Mỗi chức năng và chuyển động của cơ thể đều đòi hỏi năng lượng. “Tiền tệ” của năng lượng trong cơ thể và các sinh vật sống là một phân tử mang năng lượng, được gọi là adenosine triphosphate, hay còn được biết đến với tên viết tắt là ATP.
Mặc dù nhiều người có thể nhớ đã nghe về ATP từ lớp sinh học trung học, nhưng chi tiết về cách ATP hoạt động và cách nó được tạo ra thường không rõ ràng với hầu hết mọi người.
Vậy ATP là gì? ATP được tạo ra như thế nào? ATP được cấu thành từ gì? ATP được tạo ra ở đâu? Và quan trọng nhất, ATP có vai trò gì?
Trong bài viết này, chúng ta sẽ quay lại một số khái niệm sinh học phổ thông, giúp ích cho việc tập luyện và cải thiện hiệu suất hàng ngày bằng cách khám phá ATP là gì, cách ATP được tạo ra, và cách ATP hoạt động trong cơ thể.
Chúng ta sẽ đề cập đến:
- ATP là gì?
- ATP hoạt động như thế nào?
- ATP được sản xuất ra sao?
- Tại sao ATP lại quan trọng?
Hãy bắt đầu thôi!
ATP Là Gì?
ATP, viết tắt của adenosine triphosphate, là một phân tử lớn bao gồm một bazơ chứa nitơ (adenine) và một phân tử đường (ribose), tạo thành adenosine.
Phần triphosphate chỉ ba phân tử phosphate gắn kết với adenosine.
Phân tử ATP được phát hiện lần đầu vào năm 1929 bởi nhà hóa học người Đức Karl Lohmann khi ông nghiên cứu về sự co bóp cơ.
Tuy nhiên, phải mất thêm một thập kỷ nữa để ATP được hiểu đầy đủ. Năm 1939, Fritz Lipmann đã nhận giải Nobel vì xác định rằng ATP có các liên kết phosphate “giàu năng lượng” và là chất vận chuyển năng lượng chung trong tất cả các tế bào sống.
ATP Hoạt Động Như Thế Nào?
Phân tử ATP lưu trữ năng lượng trong các liên kết phosphate. Khi các phân tử phosphate bị cắt ra, năng lượng có thể sử dụng được sẽ được giải phóng.
Khi một phân tử phosphate bị loại bỏ, phân tử này được gọi là adenosine diphosphate (ADP). Nếu một phân tử phosphate nữa bị loại bỏ, nó trở thành adenosine monophosphate (AMP).
Cấu hình có năng lượng cao nhất là ATP; khi các phân tử phosphate bị loại bỏ, năng lượng được giải phóng và phân tử này mang ít năng lượng hơn.
ATP và ADP luôn trong chu kỳ qua lại giữa trạng thái năng lượng cao của ATP và phân tử năng lượng thấp ADP khi một phân tử phosphate bị cắt ra hoặc được bổ sung trở lại.
Theo cách này, phân tử ATP/ADP có thể được xem như một pin sạc. Khi pin “đầy,” phân tử ở trạng thái triphosphate như ATP với ba phân tử phosphate, mang theo lượng năng lượng tối đa cho công việc tế bào.
Khi tế bào cần năng lượng, một phân tử phosphate bị loại bỏ, và phân tử bị “rút cạn” năng lượng. Ở trạng thái diphosphate, với hai phân tử phosphate, adenosine diphosphate (ADP) là dạng năng lượng thấp của phân tử này.
Sau khi thực phẩm được tiêu thụ, cơ thể có thể chuyển đổi năng lượng trong thực phẩm thành các liên kết phosphate năng lượng dự trữ.
Một phân tử phosphate khác có thể được bổ sung vào trạng thái “pin yếu” của ADP, chuyển đổi phân tử trở lại thành ATP đầy đủ năng lượng.
Một phân tử ADP/ATP có thể trải qua chu kỳ mất và nhận lại một phân tử phosphate hoặc sạc và xả vô số lần trong vòng đời của nó.
ATP Được Sản Xuất Như Thế Nào?
Vậy, ATP được tạo ra như thế nào?
Cơ thể sản xuất phân tử ATP thông qua một quá trình gọi là thủy phân.
Năng lượng từ carbohydrate, protein và chất béo trong thực phẩm và đồ uống chúng ta tiêu thụ được sử dụng để tạo ra phân tử mang năng lượng ATP.
Carbohydrate là nguồn thực phẩm chính để sản xuất ATP, bởi vì glucose, một loại đường đơn mà carbohydrate bị phân giải thành, là nguồn nhiên liệu chính cho ty thể trong các tế bào của chúng ta.
Ty thể là các bào quan, hoặc các thành phần nhỏ trong tế bào, thực hiện việc chuyển đổi năng lượng calo từ thực phẩm thành năng lượng tế bào, hay ATP, thông qua một quá trình được gọi là hô hấp tế bào.
Về cơ bản, ty thể có thể trích xuất năng lượng calo trong thực phẩm được chứa trong các liên kết của phân tử đường và chuyển đổi nó thành năng lượng có thể sử dụng cho tế bào, đó chính là phân tử ATP.
Có nhiều loại hô hấp tế bào khác nhau, đây là quá trình chuyển hóa năng lượng. Khi quá trình này diễn ra với sự hiện diện của oxy, nó được gọi là hô hấp hiếu khí.
Hô hấp hiếu khí diễn ra qua một con đường gọi là chu trình Krebs hoặc chu trình axit citric và chuỗi vận chuyển điện tử.
Khi không đủ oxy, như trong lúc tập luyện cường độ cao, hô hấp tế bào vẫn có thể diễn ra nhưng sử dụng các con đường khác, được gọi là trao đổi chất kỵ khí, hoặc cụ thể hơn là glycolysis và hệ ATP/PC.
Các phân tử glucose bắt đầu chuyển đổi thành ATP qua quá trình glycolysis, một chuỗi các phản ứng hóa học cuối cùng phân giải các phân tử glucose thành các phân tử nhỏ hơn gọi là pyruvate và bốn phân tử ATP.
Miễn là glycolysis diễn ra trong môi trường có oxy, các phân tử pyruvate sẽ tham gia vào chu trình Krebs hoặc chu trình axit citric, giúp phân giải thêm các phần còn lại của phân tử đường thành các chất mang điện tử.
Các chất mang điện tử là những phân tử đặc biệt cung cấp năng lượng cho việc tổng hợp ATP.
Chúng đi vào chuỗi vận chuyển điện tử (ETC), đây là một con đường hô hấp tế bào hiếu khí. Con đường này bơm các proton mang điện tích dương qua màng trong của ty thể, cuối cùng tạo ra một lượng ATP lớn hơn so với các giai đoạn trước của quá trình hô hấp tế bào.
Mặc dù phần lớn ATP trong cơ thể con người được sản xuất trong ty thể qua hô hấp hiếu khí, ATP cũng có thể được sản xuất mà không cần oxy, hay còn gọi là kỵ khí, cả trong cơ thể và ở các sinh vật sống khác như động vật, thực vật và thậm chí là một số vi khuẩn.
Ví dụ, trong cơ thể con người, khi bạn đang tập luyện mạnh mẽ, có thể không có đủ oxy để sản xuất năng lượng bằng con đường hiếu khí. Trong những trường hợp này, glycolysis kỵ khí xảy ra, có nghĩa là thay vì tạo ra pyruvate, tất cả sản phẩm cuối cùng của các phản ứng hóa học tạo thành chu trình glycolysis là lactate.
Quá trình lên men axit lactic sau đó tạo ra ATP một cách kỵ khí. Tuy nhiên, chu trình Krebs và chuỗi vận chuyển điện tử không thể diễn ra nếu thiếu oxy, vì vậy lượng ATP có thể thu được từ mỗi phân tử glucose bị phân giải sẽ giảm đáng kể.
Thêm vào đó, quá trình glycolysis kỵ khí tạo ra các ion hydro, mang tính axit và làm giảm pH trong mô cơ của bạn. Độ pH thấp có thể gây ra cảm giác nóng rát có thể xuất hiện khi tập thể dục cường độ cao như chạy nước rút hoặc bài tập HIIT.
Theo nghiên cứu, khi quá trình tổng hợp ATP diễn ra qua hô hấp tế bào hiếu khí trong ty thể, khoảng 32 phân tử ATP được tạo ra cho mỗi phân tử glucose bị oxy hóa.
Thông thường, cơ thể cần thủy phân khoảng 100 đến 150 mol ATP mỗi ngày để hỗ trợ tất cả các chức năng khác nhau. Vì một mol tương đương với 6,022 × 10²³ phân tử, điều này đại diện cho một nhu cầu ATP khổng lồ của cơ thể mỗi ngày.
Mặc dù phần lớn ATP được sản xuất qua các con đường hô hấp tế bào, ATP cũng có thể được sản xuất qua quá trình oxy hóa beta (trong đó phân tử chất béo bị phân giải để tạo năng lượng) và ketosis (trong đó ketone được đốt cháy để cung cấp năng lượng).
Thêm vào đó, thực vật, tảo và một số vi khuẩn có thể tạo ra ATP bằng cách chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng tế bào (ATP) qua quá trình quang hợp thay vì năng lượng từ thực phẩm.
Những sinh vật này thậm chí không có ty thể. Chúng sử dụng lục lạp để thực hiện chức năng hô hấp tế bào.
Tại Sao ATP Lại Quan Trọng?
ATP cực kỳ quan trọng cho sự sống của mọi sinh vật, bao gồm cả cơ thể con người. Không có ATP, tế bào không thể thực hiện các chức năng của mình, cơ bắp không thể co bóp, tiêu hóa không diễn ra, tim không thể đập, v.v.
ATP cần thiết để chuyển hóa năng lượng có trong thực phẩm chúng ta ăn. Vì vậy, không có ATP, dù bạn ăn nhiều đến đâu, bạn cũng không thể tận dụng được năng lượng tiềm tàng có trong carbohydrate, protein, và calo từ chất béo đã tiêu thụ.
ATP có thể được ví như xăng trong xe hơi hoặc năng lượng pin trong điện thoại của bạn. Nếu bạn cạn năng lượng và không còn xăng hoặc pin, xe sẽ không chạy và điện thoại sẽ không thể sử dụng.
Điều quan trọng là ngoài việc cần các chất dinh dưỡng calo (carbohydrate, protein và chất béo) để sản xuất ATP, cơ thể còn cần các vi chất dinh dưỡng như vitamin B và khoáng chất như đồng, magiê, mangan và phốt pho để tạo ATP.
Miễn là bạn duy trì một chế độ ăn uống cân bằng với lượng calo phù hợp với mức độ hoạt động thể chất của bạn, uống đủ nước và nghỉ ngơi đầy đủ, cơ thể sẽ có đủ tài nguyên cần thiết để tạo ATP và hỗ trợ chu kỳ tái chế ATP/ADP liên tục, đảm bảo hoạt động sống cơ bản cũng như các hoạt động thể chất tự nguyện và tập luyện.
Để hiểu rõ nhu cầu calo hàng ngày của cơ thể, bạn có thể tham khảo bài viết của chúng tôi, TDEE là gì? Tổng chi phí năng lượng giải thích.
