Voeding levert energie om het leven in stand te houden en lichaamsbeweging te ondersteunen. Maar niet direct; het moet eerst worden afgebroken door het spijsverteringsstelsel in kleinere bijproducten genaamd substraten. Eiwitten, koolhydraten en vetten vormen de belangrijkste substraten die worden gebruikt om metabole energie over te dragen om te worden gebruikt voor alle soorten cellulaire activiteit en leven (Becker & Smith, 2006; Gleeson, 2005; Kalish e.a., 2012; Maughan, 2005).
Omdat alle energiesubstraten vormen van organisch materiaal zijn, kunnen veel in het lichaam van de ene naar de andere worden omgezet, afhankelijk van wat nodig is. Het lichaam kan bijvoorbeeld voedsel op basis van koolhydraten omzetten in vetmoleculen om energie op te slaan voor later gebruik. Een selectie substraten kan echter niet intern op deze manier worden gemaakt en moet in het voedingspatroon worden geconsumeerd. Die voedingsstoffen die we moeten eten om gezond te leven, worden essentieel bedoeld.
Glucose en glycogeen
Glucose is een van de belangrijkste energiebronnen, met name voor de hersenfunctie en activiteit met een hogere intensiteit. Glucose kan in het lichaam worden gemaakt van andere substraten (vetten en aminozuren), maar een groot deel van onze dagelijkse glucosebehoeften komt van het consumeren van voedsel op basis van koolhydraten. Koolhydraten worden geconsumeerd en afgebroken tot glucose door de spijsvertering. Glucose wordt vervolgens geabsorbeerd en getransporteerd in het bloed, waar het circuleert totdat het cellen binnendringt en wordt gebruikt om ATP te maken of wordt opgeslagen voor later. Wanneer het wordt opgeslagen, wordt het opgeslagen als ketens van moleculen in een vertakte structuur genaamd glycogeen. Glycogeen wordt opgeslagen in de lever en spiercellen en kan snel worden afgebroken om energie te leveren wanneer er niet genoeg vrije glucose in het bloed zit.
Glucose levert een relatief kleine bijdrage aan de totale energieproductie tijdens rust of lage intensiteitsoefeningen. De hersenen hebben altijd glucose nodig om te functioneren, maar vetten zijn wat vooral het lichaam voedt wanneer het niet actief is.
Naarmate de intensiteit van een activiteit toeneemt, gaat het lichaam meteen over van het gebruik van voornamelijk vet als brandstof in rust (BMR) naar het gebruik van meestal glucose om energie te leveren. Bij alle opstart van activiteiten is dit het geval. Dit komt omdat glucose veel sneller kan worden gebruikt dan vet en ook zonder zuurstof kan worden gemetaboliseerd, terwijl het gebruik van vet voor brandstof altijd zuurstof vereist.
Naarmate de intensiteit van de activiteit toeneemt, wordt het gebruik van koolhydraten als energiebron verhoogd. Bij de metabole marker ademingsdrempel 1 (Ventilatiory Treshold 1 (VT1)) is de verhouding 50/50% en wordt het gebruik van vet 50%. Dit is een belangrijk concept om in gedachten te houden tijdens cardiorespiratoire beoordeling en programmering, vooral omdat het betrekking heeft op het maximaliseren van zowel vetverliesdoelen als prestatiedoelen voor klanten.
Naarmate de inspanningsintensiteit verder toeneemt tot het maximale niveau, wordt ademingsdrempel 2 (Ventilatory Treshold 2 (VT2)) bereikt (Ballweg et al., 2013; Foster e.a., 2008). VT2 vertegenwoordigt het punt waar de activiteit zo intens is dat glucose vrijwel alle energie voor de activiteit levert, omdat vetten te langzaam metaboliseren om aan de maximale eisen te voldoen. Als de voorraden glucose en glycogeen opraken, zal een persoon niet in staat zijn om op maximale intensiteit te blijven sporten en zal hij of zij de inspanning moeten verminderen tot een niveau waarop zuurstofrijk en vetgebruik opnieuw mogelijk is, meestal aangeduid als het raken van een muur. Dit is een deel van de reden waarom sommige atleten “energiegels” en andere koolhydraatsupplementen gebruiken tijdens langdurige inspannende training en in competitie.
Vrije vetzuren
Een even belangrijke bron van energie zijn vetten, ook bekend als lipiden. Deze energiebron is vooral belangrijk tijdens rust en activiteit met een lagere intensiteit (d.w.z. onder VT1). De chemische (of substraat) vorm waarin de meeste vetten bestaan in voedsel (evenals in het lichaam) wordt triglyceride genoemd (Gleeson, 2005; Kalish e.a., 2012). Triglyceriden, beter bekend als vrije vetzuren wanneer ze zich in de bloedbaan bevinden, zijn rechtstreeks afkomstig van vetten in voedingsmiddelen of worden door het lichaam gemaakt om overtollige energie op te slaan wanneer er meer voedsel wordt geconsumeerd dan nodig is.
Voordat cellen verbruikt vet of opgeslagen lichaamsvet als brandstofbron kunnen gebruiken, moet het eerst worden afgebroken tot vrije vetzuren. Vrije vetzuren worden vervolgens uitsluitend gebruikt in de aerobe metabole route om ATP te produceren. Een van de voordelen van het hebben van vet als brandstofbron is dat zelfs relatief magere mensen nog steeds een grote voorraad op hun lichaam hebben opgeslagen, die kan worden opgesplitst in triglyceriden en kan worden gebruikt voor energie tijdens langdurige fysieke activiteit en lichaamsbeweging met een lagere tot gemiddelde intensiteit. Elke keer dat een individu traint met een intensiteit onder VT1, zijn vrije vetzuren de primaire brandstofbron.
Aminozuren
De derde brandstofbron is eiwit, dat bestaat uit lange ketens van “bouwsteen” stoffen genaamd aminozuren. Mensen gebruiken 20 verschillende aminozuren om lichaamseiwitten samen te stellen. Van deze 20 aminozuren worden er negen essentiële aminozuren genoemd, wat betekent dat het lichaam ze niet alleen kan synthetiseren en dat ze in de voeding moeten worden geconsumeerd.
De andere 11 aminozuren worden niet-essentiële aminozuren genoemd, wat betekent dat ze door het lichaam kunnen worden gesynthetiseerd (uit geconsumeerde koolhydraten of vetsubstraten) zolang de totale voedingsinname voldoende is.
Wanneer een persoon eiwitten consumeert, wordt het afgebroken in zijn component aminozuren. Die aminozuurbouwstenen zullen dan idealiter worden gebruikt om lichaamseiwitten te synthetiseren die spieren opbouwen en cellulaire reparatie. De aminozuren uit voedingseiwitten kunnen echter ook energie leveren voor ATP-productie als de koolhydraat- en vetbronnen laag zijn. Deze situatie zou zelden moeten gebeuren met “reserve-eiwit”, daarom is voldoende koolhydraatinname belangrijk, vooral na intensieve lichaamsbeweging; daarom worden glycogeenvoorraden aangevuld met de koolhydraatbron en kunnen aminozuren hun belangrijkste postexercise-rol vervullen: spieren opbouwen en herstellen.
Eiwitten leveren zelden veel energie tijdens het sporten en worden in veel beschrijvingen genegeerd als een belangrijke brandstofbron voor het energiemetabolisme (Mitchell et al., 2016; Phillips, 2017). Tijdens een negatieve energiebalans worden aminozuren gebruikt om te helpen bij de energieproductie en kunnen ze afkomstig zijn van eiwitten die zijn gegeten of van de afbraak van spierweefsel zelf in extreme gevallen, zoals verhongering of bij langdurig sporten met extreem hoge intensiteiten (bijvoorbeeld bij olympische marathonlopers). Voordat aminozuren kunnen worden gebruikt om ATP te maken, worden ze verder afgebroken en vervolgens opnieuw samengevoegd tot glucose via een proces genaamd gluconeogenese of ketonlichamen via een proces genaamd ketogenese (Maughan, 2005; McArdle e.a., 2010).
Ketonlichamen
Ketonlichamen is de naam die gezamenlijk wordt gebruikt om te verwijzen naar drie moleculen – aceton, acetoazijnzuur en bèta-hydroxyboterzuur – die anaerobisch kunnen worden gemetaboliseerd, vergelijkbaar met glucose. Deze moleculen worden door de lever geproduceerd als bijproduct van de afbraak van vetzuren of door de omzetting van ketogene aminozuren. Het lichaam heeft niet het vermogen om deze moleculen op te slaan, dus ze worden alleen acuut gebruikt om energie te produceren en worden niet opgeslagen voor later zoals glycogeen (Miller et al., 2018). Hoewel het lichaam voornamelijk op vrije vetzuren werkt in rust met lage en gemiddelde intensiteit activiteiten, heeft het nog steeds koolhydraatsubstraten nodig om goed te functioneren. Dus wanneer koolhydraatvoorraden bijna leeg zijn, worden ketonlichamen geproduceerd en gebruikt naast gluconeogene glucose om het tekort goed te maken. Tijdens deze metabolische toestand wordt gezegd dat het lichaam in ketose is. Ketonspiegels kunnen op verschillende manieren in het menselijk lichaam toenemen:
- Door de totale calorieën te beperken tot zeer lage niveaus.
- Door zeer koolhydraatarme diëten te volgen (bijv. ketogeen dieet).
- Door exogene ketonen te consumeren.
- Wanneer er een gebrek aan insuline wordt geproduceerd (type 1 diabetes) of aanzienlijke insulineresistentie (type 2 diabetes)
In de meeste gevallen, wanneer mensen deelnemen aan de vorige voedingsgewoonten 1-3, kunnen hun ketonspiegels stijgen tot ongeveer 0,5-1,5 millimol per liter (mmol / L) bloed, wat bekend staat als nutritionele ketose. Dit is een andere fysiologische toestand dan wat bekend staat als ketoacidose, die meestal voorkomt bij diabetici. Voor de meeste mensen vormen ketonen een klein deel van de energie producerende substraten in het lichaam, zelfs in nutritionele ketose. Er is echter wel enig onderzoek gedaan naar het effect van ketose en ketonproducerende diëten, zoals ketogene diëten, voor trainingsprestaties (LaFountain et al., 2019; Volek e.a., 2016).