Giải mã cơ thể khi vận động - 3 hệ thống năng lượng của cơ bắp

Đã bao giờ bạn cảm thấy cơ bắp mệt mỏi rã rời trong lúc tập luyện và không thể tiếp tục sau một ngưỡng nhất định? Đã bao giờ bạn tự hỏi tại sao sau khi tập luyện bạn có thể duy trì chạy bộ lên tới cả 1-2 tiếng nhưng không thể nào tập gym hay nâng tạ liên tục 1 tiếng không nghỉ tí nào? Nếu có, việc thấu hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống năng lượng của cơ bắp khi vận động sẽ giúp bạn tìm ra câu trả lời.

ATP: Đồng tiền năng lượng của mọi tế bào

Trước khi đi sâu vào các hệ thống năng lượng, chúng ta cần làm quen với ATP (Adenosine Triphosphate).Như bạn có thể đã biết, mọi năng lượng cơ thể sử dụng đều bắt nguồn từ quá trình phân giải thức ăn và đồ uống. Ba nhóm chất dinh dưỡng đa lượng (macronutrients) là protein, carbohydrate và chất béo. Chúng được chuyển hóa để tạo ra adenosine triphosphate (ATP), nguồn năng lượng cốt lõi cho mọi hoạt động của tế bào, bao gồm tế bào cơ.

Đáng tiếc là lượng ATP dự trữ sẵn trong mỗi tế bào lại rất ít, điều này có nghĩa là tế bào cơ phải liên tục sản xuất ATP, nếu không quá trình co duỗi của cơ bắp sẽ bị gián đoạn. Qúa trình tổng hợp ATP được thực hiện chính bởi ba hệ thống năng lượng sau: hệ thống Phosphagen ATP-PC, hệ thống đường phân (glycolysis) và hệ thống oxy hóa.

Hệ thống năng lượng Phosphagen (ATP-PC)

Hệ thống năng lượng Phosphagen ATP-PC hay còn được gọi là hệ thống kỵ khí không sinh acid lactic (alactic anaerobic system). Lý do gọi là kỵ khí (anaerobic) vì hệ thống này không cần oxy để tạo ra ATP.Đây là hệ thống năng lượng chủ đạo cho các bài tập nặng, ngắn và thiên về tính bùng nổ năng lượng cơ cao (explosive)

Cơ chế hoạt động: trong vòng 2-3 giây đầu của hoạt động thể chất cường độ cao, tế bào sẽ dùng lượng ATP dự trữ sẵn. Khi xài hết lượng ATP dự trữ này, một phân tử có tên là Phosphocreatine (PC) sẽ được huy động để tái tạo ATP trong cơ.

Hệ thống này hoạt động cực kỳ nhanh nhưng bị giới hạn bởi lượng Phosphocreatine dự trữ, thường sẽ cạn sạch trong vòng 7-10 giây tiếp theo. Cơ thể sẽ dần nạp đầy lại kho dự trữ ATP và Phosphocreatine sau vài phút nghỉ ngơi. Đó là lý do hệ thống năng lượng này thường phục vụ cho các vận động ngắn, bùng nổ và có cường độ cực cao, như chạy nước rút tối đa 50m hoặc cử tạ nặng (powerlifting)

Hệ thống năng lượng Đường phân (Glycolysis)

Hệ thống năng lượng thứ hai chiếm sóng khi vận động kéo dài hơn 10 giây và hệ thống ATP-PC cạn kiệt.

Hệ thống đường phân này còn được gọi là hệ thống năng lượng kỵ khí sinh acid lactic (lactic anaerobic system), là hệ thống năng lượng chủ đạo cho các bài tập kéo dài từ 15 giây đến 3 phút.

Ví dụ các vận động viên chạy cự ly 800 mét hoặc tập tạ tại phòng gym sẽ sử dụng hệ thống này nhiều nhất.

Hệ thống này sử dụng lượng glucose trong cơ bắp (chủ yếu được phân giải từ glycogen, phần còn lại là từ glucose trong máu được vận chuyển vào cơ) để tạo ra ATP. Tương tự như hệ thống Phosphagen, quá trình tạo năng lượng này cũng không yêu cầu oxy.

Glucose sẽ được phân giải thành Pyruvate và ATP. Pyruvate tiếp theo đó được chuyển hóa thành acid lactic và ATP.

Ưu điểm của con đường này là nó được kích hoạt rất nhanh, nhưng nhược điểm là không tạo ra quá nhiều năng lượng; chỉ duy trì được tối đa khoảng 3 phút. Con đường năng lượng này được huy động tối đa khi cơ bắp cần năng lượng gấp cho các hoạt động ngắn như chạy nước rút, tập tạ.

Vì quá trình này sinh ra sản phẩm phụ là acid lactic, sự tích tụ acid qua thời gian tập luyện sẽ gây ra môi trường acid, khiến cơ bắp cảm thấy mệt mỏi. Cường độ tập càng cao, gắng sức càng lâu thì lượng acid lactic càng nhiều. Khi vượt quá khả năng thanh thải của tế bào, lượng acid lactic dư thừa này sẽ làm suy yếu hoạt động Đường phân và giảm khả năng co cơ. Do đó lúc này bạn sẽ cảm thấy mỏi cơ và không thể tiếp tục tập được nữa.

Con đường hiếu khí (Aerobic system)

Đối với các bài tập kéo dài hơn 3 phút ở cường độ thấp-trung bình, con đường hiếu khí Aerobic sẽ là nguồn tạo năng lượng chủ đạo. Khác với hai hệ thống trên, hệ thống năng lượng này đòi hỏi phải có oxy. Đó là lý do tại sao tên của con đường này là Aerobic, nghĩa là "hiếu khí", "cần có oxy" và các bài tập như chạy bộ, thể dục nhịp điệu, bơi lội sử dụng con đường này chủ yếu được gộp chung vào nhóm các bài tập Aerobic.

Con đường này hoạt động dựa trên quá trình hô hấp tế bào thông qua chu trình Krebs diễn ra bên trong ty thể (mitochondria).

Khác với 2 hệ thống trên, con đường hiếu khí cần vài phút để khởi động và hoàn thành 1 chu trình sản xuất ATP, do đó nó không thể được sử dụng cho những vận động chớp nhoáng như chạy nước rút 50m hay cử tạ. Tuy nhiên, bù lại đây lại là con đường tạo ra năng lượng có hiệu suất cao nhất và có thể cung cấp năng lượng lâu dài nhất cho các vận động sức bền kéo dài nhiều tiếng.

1 phân tử glucose qua con đường này có thể tạo ra tới 32-36 phân tử ATP, so với chỉ 4 ATP được tạo ra ở con đường Đường phân hay Phosphagen.Đồng thời, con đường này cũng không tạo ra các sản phẩm phụ gây mỏi cơ như acid lactic.

Vậy nguồn nguyên liệu nào sẽ được sử dụng để tạo ATP trong con đường hiếu khí này khi vận động?

Câu trả lời là glucose dự trữ trong cơ bắp và mỡ trong cơ thể. Nguồn glucose dự trữ trong cơ bắp chủ yếu lấy từ quá trình phân giải glycogen dự trữ trong cơ thể ở cơ và gan. Mỡ sẽ được chuyển hóa thành Acetyl Coenzyme A trước khi đi vào chu trình Krebs.

Và một điều thú vị ở đây là quá trình phân giải hiếu khí lấy ATP từ mỡ sẽ dài hơn gấp đôi so với lấy ATP từ glycogen. Do đó, ở cường độ tập luyện nhẹ đến vừa (light to moderate intensity), mức độ đóng góp năng lượng từ carbohydrate (ở đây chỉ chung glucose và glycogen) và chất béo là xấp xỉ ngang nhau (tỷ lệ 50/50). Nhưng ở cường độ tập luyện nặng (vigorous intensity), khi nhu cầu năng lượng tăng cao hơn trong thời gian ngắn hơn, tế bào cơ sẽ phụ thuộc nhiều hơn vào carbohydrate để lấy năng lượng.

Sự thích nghi của cơ thể (Adaptation)

Bạn càng rèn luyện nhiều ở một loại hình bài tập cụ thể, cơ thể bạn càng thích nghi tốt hơn để sử dụng con đường năng lượng tương ứng một cách hiệu quả hơn.

Ví dụ, những người tập luyện nâng tạ có thể dự trữ lượng phosphocreatine và ATP dồi dào hơn so với một vận động viên marathon hay một người có lối sống tĩnh tại. Những người thường xuyên tập kháng lực tại phòng gym sẽ có lượng dự trữ glycogen trong cơ cao hơn, khả năng thanh thải acid lactic tốt và nhanh hơn, từ đó khả năng và thời gian tập luyện của họ sẽ cao hơn rõ rệt.

Ở chiều ngược lại, những người được rèn luyện sức bền (endurance-trained) lại có khả năng thông khí (ventilation ability) tốt hơn, giúp tăng lượng oxy cung cấp cho con đường hiếu khí. Đồng thời, ở cấp độ tế bào, số lượng và kích thước ty thể, số lượng enzyme của con đường hiếu khí cũng cao hơn. Điều này giúp tăng hiệu suất tạo năng lượng và tăng khả năng đốt chất béo để tạo năng lượng (hay nói dân dã là tăng khả năng đốt mỡ đấy :))

Suy cho cùng, tính nhất quán (consistency) chính là chìa khóa. Nếu bạn muốn xuất sắc ở một bộ môn vận động nào đó, hãy kiên trì rèn luyện, và theo thời gian, cơ thể bạn sẽ tự khắc thích nghi.

Giờ đây, bạn đã hiểu rõ hơn về cách cơ thể phối hợp ba hệ thống này để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho các hoạt động sinh hoạt hàng ngày cũng như tập luyện. Đồng thời cũng hiểu hơn về lý do tại sao bạn càng rèn luyện nhiều hơn ở một loại hình, bạn lại càng "đỡ mệt" hơn.

Nguồn:

Astrand, P.O. ∙ Rodahl, K. ∙ Dahl, H.A.S.S.B. Textbook of work physiology. Physiological bases of exercise. Human Kinetics, 2003Gastin, P. B. (2001). Energy System Interaction and Relative Contribution During Maximal Exercise. Sports Medicine, 31(10), 725–741. https://doi.org/10.2165/00007256-200131100-00003

McArdle, W. D., Katch, F. I., & Katch, V. L. (2016). Essentials of exercise physiology (5th ed.). Wolters KluwerVianna, J. M., Lima, J. P., Saavedra, F. J., & Reis, V. M. (2011). Aerobic and anaerobic energy during resistance exercise at 80% 1RM. Journal of human kinetics, 29, 69.

Wilmore, J.H. ∙ Costill, D.L. Physiology of sport and exercise. Human Kinetics, 2004*