Hoe kom je aan energie?
De mens heeft in haar ontwikkeling geweldige machines gemaakt om energie te halen uit brandstoffen. Denk bijvoorbeeld aan de stoommachine die door het verbranden van kolen stoom produceert waarmee iets aan het draaien wordt gebracht.
Het menselijk lichaam zelf is een enorm veel ingewikkelder machine, die van ons opgeslagen vet of van een banaan ‘biologische batterijtjes’ kan maken om daar vervolgens je spieren mee aan te spannen en een berg op te fietsen. En ja, daarbij lijkt het stoom soms uit je oren te komen. Maar hoe werkt dat dan, van banaan tot spierkracht?
Onze batterijtjes
Van glucose tot ‘batterij’
Nadat wij een banaan hebben doorgeslikt, en die in de darm komt, worden de suikers (glucose) uit de banaan opgeslagen in de lever en de spieren, in de vorm van glycogeen. Het lichaam bevat er genoeg van om een uurtje te sporten. De suikers kunnen ook via het bloed direct met zuurstof in de cellen worden omgezet in een soort ‘biologisch batterijtjes’ (ATP) van ons lichaam.
Die ATP-batterijtjes worden via een lange ‘productieband’ gemaakt en ‘opgeladen’. Eerst wordt 1 molecuul glucose omgezet in 2 moleculen druivenzuur (het glycolyse proces). Daarna wordt er een kooldioxide molecuul van afgehaald en wordt er een co-enzym aan toegevoegd tot ‘Acetyl-CoA’ dat de zogenaamde Citroenzuurcyclus in gaat [Bernards, 1979].
In die cyclus (ontdekt door Adolf Krebs, die er in 1953 de Nobelprijs voor kreeg), worden op ingenieuze wijze allerlei andere moleculen geproduceerd die uiteindelijk de basis vormen voor het maken van de ATP-batterij.
ATP staat voor Adenosine-Tri-Phosphaat, en dat bestaat uit de volgende aantallen atomen: C10H16N5O13P3 . Dit alles gebeurt overigens helemaal zonder zuurstof!
Pas in de laatste stap van de productieband wordt zuurstof gebruikt om uiteindelijk de ATP-batterij te maken.
Uit één glucosemolecuul uit die banaan kun je, als je genoeg zuurstof hebt, maar liefst 38 batterijtjes ATP maken.
Voor dit ‘verbrandings’-proces adem je lucht en daarmee zuurstof in. Normaal zo’n 10,000 liter lucht per dag. Van de 21% zuurstof die de lucht bevat wordt er door de longen per teug ongeveer een kwart opgenomen.
Scheikundigen schrijven dit totale proces van suiker tot ATP-batterij op als een recept, waarbij aan de linkerkant van de pijl de hoeveelheden ingrediënten staan en aan de rechterkant het ‘baksel’ dat er mee wordt gevormd, zie de beschrijving in woorden en chemische formules hieronder.
Bij de verbranding van één ons glucose-moleculen komt er 380 kcal aan energie vrij, waarvan 44% benut wordt om de ATP batterijtjes te laden. De rest gaat als warmte verloren.
Referenties
Bernards & Bouwman (1979). Fysiologie van de mens. Derde druk. Uitgeverij Bohn, Scheltema & Holkema.
De gemaakte kooldioxide en waterdamp adem je gewoon weer uit. Da’s niet onbelangrijk, want teveel kooldioxide in je bloed maakt benauwd. Het hijgen nadat je een trap op bent gerend is dan ook meer bedoeld om de kooldioxide uit te ademen, dan om de zuurstof in te ademen (de inspanning is immers al achter de rug).
Als je zonder zuurstof zit (je longen kunnen niet sneller, of de lucht is te ijl) kan de laatste stap met zuurstof niet gemaakt worden. En dan hou je van de hele productieband geen 38, maar nog slechts 2 ATP-batterijtjes over. Bovendien wordt er bij te weinig zuurstof het giftige melkzuur gemaakt (melkzuurbacterien in yoghurt vinden het heerlijk), waardoor je spieren verzuren en pijn gaan doen.
Van vet tot ‘batterij’
Ook het beetje vet in de banaan kan worden omgezet in ATP. Daartoe wordt het vet eerst afgebroken tot glycerol en vetzuren. Van die vetzuren wordt net als bij glucose weer ‘Acetyl-CoA’ gemaakt dat dezelfde citroenzuurcyclus in kan. Het recept voor vetzuurverbranding, bv stearinezuur, is hieronder gegeven.
Bij de verbranding van één ons stearinezuur-moleculen komt er 820 kcal aan energie vrij, waarvan 50% benut wordt om de ATP batterijtjes te laden. De rest gaat als warmte verloren.
In vergelijking met glucoseverbranding is er bij vetverbranding per ATP iets meer zuurstof nodig, en komt er iets minder water vrij.
Het voordeel van vetverbranding is dat onze vetvoorraad veel groter is dan de glucosevoorraad. Een gemiddeld mens met een spiermassa van 20 kg heeft ruim 3 kg aan glycogeen (vorm van glucose) in water opgeslagen [McArdle, 2015].
Het nadeel is dat vetverbranding 3x zo langzaam gaat als glucoseverbranding, en daarom voor grotere inspanningen niet snel genoeg is, dan moet je glucose verbranden. Als de glucose op is, moet je wel over op het langzame vet (bv bij de 35 km van de marathon).
Referenties
W.D. McArdle, F.I. Katch, V.L. Katch (2015). Bicycling Science (8th edition). Wolters Kluwer.
Ons rendement
Van ‘batterij’ tot spierkracht
De ATP’s worden in de spieren gebruikt om ze, op het moment dat we dat willen, aan te spannen. Voordat we kijken naar hoeveel ATP daar voor nodig is, is het goed om iets te weten over wat een spier is, en hoe spierkracht wordt opgebouwd.
Spieren
Laten we alleen kijken naar de spieren die we gebruiken om kracht op de pedalen te zetten, de zogenaamde skeletspieren die met pezen aan je botten vastzitten en zo je botten verbinden. Als je steeds verder inzoomt zie je dat een skeletspier bestaat uit spierbundels, die weer bestaan uit spiervezels, die weer bestaan uit zogenaamde myofibrillen. Die myofibrillen bestaan uit ‘laagjes’ myosine- en actine-eiwitten die tussen elkaar kunnen schuiven, waardoor je spier samentrekt.
Dat gebeurt gelukkig niet spontaan, maar pas als een zenuw vanuit je hersenen een elektrische impuls stuurt naar de spiervezels. Die impuls loopt met een snelheid van 1 meter per seconde over je spiervezels, en activeren het in elkaar schuiven van die laagjes. De energie die daarvoor nodig is wordt geleverd door, je raadt het al, de ATP-batterijtjes.
ATP om spieren aan te spannen
Van ATP heeft een gemiddeld mens in het hele lichaam 0.2 mol ATP moleculen. Maar wat is een mol? Een ‘mol’ is gelijk aan 6 maal 10 tot de macht 23 moleculen. Chemici vieren niet voor niets ‘Mole Day’ op 23 oktober ;-)
Het gewicht van een mol moleculen hangt dus af van wat een molecuul weegt. Een mol ATP weegt 507 gram.
Als we onze spieren aanspannen, wordt van het ATP een fosfaatgroepje afgesplitst (hydrolyse) waarbij energie vrij komt. Uit 1 mol ATP komt zo’n 33 kJ aan energie vrij (gelijk aan 8 kcal). Maar een mens verbruikt per dag wel zo’n 2000 kcal aan energie (je ‘draait’ op zo’n 120 W), en daar heb je dus 2000/8=125 kg ATP voor nodig, ruim een gemiddeld lichaamsgewicht!
In de paar ons ATP-voorraad in ons lichaam is een hoeveelheid energie is opgeslagen gelijk aan die van een AA batterij. Dus die voorraad zou in een paar minuten op zijn. Zij het niet dat we die voorraad ATP telkens aanvullen, wel honderden malen per dag!
Rendement (nuttige arbeid)
Door de goeie spieren samen te trekken oefen je een kracht uit op je pedalen en duw je je fiets vooruit. Dat heet nuttige arbeid (je brengt er iets mee in beweging). Maar in het hele proces van glucose of vet tot die samentrekking gaat ook best veel energie verloren in de vorm van warmte (rest-warmte). Ruwweg de helft ben je al kwijt bij het opladen van de ATP batterijtjes (om precies te zijn hou je maar 44% over). Bij het omzetten van de energie van de ATP batterijtjes naar spierarbeid gaat er nog eens de helft verloren.
Bij elkaar gaat dus maar 22% van de energie die we in totaal produceren in de samentrekking van de spieren zitten.
De verhouding van die geleverde nuttige arbeid en de totale daartoe geproduceerde energie heet het ‘rendement’.
Dat rendement kun je meten door iemand in een laboratorium op een fiets te zetten en met een mondkapje te meten hoeveel zuurstof wordt ingeademd, of hoeveel kooldioxide wordt uitgeademd. Met het voorgaande recept weet je dan hoeveel glucose er verbrand is, en dus hoeveel energie er in totaal is geleverd.
Het deel van die energie dat nuttig als arbeid is omgezet in beweging meet je via de kracht en de draaisnelheid van de fietswielen. Het rendement is dan arbeid/energie, en blijkt inderdaad gemiddeld zo’n 20-25% te bedragen, afhankelijk van training.
Referenties
Bernards & Bouwman (1979). Fysiologie van de mens. Derde druk. Uitgeverij Bohn, Scheltema & Holkema.
Opwarmen en afkoelen
Je verliest dus veel van je geproduceerde energie aan warmte. Bij een snelheid van 32 km/u op een race fiets produceert je lichaam bij een rendement van maximaal 25% zo’n 4 x 200 = 800 W vermogen. Ofwel 3600 x 800 = 3240 kJ per uur, gelijk aan 685 kcal per uur (zie 2.2).
Hiervan wordt 25% benut voor de fietsbeweging en 75% (514 kcal) verdwijnt aan warmte via afkoeling aan de huid.
Zonder koeling zouden die 514 kcal aan restwarmte het ‘waterige’ lichaam van de fietser (zeg 84 liter) dan zo’n 6 graden opwarmen, van 37 °C tot 43 °C !
Hoe koel je af?
Ons lichaam kan haar (overtollige) warmte op vier manieren kwijt raken aan de omgeving.
De meest bekende is verdamping (ook wel evaporatie genoemd). Daarbij verdamp je water via de huid (zweten), waarbij de verdampingsenergie wordt ontrokken aan het lichaam.
Een tweede is warmte geleiding (ook wel conductie genoemd), waarbij warmte wordt doorgegeven in direct contact tussen je lichaam en een materiaal in je omgeving. Lucht is een slechte geleider, maar water een hele goede. Daarom is een verkoelend bad een herkenbaar voorbeeld.
De derde vorm is stroming (ook wel convectie genoemd), waarbij een warme of koude vloeistof (of een gas) verplaatst wordt. Een voorbeeld is de luchtstroom van een ventilator (of tijdens het fietsen), waarbij voortdurend koelere lucht langs je huid stroomt. De interne doorbloeding van je lichaam is ook een voorbeeld van stroming, waarbij warm bloed eerst langs de kern van je lichaam wordt gebracht om op te warmen en daarna door de huid stroomt om af te koelen.
Tot slot kun je warmte uitstralen (ook wel radiatie genoemd) en zo afkoelen. Zoals je lichaam kan opwarmen door infrarood straling van een kachel, kan het afkoelen door zelf infrarood uit te stralen.
Of er netto meer ingestraald of uitgestraald wordt hangt af van hetlichaamsoppervlak en het temperatuurs-verschil tussen je lichaam en de omgeving.
Geheel in rust (en binnen) vindt de warmte-afgifte voor 40% plaats door straling.
Geleiding en straling werken niet als de buitenlucht warmer is dan de huid, dan warmen we juist op. Maar verdamping werkt dan juist heel goed.
Met een reken model van Ken Parson [Parson, 2014] kun je de warmtebalans voor diverse fietsomstandigheden uitrekenen.
Als je dat doet voor de fietser waarmee we begonnen (32 km/u, 84 kg) bij bewolkt weer en 25C buitenlucht, dan is die in warmtebalans als de huid voor zo’n 55% nat is (zweet). De verdamping en luchtstroom door ademhalen zorgt dan voor 10% van de nodige koeling. De luchtstroom en straling van de huid nemen bij elkaar zo’n 35% van de koeling voor hun rekening, en de verdamping via de huid zo’n 55%.
Referenties
Ken Parsons (2014). Human Thermal Environments, 3rd edition. CRC Press.
Hoe zweet je?
Zweten doen we via de zweetkliertjes, die zich overal in onze huid bevinden en de huid bevochtigen (transpiratie). Het aantal zweetkliertjes per cm2 variereert sterk van slechts 40 in je billen, tot 100 op je rug en ruim 500 op je teen en handpalm [Taylor, 2013].
Het vocht dat door de zweetklieren wordt uitgescheiden verdampt op de huid. Om 1 liter water in waterdamp om te zetten is 540 kcal nodig. Die warmte wordt aan de huid onttrokken (afkoeling).
Je moet dus bijna 1 liter per uur zweten om de geproduceerde lichaamswarmte bij een rijsnelheid van 32 km/u af te voeren (als afkoeling door luchtstroom en/of straling er niet is)!
Onderzoekers hebben die hoeveelheden gemeten bij getrainde duursporters die in klimaatkamers een tijdje bij 60%, 80% en maximale hartslag moesten fietsen [Holmes, 2016].
Bij een inspanning op 60% van de hartslag verloren ze 1 liter zweet per uur, bij maximale hartslag zelfs bijna 2 liter per uur.
En dat zweet bevatte 0.9 gram Natrium en 0.2 gram Kalium per liter. Om 0.9 gram Natrium weer aan te vullen heb je 1.7 gram zout (Natrium-Chloride) nodig, ongeveer net zoveel zout als er in vijf bruine boterhammen zit, of in een ons jong belegen kaas.
Hoe makkelijk je je energie via de huid kwijt kan hangt af van de verhouding van je lichaamsvolume (energieproductie neemt toe met volume) tot je huidoppervlak (afkoeling gaat per m2) en van de isolatielaag (vetlaag) onder je huid.
Voor de gemiddelde Nederlandse man (1.82 m stahoogte, 85 kg) kom je op een huidoppervlak van zo’n 2 m2. Voor de Nederlandse vrouw (1.74 m, 70 kg) kon je op zo’n 1.8 m2.
Kleine mensen hebben het gemiddeld makkelijker dan grote mensen, en mannen hebben het makkelijker dan vrouwen.
Verdamping lukt alleen als de lucht om je heen de waterdamp kan opnemen, en dat hangt weer van de luchtvochtigheid, temperatuur en luchtstroming af. Je kunt zelf meer luchtstroming langs de huid creeeren, en daardoor afkoeling, door harder te gaan fietsen. Maar daarbij produceer je ook weer meer warmte. Het is de kunst om qua snelheid het optimum op te zoeken waarbij je lichaam netto het minst opwarmt.
Referenties
Nigel Taylor et al. (2013). Regional variations in transepidermal water loss, eccrine sweat gland density, sweat secretion rates and electrolyte composition in resting and exercising humans. Extrem Physiol Med;2(1):4.
Nicola Holmes et al (2016). The Effect of Exercise Intensity on Sweat Rate and Sweat Sodium and Potassium Losses in Trained Endurance Athletes. Ann Sports Med Res 3(2): 1063.
Ademhalen
Longen
Het ademen doe je om twee redenen. Ten eerste adem je de zuurstof in die je nodig hebt voor de verbranding van glucose. Ten tweede adem je de kooldioxide uit die bij die verbranding vrij komt. Eigenlijk net zoals een verbrandingsmotor van een auto zuurstof aanzuigt en kooldioxide uitstoot.
Zuurstofopname-vermogen
Hoeveel zuurstof (O2-volume) je per minuut uit de lucht haalt is afhankelijk van het ventilatie-volume per minuut en van het percentage zuurstof (%O2) dat je longen uit de ingeademde lucht halen. Ofwel:
O2-volume =
ventilatie-volume × %O2
Ventilatievolume
Het ventilatie-volume is gelijk aan het ademhalingsvolume × ademhalingsfrequentie.
Je longen hebben een inhoud van ≈6 L (gelijk aan vier 1.5 L flessen cola). In rust adem je maar een halve liter in en uit (een ademhalingsvolume van 0.5 L), de ‘stand’ van je longen varieert dan tussen de 2.3 en 2.8 L.
Als de inspanning toeneemt heb je meer zuurstof nodig en verhoog je je ventilatie volume door én verder in- en uit te ademen, én door je ademfrequentie te verhogen.
Bij een grote inspanning en ventilatievolume van ≈60 L/min varieert het volume van je longen tussen de 1.7 en 3.7 liter (je ademt 2 liter in en uit, 30 keer per minuut).
Hoeveel O2 haal je uit lucht (%O2)?
In het plaatje hierboven [Gaesser, 1986] zie je dat je bij een trapvermogen van 180 W een ventilatie-volume van 40 L/min inademt. De verhouding ventilatie-volume tot O2-volume is dan 18. Dat betekent dat het O2-volume dat je bij dat vermogen uit de lucht haalt 40/18 = 2.2 L/min bedraagt.
Lucht bestaat maar voor 21% uit O2, dus in 40 liter lucht zit 10.8 liter O2. Van die 10.8 liter O2 neem je er 2.2 op, dus je longen zijn bij 180W inspanning in feite in staat op 27% van alle O2 in de lucht op te nemen. Maar het %O2 wordt genomen tov het ventilatievolume en is 5.5%.
Het %O is vrijwel constant tussen 25 W en 200 W (het O2-volume neemt proportioneel toe met het ventilatie-volume), maar vanaf ≈200 W wordt het %O minder dan 5.5% en moet je steeds meer gaan ademhalen om aan zuurstof te komen.
Het %O2 varieert overigens sterk over individuen en is zowel genetisch bepaald als afhankelijk van training [McArdle, 2014].
De maximale O2-opname (VO2max) van je lichaam wordt uitgedrukt in liter per minuut per kg lichaamsgewicht. Voor mij ligt dat op ongeveer op 57ml/kg/min, het gemiddelde voor mannen is 35 ml/kg/min.
Jouw VO2max kun je tijdens een inspanningstest laten meten. Je wordt dan op een fietsergometer gezet, met een masker op om je zuurstofopname te meten, en elke minuut wordt de inspanning met 10 W opgehoogd, tot je niet meer kan ...
Referenties
Gaesser GA, Poole D (1986). Lactate and ventilatory thresholds: Disparity in time course of adaptations to training. Journal of Applied Physiology 61(3).
McArdle WD, Katch FI & Katch VL (2014). Exercise Physiology: Nutrition, Energy, and Human Performance, 8th ed.
Hoeveel lucht moet ik per minuut ademen?
De hoeveelheden lucht die je bij een bepaald vermogen moet inademen zoals hierboven gegeven zijn allemaal gemeten door mensen te laten sporten en in- en uitademing te meten. Maar kun je het ook uitrekenen op basis van van je geleverde vermogen, de verbrandings-formule van glucose, en van kennis over hoe je longen werken?
Hoeveel vermogen moet je leveren?
Neem het voorbeeld waarbij je 180 W trapvermogen in je fiets stopt (180 J/s). Omdat de omzetting van ATP in je spieren een rendement heeft van ≈50% heb je dus geen 180, maar 360 J/s aan energie nodig.
Hoeveel ATP heb je voor dat vermogen nodig?
De energie haal je uit ATP-moleculen. We zagen al (zie 3.2) dat je met 1 mol ATP 33,500 J kunt produceren. Dus per seconde heb je 360/33,500 = 0.011 mol ATP nodig.
Hoeveel liter O2 heb je voor die ATP nodig?
Die ATP-moleculen ontstaan uit de verbranding van glucose, waarbij 1 glucose en 6 zuurstof moleculen worden verbrand tot 38 ATP moleculen (en nog eens ruim de helft van de energie verloren gaat). Dus per seconde heb je voor 0.024 mol ATP zo’n 6/38 × 0.024 = 0.0017 mol O2 nodig. En 0.0017 mol O2 neemt bij 25°C en 1 atmosfeer een volume van 0.04 liter in beslag. Per minuut heb je dus 0.04 × 60 = 2.5 liter O2 nodig.
Hoeveel lucht moet je voor zoveel O2 inademen?
Omdat de fractie O2 in lucht maar ≈21% is, hebben we voor 2.5 liter O2 per minuut bijna 5 keer meer lucht nodig: zo’n 12 liter lucht per minuut. Dat wil zeggen, als we alle O2 uit de lucht kunnen halen met onze longen. Maar dat is niet zo.
Ons lichaam consumeert gemiddeld ≈27% van de ingeademde O2, de rest wordt weer uitgeademd. Daarom moet je voor 2.5 liter O2 wel 44 liter lucht inademen. Deze geheel berekende waarde klopt goed met de experimentele hoeveelheden die Gaesser in 1986 gemeten heeft.
Hoeveel lucht adem je dan per keer in?
Je ademhalingsvolume, of wel hoeveel lucht je per keer naar binnen zuigt, is niet zomaar op de fiets te bepalen. Wel kun je je ademhalingsfrequentie bepalen, gewoon door je ademhalingen te tellen. Bij mij is dat 22 ademhalingen per minuut, als ik 32 km/u over de dijk fiets (180 W). Je ademhalingsvolume is nu te berekenen te berekenen door het ventilatievolume van 44 L/min te delen door de ademhalingsfrequentie van 22/min, en dat geeft een ademhalingsvolume van 2 liter om voldoende O2 binnen te krijgen. En dit zit redelijk in het gemiddelde bereik van 0.5 – 3.5 liter.
En hoeveel suiker verbrandt je daarbij?
Het is ook nog wel leuk om te kijken naar het gewicht aan suiker en O2 dat je verbrandt. Als je met 180W zo’n 32 km/u fietst, dan rij je per minuut 533 m, waarbij je 3.1 gram suiker verbrandt met 3.3 gram O2, en 4.5 gram CO2 produceert. Op 1 kg suiker kom je dus 172 km ver, en produceer je bijna 1.5 kg CO2!