Kad raumuo galėtų dirbti, jam reikalinga energija, kuri gaunama iš specifinių organizme susidarančių degalų – adenozintrifosfato (ATP). Lygiai taip pat, kaip kai kurie automobilių varikliai dirba deginant juose benziną, žmogaus organizmas energijos gavimui naudoja tik  ATP. Raumuo verčia cheminę ATP energiją į mechaninę kinetinę energiją. Tačiau raumenys sukaupia tik labai nedidelį ATP kiekį, kurio užtektų tik pirmiems dviems maratono distancijos metrams įveikti – tai tarsi akumuliatorius automobilio variklyje, skirtas starterio pagalba išjudinti variklį iš mirties taško.  Kad raumenys galėtų atlikti darbą, jie ne tik vartoja ATP, bet ir patys didelį kiekį jo gamina. Pavyzdžiui, visas ATP kiekis, reikalingas maratono bėgimui, susidaro paties bėgimo metu. Kad 70 kg maratono bėgikas nubėgtų 42 kilometrus, jam reikia apie 50 kilogramų ATP. Ar lengva jam būtų startuoti ant pečių tempiant šį svorį? Raumenys gamina sau kurą iš ADP ir fosfato. Tai įmanoma dėl to, kad raumenys turi sudėtingą fermentų sistemą kiekvienoje savo skaiduloje, leidžiančią panaudoti energiją iš angliavandenių ir riebalų, gaunamų su maistu. ATP resintezė vykdoma trimis būdais, omenyje turimos trys energosistemos. Visi šie būdai sukelia reakciją : ADP + fosfatas + energija = ATP. Šios trys energosistemos skiriasi tik energijos šaltiniu, kuris naudojamas sujungti ADP su fosfatu, susidarant ATP molekulei. Pagrindinės šių trijų energosistemų charakteristikos yra: anaerobinė-belaktatinė sistema (čia reakcijoje nedalyvauja deguonis ir nesusidaro pieno rūgštis, ATP gamybai naudojamas substratas  kreatinfosfatas), anaerobinė-laktatinė sistema (čia deguonis nedalyvauja, bet susidaro pieno rūgštis, energija ATP gamybai gaminama skaldant gliukozę), aerobinė sistema (dalyvauja deguonis, energija ATP gamybai gaminama iš gliukozės, riebalų ir nedidelio kiekio baltymų oksiduojant deguonimi). Raumenims dirbant vidutinio sunkumo ilgalaikį darbą veikia dvi paskutinės sistemos, labiau – aerobinė.


Ši sistema tipiška trumpalaikėms pastangoms ir yra pagrindinė, esant maksimalioms greičio-jėgos  apkrovoms. Šiuo keliu energijos apykaita vyksta tada, kai atliekamas labai didelio intensyvumo darbas – sprintas, šuoliai į aukštį, sunkumų kilnojimas ir kt. O taip pat visais atvejais, kai mes startuojame iš ramybės būsenos ir raumenys sunaudoja nedidelį susikaupusio juose ATP (adenozintrifosfato) kiekį, kuris toliau susidaro jau dėka kreatinfosfato, turinčiam vieną molekulę kreatino ir vieną molekulę fosfato, kurios sujungtos energetine jungtimi. Trūkstant šiai jungčiai išsiskiria energija, panaudojama ATP resintezei iš ADP ir fosfato. Ši sistema yra anaerobinė, nes resintezėje nedalyvauja deguonis ir belaktatė, nes pieno rūgštis joje nesusidaro. ATP kiekis (maždaug 4 kartus daugiau, negu raumenyse būna ATP atsargų), kuris gali šiuo atveju susidaryti, yra ribotas, nes kreatinfosfato atsargos raumenyse nėra didelės. Jos išnaudojamos per 6-9 sekundes (priklauso nuo žmogaus treniruotumo).


Efektingiausias ATP atstatymo būdas yra anaerobinis gamybos būdas. Reakcijos, kuriose dalyvauja deguonis, yra pagrindinės energetinės reakcijos. Jos pratęsia anaerobinių reakcijų pradėtą darbą ir užbaigia visą energetinių reakcijų ciklą, leidžiantį raumenims dirbti be pertraukos keletą valandų.



Gavus nervinį impulsą per pirmas  1-2 sekundes raumenyse sunaudojamos jų ATP atsargos, per 4-7 sekundes ATP gamybai sunaudojamos kreatinfosfato atsargos raumenyse, o toliau jau glikolizė užbaigia visą kvėpavimo energetikos ciklą. Šioje sistemoje ATP gavimui naudojama energija taip pat gali būti gaunama ir iš gliukozės molekulių. Šiuo atveju gliukozės molekulės su  deguonies pagalba suskyla iki galutinių produktų – anglies dvideginio ir vandens. Šios reakcijos gali vykti ir su riebiosiomis rūgštimis, kurios taip pat virsta anglies dvideginiu ir vandeniu. Šias reakcijas galime įsivaizduoti taip: gliukozė + deguonis = anglies dvideginis + vanduo + energija; riebiosios rūgštys + deguonis = anglies dvideginis + vanduo + energija. Kaip ir kitose sistemose, energijos sąvoka vadiname energiją, reikalingą gauti ATP iš ADP ir fosfato. Šioje, trečioje fazėje abi reakcijos (gliukozės ir riebiųjų rūgščių) vyksta dalyvaujant deguoniui. Jis imamas iš atmosferos oro ir transportuojamas į dirbantį raumenį, tiksliau – į raumenų ląstelių mitochondrijas. Gali būti panaudojamas ir endogeniškai susidaręs atominis deguonis. Atlikto raumenų darbo kiekis priklauso nuo paduoto deguonies kiekio  ir deguonies kiekio, kuris gali būti efektyviai panaudotas.

Nedidelis kiekis energijos susidaro anaerobinėje ciklo dalyje, jungiantis deguoniui su aminorūgštimis – paprasčiausiomis baltymo molekulėmis.


Centriniai aerobiniai komponentai – tai organai ir funkcijos, su kurių pagalba deguonis pristatomas raumenims arba gaminamas juose. Periferiniai komponentai  yra raumenų skaidulų viduje ir sudaro galimybę daugiau ar mažiau panaudoti jiems tiekiamą deguonį.

Dėka centrinių aerobinių komponentų atmosferos deguonis transportuojamas į raumenų skaidulas. Plaučių alveolių kapiliaruose kraujo eritrocitų hemoglobinas prisotinamas deguonimi ir širdies paskirstomas į didžiąsias arterijas, kurių diametras kuo toliau į organizmo periferiją, tuo mažėja, kol netampa kapiliarais. Kiekvienas raumuo apsuptas kapiliarų tinklu. Šių kraujo indų sienelės tokios plonos, kad deguonis gali per jas pakliūti į raumenis. Priimta manyti, kad yra deguonies kiekio transportavimo riba, tai yra maksimalus deguonies kiekis, kuris gali būti pristatytas iš plaučių į raumenis. Tai priklauso nuo sekančių faktorių.

Kraujas. Hemoglobino molekulės deguonies pernešimui gali jungtis į grandines. Žmonėms, sergantiems anemija, charakteringas hemoglobino deficitas. Deguonies kiekis, pristatomas į raumenis, pas juos sumažėjęs, o dėl to sumažėjęs ATP susidarymas anaerobinėje ciklo dalyje. Perpiltas papildomas kraujas ar eritropoetino naudojimas padidina deguonies transportavimą, tačiau lig šiol nenustatyta ar šie veiksmai padidina ATP gamybą aerobinėje ciklo dalyje, esant dideliai raumenų apkrovai, ypač tada,  kai perpylus kraują, išauga eritrocitų kiekis, tai yra pasikeičia kraujo koncentracija (hematokritas). Širdies kraujo kiekio išmetimas lygus širdies susitraukimo dažnumui padaugintam iš smūginio širdies tūrio, kiekio, kuris perpumpuojamas kiekvieno širdies raumens susitraukimo metu iš kairiojo širdies skilvelio į aortą. Buvo aptikta, kad pas maratono bėgikus maksimalus širdies susitraukimų skaičius ir  širdies susitraukimų skaičius anaerobinio slenksčio lygyje yra toks pats. Manoma, kad deguonies pristatymą į raumenis sąlygoja smūginis kraujo tūris.

Periferiniai aerobiniai komponentai – tai kapiliarų kiekis raumenyje. Maratono bėgikų kojų raumenyse aptikta daug tankesnis kapiliarų tinklas, negu įprastai. Raumenų skaidulų sugebėjimas naudoti didelį kiekį deguonies (lipidų ir gliukozės deginimui) priklauso nuo enzimų, aptinkamų mitochondrijose. ATP kiekis, pagamintas mitochondrijose aerobinio ciklo metu, tiesiogiai priklauso nuo šių fermentų aktyvumo. Nuo pagaminto ATP kiekio mitochondrijose priklauso visi kiti organizme vykstantys procesai. Organizmo aerobinės galimybės priklauso nuo keleto faktorių.  Raumenims ilgai dirbant, kraujyje sumažėjus gliukozės, jos sumažėja kepenyse ir raumenyse, bet tai nėra visiškas angliavandenių atsargų išnaudojimas. Organizmas turi atsarginius energijos gamybos substratų gavimo mechanizmus. Vienas iš jų – glikogenas, kitas – riebalai. Kuo intensyvesnis raumenų darbas, tuo daugiau naudojami angliavandeniai, ir tuo mažiau deginami riebalai.


Aerobinius organizmo sugebėjimus lemia ir amžius bei lytis. Moterys deguonies sunaudoja mažiau nei vyrai. Didžiausias deguonies sunaudojimas yra pas 23-30 metų amžiaus žmones.


Energijos gamyba atliekant ilgalaikį darbą daugiausia vyksta aerobiniu būdu, bet ir anaerobiniai procesai vaidina svarbų vaidmenį. Pavyzdžiui, perėjimas iš ramybės būsenos į veiksmą (judėjimą) visada lydimas deguonies pareikalavimo. Bet deguonies aprūpinimo organai „sunkūs pakilimo take“, jie negali greitai įsijungti į darbą su maksimaliu intensyvumu. Štai tada ir gelbsti organizmo gebėjimas dirbti kurį tai laiką be deguonies. Deguonies sukaupti organizmas gali nedaug: 400-500 ml plaučiuose, 900-1000 ml – kraujyje, 300-400 ml – raumenyse ir tarpląsteliniame skystyje. Deja, tokių atsargų pakanka tik kelioms intensyvioms sekundėms. Yra dar ir kitas deguonies kaupimo metodas – superoksidų ir peroksidinių junginių kaupimas, tačiau tam reikalinga spec. praktika (joga, kvėpavimo pratimai).

Atliekant darbą, kovojant su patologijomis homeostazės palaikymui organizmui reikalinga papildoma energija. Aerobinis procesas yra pats ekonomiškiausias energijos gamybos būdas(jei lyginti su kreatinfosfatiniu – 38 kartais ekonomiškesnis), tačiau jis yra lėtas ir negali aprūpinti pilnai energija, kai krūvis yra didelis. Tokiais atvejais svarbų vaidmenį vaidina angliavandeniai. Jie yra suskaidomi pirmiausiai, kai prireikia greitos energijos. Esant maksimaliai raumenų apkrovai apie 70-90 procentų visos sunaudojamos energijos gaunama iš glikolizės proceso. Kitaip sakant, greitesniam energijos gavimui organizmas naudoja tarpinį, glikolitinį energijos apykaitos procesą, kuris greitesnis už aerobinį ir ilgiau trunkantis už kreatinfosfatinį.

Glikolizės proceso metu gliukozė skaidoma nepilnai – tik iki pieno rūgšties (laktato) susidarymo. Faktiškai raumenyje yra ne pieno rūgšties molekulė, o neigiamai įkrautas laktato jonas (LA ^-)  ir teigiamai įkrautas vandenilio jonas (H⁺), o taip pat energija, būtina ATP gamybai iš ADP ir fosfato:

Abu šie jonai gali būti laikomi nereikalingais, trukdžiais raumenims. Jie taip pat gali iš raumens pakliūti į kraują, jei raumens darbas bus pakankamai ilgas.
Priimta manyti, kad raumuo ima naudotis anaerobine laktatine sistema tuo atveju, kai atliekamo darbo intensyvumas toks, kad ATP pareikalavimas per minutę bus didesnis už ATP kiekį, pagaminamą aerobiniu būdu.


Anaerobinė laktatinė sistema svarbi bėgant 400 m, 800 m ir net 1500 m distanciją. šiame procese paprastai dalyvauja ne visas raumuo, o tik dalis jo skaidulų.

Daugelis žmonių nežino, kad mūsų organizmas ir ramybės būsenoje gamina nedidelį kiekį pieno rūgšties. Ji gali būti lengvai pašalinta iš organizmo, tačiau ji paaiškina kodėl žmogaus kraujyje yra laktato pėdsakai.

Galima sakyti, kad pieno rūgšties kiekis, pagaminamas raumenyse per sekundę ir išskiriamas į kraują, padidėja tada, kai padidiname raumenims krūvį. Iki tam tikro krūvio intensyvumo, organizmas gali išskirti visą pieno rūgštį į kraują, tačiau paprastai ją sunaudoja kitos raumenų skaidulos arba kiti raumenys, širdis, kepenys arba inkstai. Tokiu būdu pieno rūgšties kiekis kraujyje visada išlieka artimas bazaliniam dydžiui.

Su raumenų  darbo intensyvumo augimu laktato, patenkančio į kraują, kiekis viršys laktato sunaudojimą raumenyse, širdyje ir t.t. Treniruotų žmonių organizmas sugeba daugiau perdirbti laktato ir mažiau atiduoti į kraują.

Pieno rūgštis gaminama raumenyse ir išskiriama į kraują, kur galima išmatuoti jos koncentraciją. Ji yra ir raumenų skaidulose, ir kraujyje dviejų jonų formoje, atitinkamai vienos molekulės ir vieno elektriškai užkrauto atomo. Pirmasis jonas – tai neigiamai užkrautas laktato jonas (LA^-). Jo lygis kraujyje gali būti išmatuotas. Antrasis jonas – teigiamai įkrautas vandenilio jonas (H⁺). Būtent tas antrasis jonas ir sukelia didelį diskomfortą, nes padidina pieno rūgšties kiekį raumenyse. Jis gali net sumažinti raumens pajėgumą. Tai mes pajuntame po bėgimo dideliu greičiu. Jį sukelia pieno rūgšties padaugėjimas raumenyse. Kai pieno rūgšties kiekis raumenyse viršija tam tikrą dydį, raumenų skaidulose įvyksta įvairūs pokyčiai (pokyčiai mitochondrijose). Šie pokyčiai gali išlikti ir keletą valandų, o pas netreniruotus individus ir keletą dienų.

Susidarę vandenilio jonai trukdo ne tik raumenims, bet ir smegenų veiklai, kai pasiekia likvorą (skystis, supantis smegenis). Susidaręs didelis pieno rūgšties kiekis trukdo mąstymui, koordinacijai ir reflektorinėms reakcijoms. Dalinai šie efektai stebimi ir dėl susidariusio amoniako raumenyse, jiems intensyviai dirbant. Treniruojantis, organizmas įjungia kompensacinius mechanizmus, kurie leidžia pieno rūgšties perteklių versti į energiją ir nesukelti neigiamų jos pasireiškimų.

Žemiau išvardinti pieno rūgšties dydžiai kraujyje. Šie dydžiai gali šiek tiek skirtis, priklausomai nuo matavimo metodo.

apie 1 mmol/l: ramybės būsenoje ir lėtai bėgant;
apie 2 mmol/l: bėgant maratoną pastoviu greičiu arba greičiu ant aerobinio slenksčio ribos;
apie 4 mmol/l: bėgant greičiu, kurį sportininkas gali išlaikyti valandą;
apie 18-20 mmol/l:  aukštos klasės sportininkams bėgant 400-800 m distanciją;

Kitas patikimas anaerobinio našumo  testas – maksimali deguonies skola. Vienas iš pirmų šį dydį  –  18,7 litro nustatė anglų fiziologas Hill'as.  Pas netreniruotus žmones šis rodiklis siekia 4-7 litrus.


Enriko Arselli duoda tokį apibūdinimą: „Pats didžiausias intensyvumas, prie kurio dar išlieka pusiausvyra tarp pagaminamos ir sunaudojamos pieno rūgšties. Jeigu intensyvumas neviršija anaerobinio slenksčio, tai susidarančio raumenyse ir išskiriamo į kraują laktato kiekis didėja, tačiau organizmas sugeba jį pašalinti. Tokiu būdu, gaunasi tik nedidelis laktato kiekio padidėjimas kraujyje arba visai nepadidėja, ir toks išlieka net tada, kai krūvis tęsiasi net kelias minutes. Intensyvumas, prie kurio yra ši pusiausvyra, vadinamas anaerobiniu slenksčiu ir atitinka, vidutiniškai, laktato koncentracijai kraujyje 4 mmol/l“

Yra išdirbti įvairūs testai šiam anaerobiniam slenksčiui nustatyti. Šis rodiklis išreiškiamas litrais/minutę arba ml/kg/minutę.
 
Raumenys sudaryti iš įvairių skaidulų tipų. Jos išsidėstę arti viena kitos, ir, panašiai kaip augalo smidro ūgliai, skiriasi spalva ir skersmeniu. Skaidulų tipai yra trys:

1 tipas – vadinamos „lėtomis, raudonomis arba lėtai susitraukiančiomis skaidulomis (ST)“, tinkančiomis ilgai besitęsiantiems krūviams. Jose yra daug mitochondrijų, apsuptos tankiu kapiliarų tinklu ir galinčios naudoti daug deguonies. Dėka to, energijos, reikalingos raumenų darbui atlikti, gavimui jos naudoja aerobinę sistemą.

2 tipas – vadinamos „greitomis, baltomis arba greitai susitraukiančiomis skaidulomis (FT)“, nes jos daugiausiai tinkamos trumpalaikiams krūviams, bet nepasižymi ištverme. Jos naudoja laktatinę energijos gavimo sistemą, kuri skatina pieno rūgšties susidarymą. Šios skaidulos skirtomos į du potipius:

tipas 2a – vadinamos „greitos oksiduojančios arba greitai susitraukiančios oksiduojančios skaidulos (FTO)“, nes jos gali naudoti žymų deguonies kiekį. Adekvati treniruotė gali padaryti jas panašiomis į 1 tipo skaidulas. Treniruotė ištvermei daro didžiausią įtaką šioms skaiduloms, skatinanti susidaryti jose didesnėms riebalų atsargoms;

tipas 2b – vadinamos „greitomis glikolitinės arba greitai persijungiančios glikolitinės skaidulos (FTG)“, nes jos naudoja glikolizės procesą, tai yra anaerobinę sistemą, kuri skatina pieno rūgšties susidarymą. Šias skaidulas negalima įtakoti, kad jos imtų naudoti deguonį.

Yra dar vienas skaidulų  tipas: tarpinės skaidulos arba potipis 2c. Jos užima tarpinę padėtį tarp pirmo ir antro tipo.

Individo raumenų charakteristikos didžiąja dalimi priklauso nuo genetikos. Jos perduodamos su motinos mitochondrijos DNR iš motinos vaikui. Treniruotė gali žymiai pakoreguoti šias charakteristikas. Pavyzdžiui, intensyvi treniruotė su aerobine kryptimi, transformuoja 2b skaidulas  į 2a skaidulas, dalį skaidulų 2a – į 2c, o 2c į 1 tipo skaidulas.

Reikia pažymėti, kad tokie pokyčiai vyksta su  metabolizmo pagalba, tai yra priklauso nuo fermentų kiekio, kuris atitinka  vieną ar kitą energetinę sistemą. Tačiau šie pokyčiai yra ir struktūriniai, nes keičiasi ir kai kurios susitraukiančių baltymų charakteristikos. Tokios skaidulų modifikacijos atsistato į pirminę padėtį, jei jas nustojama treniruoti.


Efektyviausiai ATP gaminamas aerobiniu būdu mitochondrijų kvėpavimo grandinėse. Tačiau, kad jas aktyvuoti, turi būti sunaudotos kreatinfosfato atsargos. Tam reikalinga raumenims duoti maksimalų krūvį, truknkantį  tik 6-9 sekundes.

Šiame filme pateikiamas mankštos variantas, kurios metu aktyvuojamos mitochondrijų kvėpavimo grandinės: