca+2
→ actief transport naar SR
→ Rust = [Ca2 +] hoger in SR vs sarcoplasma
→ Ca2 + -release in de cel initieert sarcomeer contractie
T-tubuli
➢ verderzetting van plasma membraan = ‘tunnel’
➢ staat in contact met het SR
➢ voortzetting van elektrochemie = depolarisatiegolf van het sarcolemma aan de SR
o depolarisatie
Motorische eindplaat -> sarcolemma -> t-tubuli -> SR
Neuromusculaire junction
➢ Zenuwimpuls bereikt de axonterminal
➢ Acetylcholine komt vrij
➢ Activering van acetylcholinereceptoren op sarcolemma
➢ Receptoren worden ionenkanalen = beetje K + uit en veel Na + erin
➢ Verandering in membraanpotentiaal = binnenkant cel is positief geladen = AP
Voortgezette verspreiding van actiepotentieel langs sarcolemma en de T-Tubuli
T-tubuli zet AP voort naar SR (in contact met elkaar)
o Sliding filament theory
Cross bridge formatie
➢ Ca2 + release van SR = instroom in sarcoplasma
➢ Ca2 + bindt troponine
➢ Troponine verandert van vorm
➢ Geactiveerde ’ myosinekop bindt actine
Activering van myosinehoofd
➢ ATP bindt myosine
➢ ATP-hydrolysatie = ‘gespannen ’ positie
Crossbridge-cyclus
➢ Myosin bindt actine (Pi-release)
➢ Power stroke (ADP-release + beweging)
➢ Onthechting van myosine uit actine (ATP-binding)
➢ Heractivering van myosinekop
o Energie = ATP hydrolyse
Werking
➢ Hoogenergetische bindingen tussen fosfaatgroepen
➢ Energieafgifte tijdens hydrolyse
, Reacties
➢ ATP + H2O → ADP + Pi + H+ + ~31 kJ
➢ ADP + H2O → AMP + Pi + H+ + ~31 kJ
➢ Katalysator = myosine ATPase
3 belangrijke systemen
- ATP = energieopslag of energiedrager?
o ATP opslag
Vergelijkbaar bij
➢ mannen vs vrouwen
➢ atleten vs sedentaire individuen
4-6 mmol ATP/kg spier
Problemen
➢ Fietssprint aan 900 Watt
→ ~ 3,7 mmol ATP/s
→ ATP-systeem zou ‘uitgeput zijn ’ binnen ~ 2 s
➢ 100m sprint aan 30 km/u (piek 40 km/u)
→ ~ 3 mmol ATP/s
→ ATP-systeem zou binnen 1-3 s ‘uitgeput zijn’
➢ 10 km hardlopen aan 20 km/u voor 30 min (1800 s)
→ ~ 1,7 mmol ATP/s
→ 10 kg spiermassa
→ 1800 s * 1,7 ATP / S * 10 kg = 30600 mmol ATP
> 1 mol ATP = 507 g
> 16 kg ATP-afbraak
→ ATP = te zwaar als energieopslag
→ ATP = energiedrager
➢ DUS: continue en onmiddellijke ATP-resynthese vereist!
o Energie systemen voor resynthese
Fosfocreatine systeem in het cytoplasma
➢ PCr + ADP → Cr + ATP
→ Zeer hoog vermogen/power (snelste ATP-productie)
→ Zeer lage capaciteit (PCr-voorraad ± 10–12 sec)
→ Geen O₂ nodig (anaëroob)
→ Activeringstijd = onmiddellijk (0 sec)
➢ Substraatopslag
→ Intramusculaire fosfocreatinevoorraden
➢ Metabolieten = Pi en Cr
Glycolyse in het cytoplasma
➢ ‘Anaërobe glycolyse ’ = Glucose → Pyruvaat → melkzuur (lactaat- + H +)
→ Hoog vermogen, maar lager dan PCr
→ Matige capaciteit (30–90 sec)
→ Geen O₂ nodig
→ Activeringstijd = zeer snel (3–4 sec)
➢ ‘Aërobe glycolyse ’ = Glucose → Pyruvaat → Acetyl-CoA → oxidatieve fosforylering
→ Lager vermogen dan anaërobe glycolyse
, → Veel grotere capaciteit
→ O₂ vereist
→ Activeringstijd = 2–3min.
➢ Substraatopslag
→ spier- en leverglycogeen
→ darmen (CHO-inname)
→ bloedglucose
➢ Metabolieten = Lactaat en H+
Krebs-cyclus en oxidatieve fosforylering in de mitochondriën
➢ Vetoxidatie
→ Laag vermogen (traagste systeem)
→ Zeer hoge capaciteit (uren)
→ O₂ verplicht
→ Activeringstijd = 20-30 min
➢ Substraatopslag
→ intramusculaire triglyceriden
→ perifere triglyceriden
→ bloedtriglyceriden
➢ Metabolieten = Co2 en H2O
Vergelijking
geschatte relatieve energiebijdrage
- PCr-systeem
o Phosphocreatine
PCr + ADP → Cr + ATP
➢ enzym = creatine kinase
hoog energetische binding tussen P en Cr
o Opslag
1-2% spiercreatine gekataboliseerd per dag = urinaire creatinine-uitscheiding
Endogene productie in nier en lever = 1-2 g / dag
Exogene inname van vlees en vis (4-10 g / kg) = 1-2 g / dag
Normaal dieet = spiercreatine store 60-80% verzadigd
Verschillen
➢ genetisch = meer type 2 spiervezels = meer creatine
→ sprinters hebben meer creatine
, ➢ dieet = vegetariers hebben minder creatine opslag (tenzij ze supplementen nemen)
→ supplementen = loading (korte en veel) of maintenance (langer en minder)
o Systeem
Kenmerken
➢ Hoog vermogen (7-8 ATP/s)
➢ 1 chemische reactie = onmiddellijke levering van energie (in ms)
➢ Energiebuffer = houdt [ATP] constant tijdens plotselinge veranderingen in intensiteit
➢ Alactisch, anaëroob
➢ Kleine rol als chemische buffer
→ H + van ATP-hydrolysatie wordt geconsumeerd tijdens afbraak van PCr
➢ Laag energieverbruik store = voor korte intensieve inspanningen
Voorbeeld: 100m sprint
➢ [PCr] in de spier (nat gewicht)
→ 15-25 mmol/kg, afhankelijk van het aantal type II spiervezels
→ 3-5 mmol/kg die je niet echt kunt uitputten
→ 14-19 mmol/kg reserve = 4-6 s sprint
➢ Sprinter vs ongetrainde
➢ Let op = dit is gesimplifieerde voorstelling
→ Interindividuele verschillen = relatieve en absolute verschillen
→ Energiesystemen worden niet opeenvolgend geactiveerd zoals hier
o Recovery kinetica
Herstelduur hangt af van de mate van uitputting
➢ Hoe groter de initiële PCr-depletie, hoe langer om terug naar baseline te komen
➢ Typisch herstel = 5–15 minuten, afhankelijk van
→ intensiteit van de inspanning
→ spiervezeltype
→ metabole omgeving (pH, zuurstofaanvoer)
Metabole acidose vertraagt PCr-resynthese
➢ Een lage pH (door ophoping van H⁺ tijdens anaerobe glycolyse) remt creatine kinase en
vertraagt mitochondriale ATP-productie
➢ Gevolg = PCr-herstel gaat trager, vooral na herhaalde sprints of langere inspanningen
Spiervezeltype bepaalt hersteltempo
➢ Slow-twitch (Type I) = snellere PCr-resynthese
→ hoge mitochondriale dichtheid
→ betere zuurstoftoevoer
→ herstel gebeurt aeroob, dus type I is in het voordeel
➢ Fast-twitch (Type II) = langzamer herstel
→ minder mitochondriën = minder aerobe ATP-productie = tragere PCr-aanvulling
