Energiesystemen en brandstof voor de hardloper

Voor hardlopers en sporters in het algemeen is het cruciaal om voldoende en goede voeding tot zich te nemen voor het bevorderen van herstel en het verbeteren van het prestatievermogen. Koolhydraten, vetten en eiwitten zijn de basiselementen in goede voeding. Tijdens inspanning zijn de koolhydraten en vetten het belangrijkst als energiebronnen. Eiwitten leveren een geringe bijdrage aan de energievoorziening. De brandstoffen dienen eerst via een chemisch proces omgezet te worden in adeninetrifosfaat (ATP). Deze ATP kan het lichaam als energie gebruiken tijdens de inspanning. De chemische omzetprocessen worden bioenergetica genoemd.

Koolhydraten omzetten in energie

Koolhydraten bestaan uit de moleculen koolstof, waterstof en zuurstof. Koolhydraten zijn voor het lichaam het makkelijkst vrij te maken voor energievoorziening. Er worden drie typen koolhydraten onderscheiden: mono-, di- en polysachariden.  Monosachariden zijn de kleinste koolhydraten en daardoor het makkelijkst om te zetten in ATP. Er zijn diverse monosachariden waarvan glucose de belangrijkste en bekendste is. Glucose komt ook voor in het bloed. Daarmee is er altijd direct inzetbare brandstof aanwezig.
Disachariden zijn twee gekoppelde monosachariden: glucose en fructose. Deze koolhydraat, sucrose genoemd, staat ook bekend als ‘tafelsuiker’ of fruitsuiker. Polysachariden bestaan uit drie of meer monosachariden. De twee meest bekende polysachariden zijn zetmeel en cellulose. Als het lichaam niet meteen extra energie nodig heeft worden de koolhydraten opgeslagen in lange ketens, glycogeen genoemd. Deze glycogeen wordt opgeslagen in het spierweefsel en in de lever.

Glycogeen
Glycogeen is de belangrijkste energiebron om gedurende langere tijd op hoge intensiteit te kunnen blijven presteren. De glycogeencapaciteit is afhankelijk van de getraindheid en het dieet van de atleet. Gemiddeld kan ons lichaam 400-500 gram glycogeen opbouwen. Deze glycogeencapaciteit is bij hoge inspanning tot maximaal 2 uur beschikbaar. Tijdens inspanning wordt glycogeen via glycogenolyse afgebroken tot glucose en vervolgens omgevormd tot ATP. Naast dit proces wordt er ook door de lever uit de daar opgeslagen glycogeen glucose vrijgemaakt en afgegeven aan het bloed. Deze glucose wordt vervolgens in de spiercel omgezet in ATP.
Maximalisatie van de glycogeencapaciteit is van groot belang voor de lange afstandloper. Glycogeendepletie is immers sterk gerelateerd aan toenemende vermoeidheid en daarmee een afnemend prestatievermogen. De glycogeensynthese kan worden bevorderd door direct of tot maximaal een uur na de training koolhydraten in te nemen.

Vetten omzetten in energie

Vet bestaat net als koolhydraten uit de moleculen; koolstof, zuurstof en waterstof. Echter door een andere verhouding van koolstof en zuurstof is vet moeilijker om te vormen in energie dan koolhydraten. Een gram vet levert 9 kcal, meer dan 2x zoveel als koolhydraten (4 kcal). Het vet ligt opgeslagen in de spiercellen en vetcellen Daarnaast is er een kleine hoeveelheid vetzuren in het bloed aanwezig, triglyceriden genoemd. Voor het vrijmaken van energie vanuit vet is er zuurstof nodig. Het vet wordt middels oxidatie omgezet vetzuren en glycerol. De vetzuren worden omgezet in ATP en in de lever wordt de glycerol omgevormd naar glucose. De glucose is vervolgens ook weer te gebruiken voor ATP-productie.
De duur van energievoorziening vanuit vet is theoretisch gezien ongelimiteerd. Ter illustratie, een toploper van 54 kg met een vetpercentage van 4% beschikt over 2,2 kg vet. Deze 2,2 kg vet levert voldoende energie voor 275 kilometer hardlopen! De glycogeencapaciteit is voor ongeveer 32 kilometer beschikbaar, een enorm verschil dus. Voor het vrijmaken van energie uit vet is echter meer zuurstof nodig dan bij koolhydraat metabolisme. Daardoor loop je tijdens vetverbranding bij een zelfde snelheid op een hoger percentage van de VO2max dan bij koolhydraatverbranding. Omdat het percentage VO2max sterk verbonden is met ervaren inspanning, wordt het lopen dus als zwaarder ervaren en zal men de snelheid naar beneden bijstellen. Om deze negatieve invloed op het prestatievermogen te verminderen is het cruciaal om voldoende tijd en aandacht te besteden aan het verbeteren van het vetmetabolisme.

Proteïnen omzetten in energie

Proteïne bestaat uit de moleculen: koolstof, waterstof, zuurstof, en stikstof. Een eiwit is opgebouwd uit aminozuren en levert net als koolhydraten 4 kcal per gram. Eiwitten zijn maar voor een klein deel betrokken bij het leveren van energie. Dit komt omdat proteïnen in de basis bedoeld zijn voor weefselopbouw en herstel. Het omzetten van eiwit naar energie verloopt via twee mechanismen: het eiwit wordt afgebroken in aminozuren. Het aminozuur alanine wordt vervolgens in de lever omgezet in glucose. De 2^e weg loopt via de spiercellen waar de aminozuren omgezet worden in metabole tussenproducten welke omgevormd worden tot ATP. Bij inspanningen tot een uur levert eiwit ongeveer 2% van de totale energie. Bij langere inspanningen loopt dit op tot 5-15%. Het overgrote deel van de energievoorziening komt dus vanuit koolhydraten en vetten.

Welke brandstof heeft de voorkeur en wanneer?

Welke brandstof, in welke mate en op welk moment wordt ingezet is afhankelijk van de intensiteit, de snelheid en de duur van de inspanning. Daarnaast speelt ook het dieet van de loper een rol. Uit literatuur blijkt dat een loper die een koolhydraatrijk dieet aanhoudt ook sneller koolhydraten inzet als brandstof en een loper die meer vetten inneemt ook meer zijn vetmetabolisme gebruikt bij inspanning. Het vetmetabolisme is bij lage intensiteit het meest actief, bij een intensiteit van 30% van de VO2max, 55% HFmax. De koolhydraten worden grotendeels aangesproken bij hogere intensiteit vanaf 70% van de VO2max, 80% Hfmax. Het aandeel van koolhydraatverbranding neem toe wanneer de snelheid toeneemt. Op 10km wedstrijdsnelheid bijna 100%. Hiervoor zijn twee mechanismen verantwoordelijk:

• Door toenemende snelheid worden steeds meer fast-twitch spiercellen ingezet, deze cellen zijn van nature niet ingesteld op verbranding van vet, maar zijn koolhydraat specialisten.
• Daarnaast wordt er bij toenemende snelheid het hormoon adrenaline afgegeven aan het bloed. Deze adrenaline stimuleert het koolhydraatmetabolisme en remt het vetmetabolisme.

Bij toenemende duur, vanaf 30 minuten en langer verschuift het energieaandeel vanuit koolhydraten naar vetten. Dit gebeurt doordat de snelheid bij langere inspanningen lager ligt en daarmee het vetmetabolisme meer ruimte krijgt. Deze overgang kan wel worden uitgesteld door tijdens de inspanning koolhydraten in te nemen.

Drie energiesystemen voor energievoorziening

Koolhydraten, vetten en eiwitten moeten voordat ze energie kunnen leveren omgezet worden in ATP. ATP is altijd aanwezig in alle cellen van ons lichaam. Zonder ATP is geen enkele stofwisseling mogelijk en zouden de cellen doodgaan. Uit onderzoek is gebleken dat het verhogen van de ATP-concentratie door bijvoorbeeld supplementen niet mogelijk is. Het is gelukkig wel mogelijk om de glycogeencapaciteit te vergroten. Daarnaast is er voldoende vet voorradig voor de energievoorziening. Bij inspanning beschikt het lichaam over drie energiesystemen om ATP te produceren:

1. CP-ATP systeem

Het creatinefosfaat (CP)-ATP systeem is een van de drie energiesystemen in ons lichaam. Dit systeem zorgt voor supersnel hoogenergetische energie. De snelle directe energielevering is mogelijk omdat er geen zuurstof nodig is voor dit systeem om energie vrij te maken. Als er een explosieve inspanning gevraagd wordt van ons lichaam komt dit energiesysteem in actie. Sporten waarbij dit energiesysteem bepalend is zijn onder andere sprinten, hoogspringen, gewichtheffen en polsstokhoogspringen.
Het CP-ATP systeem werkt als volgt: in onze cellen is naast ATP ook creatinefosfaat en adeninedifosfaat (ADP) aanwezig. De aanwezige creatinefosfaat splitst een fosfaatgroep af en deze fosfaatgroep vormt via binding met de ADP vervolgens ATP. Creatinefosfaat is maar beperkt voorradig en daardoor is dit energiesysteem snel uitgeput, na zo’n 10 seconden. De beschikbare creatinefosfaat in de cellen kan wel iets vergroot worden door creatine-supplementen.

2. Glycolyse systeem

Het één na snelste energiesysteem is het glycolyse systeem. Dit systeem komt na 8-10 seconden inspanning in actie. Net als bij het CP-ATP systeem kan dit systeem zonder hulp van zuurstof ATP aanmaken. Bij dit proces worden glycogeen en koolhydraten razendsnel omgezet in pyruvaat, lactaat en 2 ATP moleculen. In de lever worden het pyruvaat en lactaat omgezet in glucose. Deze glucose kan vervolgens in de cel in ATP worden omgezet. Glycolyse vormt het belangrijkste energiesysteem voor inspanningen van vanaf 10 tot 120 seconden. Sporten waarbij dit energiesysteem zeer belangrijk is zijn bijvoorbeeld bij atletiek de 400 tot 1500 meter, skiën, 1000 meter schaatsen en spelsporten zoals voetbal.

3. Aerobe systeem

Bij inspanningen die langer dan 2 minuten duren komt de energie meer en meer via het aerobe systeem. Het aerobe systeem kan alleen met behulp van zuurstof ATP vormen. Doordat dit systeem met zuurstof energie vrijmaakt kunnen zowel de koolhydraten, vetten als eiwitten aangesproken worden als brandstof. De energieproductie via dit systeem verloopt relatief langzaam. Door dit tragere proces is er minder warmteontwikkeling en een grotere ATP opbrengst per glucosemolecuul.  Via het glycolyse systeem ontstaan er uit een glucosemolecuul 2 ATP moleculen, via het aerobe systeem zijn dit er 36. Voor een optimale aerobe energievoorziening is het erg belangrijk dat er een groot zuurstofopnamevermogen is. Het vergroten van de VO2max is dus een cruciaal trainingsdoel. Sporten waarbij dit energiesysteem bepalend is zijn eigenlijk alle sporten die langer dan 2 minuten inspanning vereisen.

Trainingsimplicaties

Tijdens training beschikt ons lichaam dus over 3 energiesystemen. Bij praktisch alle inspanningen zijn alle 3 de systemen actief, maar het aandeel per energiesysteem is afhankelijk van snelheid, intensiteit en duur. In hoofdlijnen is er een energiesysteem voor 10 seconden maximale inspanning, een energiesysteem voor maximale inspanningen van 10 tot 120 seconden en een energiesysteem voor inspanningen langer dan 2 minuten.

Belangrijke vraag is wat dit betekent voor de invulling van training. Mag een sprinter alleen sprint- en hoog explosieve (kracht) training doen? Moet een 800 meter loper zijn intervaltrainingen beperken tot intervallen van maximaal 2 minuten? En moet een marathonloper krachttraining en korte intervallen mijden vanwege het anaerobe karakter? De vraag aangaande de sprinter kan met ‘ja’ beantwoord worden. Uit onderzoek is gebleken dat een sprinter er geen goed aan doet om in het glycolyse en aerobe systeem te trainen. Dit zorgt er namelijk voor dat de fast-twitch spiercellen zich omvormen in minder snelle spiercellen.

Aangaande de andere twee vragen is het antwoord ‘nee’. Een middellange en lange afstandloper doen er goed aan om ook ‘fosfaat’ en ‘anaerobe’ trainingen in hun trainingsschema mee te nemen. Ter illustratie een voorbeeld. Het wereldrecord op de 1500 meter staat op 3.26 minuten. Bij deze afstand is het aerobe systeem leidend in de energievoorziening. Een 1500-meter loper zit binnen twee minuten op 100% van zijn of haar VO2max. Versnellen vanuit het aerobe systeem is daarmee onmogelijk. Toch zie je naar het einde van de wedstrijd veelal een versnelling. Deze versnelling is alleen mogelijk vanuit een goed getraind anaeroob glycolysesysteem. Elke wedstrijd tot 12 minuten zal de VO2max bereiken en daarom is het optimaliseren van het glycolysesysteem belangrijk.

Dat is anders bij langeafstandlopers. Een tijdelijke verhoging van snelheid wordt bij lange afstandslopers niet uit CP-ATP of glycolyse gehaald. Zij lopen de wedstrijd vaak op bijvoorbeeld 85% van de VO2max en zullen bij een versnelling tijdelijk even naar 95% VO2max gaan. De CP-ATP is allang op, en glycolyse is niet slim als je nog aerobe capaciteit overhebt, want glycolyse lever 19 minder energie uit glucose.

Gek genoeg heeft ook de marathonloper belang bij anaerobe trainingsvormen, ondanks het gegeven dat tijdens een marathon slechts 1% van de energie geleverd wordt vanuit glycolyse. Toch kunnen trainingen met bijvoorbeeld intervallen van 15 – 30 seconden sterk bijdragen aan de marathonprestatie. Dit is niet te verklaren vanuit een verbeterd ATP systeem, maar wel vanuit het feit dat onder andere maximale snelheid ook sterk bepalend is voor het prestatievermogen van een lange afstandloper. Daarnaast zal door deze hoge snelheidstrainingen ook de loopeconomie en looptechniek verbeteren en zo het prestatievermogen verbeteren. Interessant bijkomend element van deze korte intervaltrainingen is dat na 8 intervallen men op VO2max zit en men het aerobe systeem met deze ‘anaerobe’ training ook verbetert.

Heb jij ook een passie voor hardlopen dan is de cursus De Running Fysiotherapeut echt iets voor jou.