Der Energiestoffwechsel wird allgemein als die Gesamtheit der chemischen Prozesse eines Organismus definiert. Diese chemischen Prozesse nehmen typischerweise die Form komplexer Stoffwechselwege innerhalb der Zelle an, die im Allgemeinen als katabolisch oder anabolisch kategorisiert werden. Beim Menschen wird die Untersuchung des Energieflusses und der Energieverarbeitung im Körper als Bioenergetik bezeichnet und befasst sich hauptsächlich damit, wie Makromoleküle wie Fette, Proteine und Kohlenhydrate abgebaut werden, um nutzbare Energie für Wachstum, Reparatur und körperliche Aktivität bereitzustellen.
Anabole Stoffwechselwege verwenden chemische Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP), um die zelluläre Arbeit anzutreiben. Der Aufbau von Makromolekülen aus kleineren Komponenten, wie die Synthese von Proteinen aus Aminosäuren, und die Verwendung von ATP zur Ankurbelung der Muskelkontraktion sind Beispiele für anabole Stoffwechselwege. Um anabole Prozesse anzutreiben, spendet ATP ein einzelnes Phosphatmolekül und setzt dabei gespeicherte Energie frei. Sobald die ATP-Versorgung einer Arbeitszelle aufgebraucht ist, muss mehr durch den katabolen Energiestoffwechsel erzeugt werden, damit die zelluläre Arbeit fortgesetzt werden kann.
Katabolische Wege sind solche, die große Moleküle in ihre Bestandteile zerlegen und dabei Energie freisetzen. Der menschliche Körper ist in der Lage, sowohl durch anaeroben als auch aeroben Energiestoffwechsel sein eigenes ATP zu synthetisieren und zu speichern. Der anaerobe Stoffwechsel findet in Abwesenheit von Sauerstoff statt und ist mit kurzen, intensiven Energiestößen verbunden. Der aerobe Stoffwechsel ist der Abbau von Makromolekülen in Gegenwart von Sauerstoff und ist mit einer geringeren Trainingsintensität sowie der täglichen Arbeit der Zelle verbunden.
Der anaerobe Energiestoffwechsel tritt in zwei Formen auf, dem ATP-Kreatinphosphat-System und der schnellen Glykolyse. Das ATP-Kreatinphosphat-System verwendet gespeicherte Kreatinphosphat-Moleküle, um ATP zu regenerieren, das aufgebraucht und zu seiner energiearmen Form, Adenosindiphosphat (ADP), abgebaut wurde. Das Kreatinphosphat spendet dem ADP ein energiereiches Phosphatmolekül, wodurch verbrauchtes ATP ersetzt und die Zelle wieder mit Energie versorgt wird. Muskelzellen enthalten typischerweise genug frei schwebendes ATP und Kreatinphosphat, um etwa zehn Sekunden intensive Aktivität zu erzeugen, danach muss die Zelle auf den schnellen Glykolyseprozess umschalten.
Die schnelle Glykolyse synthetisiert ATP aus Glukose im Blut und Glykogen im Muskel, wobei Milchsäure als Nebenprodukt produziert wird. Diese Form des Energiestoffwechsels ist mit kurzen, intensiven Aktivitätsausbrüchen verbunden &mash; wie Powerlifting oder Sprinten – wenn das Herz-Kreislauf-System keine Zeit hat, den arbeitenden Zellen ausreichend Sauerstoff zuzuführen. Wenn die schnelle Glykolyse fortschreitet, sammelt sich Milchsäure im Muskel an, was eine als Laktatazidose oder, informeller, Muskelverbrennung bekannte Erkrankung verursacht. Die schnelle Glykolyse produziert den größten Teil des ATP, das von zehn Sekunden bis zwei Minuten Training verbraucht wird.
Der aerobe Stoffwechsel findet auf zwei Arten statt: schnelle Glykolyse oder Fettsäureoxidation. Die schnelle Glykolyse baut wie die langsame Glykolyse Glukose und Glykogen ab, um ATP zu produzieren. Da dies jedoch in Gegenwart von Sauerstoff geschieht, handelt es sich bei dem Prozess um eine vollständige chemische Reaktion. Während die schnelle Gykolyse zwei ATP-Moleküle für jedes metabolisierte Glukosemolekül produziert, kann die langsame Gykolyse 38 ATP-Moleküle aus der gleichen Menge Kraftstoff herstellen. Da es während der Reaktion zu keiner Ansammlung von Milchsäure kommt, ist die schnelle Glykolyse nicht mit Muskelverbrennungen oder Ermüdung verbunden.
Schließlich ist die Fettsäureoxidation die langsamste und effizienteste Form des Energiestoffwechsels. Dies ist der Prozess, der verwendet wird, um Aktivitäten wie Verdauung und Zellreparatur und -wachstum sowie langfristige Trainingsaktivitäten wie Marathonlauf oder Schwimmen anzutreiben. Anstatt Glukose oder Glykogen als Brennstoff zu verwenden, verbrennt dieser Prozess Fettsäuren, die im Körper gespeichert sind, und kann bis zu 100 ATP-Moleküle pro Fettsäureneinheit produzieren. Dies ist zwar ein hocheffizienter, energiereicher Prozess, erfordert jedoch große Mengen an Sauerstoff und tritt erst nach 30 bis 45 Minuten geringer Aktivität auf.