Физическото натоварване представлява най-високото ниво на стрес, на което организмът може да бъде подложен. За нагледен пример можем да приложим следното сравнение: човек с много висока температура, близка до леталната за организма, има 100% над нормата ускорен метаболизъм, а по време на маратон метаболизмът се ускорява 2000% над нормалните стойности.

Полови разлики
Най-общо установените принципи за мъжкия пол са абсолютно същите и за женския, освен количествените разлики, следствие на разликата в телесната площ, композицията на тялото и нивата на тестостерон.

При жените нивата на мускулна сила, белодробна вентилация и сърдечен дебит са около 60-75% от физиологичните стойности, установени при мъжете. При измерване сила/квадратен сантиметър, женският мускул достига същата сила на съкращение като мъжкия.

Мускулни метаболитни системи по време на натоварване
Химическата енергия, която захранва мускулите, е аденозин трифосфатът (АТФ). Първите 5-6 секунди от работата на мускула се осигуряват от наличния АТФ в мускулните клетки. След този първоначален период е необходимо синтезирането на нови количества АТФ за поддържането на по-дълга и интензивна физическа активност.

При физическа активност, която изисква бърза доставка за енергия и която не може да бъде осигурена от наличните АТФ запаси на мускула, през следващите 10-15 секунди мускулната сила може да се обезпечи чрез фосфагенната система на организма. Тази система използва съединението креатинфосфат, чрез което аденозин дифосфат се превръща в АТФ. При по-дълго и интензивно физическо натоварване, организмът трябва да разчита на системите, чрез които се разграждат захари (глюкоза) за производство на АТФ.

Пълното разграждане на глюкоза става по два начина: анаеробно и аеробно. Анаеробната употреба на глюкоза настъпва, когато фосфагенната система не може да осигури необходимата енергия за извършване на мускулното съкращение. Тук се активира системата гликоген - млечна киселина. Всяка глюкозна молекула се превръща в две молекули пируват (пирогроздена киселина). Освободената енергия се влага в АТФ. Пирогроздената киселина киселина се разгражда частично до млечна киселина. Ако млечната киселина се натрупа в мускула се появяват признаци на мускулна умора. При определено натрупване на млечна киселина се активира аеробната система за доставка на енергия.

Аеробната система има важно участие при дълготрайно физическо натоварване, например при маратон. Спортовете, изискващи издържливост, разчитат почти изцяло на аеробна енергия - трябва да се синтезират огромни количества АТФ за дълготрайно осигуряване на мускулна сила, но без да се натрупва свръхколичество млечна киселина. Това става по следния начин: пирогроздената киселина се разгражда до въглероден диоксид, вода и енергия чрез серия комплексни реакции, формиращи т.нат цикъл на Кребс (цикъл на лимонената киселина).

Разграждането на пирогроздената киселина изисква кислород и по този начин се забавя или елиминира натрупването на млечна киселина. За обобщение можем да посочим три различни мускулни метаболитни системи, които осигуряват енергията, необходима за различни видове физическа активност:

- фосфагенна система (10 - 15 секунди голямо количество енергия)
- система гликоген-млечна киселина (допълнителни 30-40 секунди енергия)
- аеробна система (големи количества енергия, ограничени единствено от способността на тялото да доставя кислород и други важни нутриенти)

Енергийно потребление при леко физическо натоварване
Най-добрите примери за леко физическо натоварване са ходенето и лекият джогинг. Тук най-голямо участие в движението вземат мускулите, богати на тип 1 мускулни влакна. Тъй като тези влакна имат добро кръвоснабдяване, тяхното захранване с кислород и енергийни вещества е добро. Консумацията на АТФ довежда до натрупване на АДФ (аденозин дифосфат) за по-нататъшна АТФ синтеза.

Наличието на АДФ стимулира преноса на протони (H+) в митохондриите, което от своя страна намалява протонния градиент и стимулира електронния транспорт. Водородът (H+) от редуцираната форма на никотинамид-аденин динуклеотид (НАДH) се използва, като по този начин се освобождава НАД, който участва в окислението на глюкоза и мастни киселини.

Калцият, освободен по време на мускулното съкращение, стимулира ензимите от цикъла на Кребс и съотв. движението на глюкозен транспортер 4 (GLUT-4) от вътрешността на мускулната клетка към клетъчната мембрана. Тези индуцирани от физическото натоварване промени водят до покачване на нивото на окисление.

Енергийно потребление при умерено физическо натоварване
Покачването на темпото на бягане води до повишено ниво на горивно потребление - повишено освобождаване на мастни киселини и съотв. повишено окисление на на мастни киселини от мускула. Ако интензивността на физическото натоварване нарасне още, се достига до лимит на окисление на мастните киселини.

Този феномен не още изяснен напълно, но се смята, че ензимите, участващи в бета-окислението на мастни киселини, са наситени (Vmax на тези ензими < консумацията на ацетил КоА в цикъла на Кребс. Според друга хипотеза може би се касае за изчерпване на карнитина (който участва в преноса на мастни киселини в митохондриите, където става тяхното окисление).

Каквато и да е причината, енергийните нужди на клетката (от ацетил КоА) не могат да се осигурят само от окислението на мастни киселини. Натрупването на ацетил КоА блокира окислението на глюкоза, но тъй като вече се касае за недоимък на аКоА, се активира пируватдехидрогеназата. Последната участва в превръщането на пирувата в ацетил Коа. С други думи енергията по време на умерено физическо натоварване се набавя от мастни киселини и глюкоза едновременно.

Енергийно потребление при интензивно физическо натоварване
При нарастване на интензивността на натоварването още повече, способността на мускулите за извличане на глюкоза от кръвта става недостатъчна за обезпечаване на енергийното потребление. Образуването на АТФ не може да се осигури напълно от извънклетъчни горива и в неговите нива в клетката започват да намаляват. Всичко това стимулира фосфофруктокиназата и гликогенфосфорилазата. Гликогенът, който се съхранява в мускулната клетка, се разгражда с цел осигуряване на глюкоза. Така по време на интензивно физическо натоварване горивото на клетката включва глюкоза и мастни киселини от кръвта и собствения гликоген.

Енергийно потребление при нетренирани индивиди
Тренираността на един индивид означава, че последният има добре развита сърдечносъдова система, която може ефективно да доставя нутриенти и кислород към мускулите. Тренираните хора имат добре кръвоснабдени мускулни клетки с повече на брой митохондрии, високоактивни ензими от цикъла на Кребс, електронни преносители и ензими, участващи в окислението.

При нетренираните индивиди се касае за точно обратното - по-лошо кръвоснабдяване на мускулите, по-малко митохондрии, по-малко елкетрон-транспортни единици, ниска активност на цикъла на Кребс и нискоактивни ензими от бета-окислението. Аеробното продуциране на АТФ при тези лица е компрометирано и недостатъчно. Резултатът е анаеробна синтеза на АТФ чрез гликолиза. Това води до повишаване пируват, който обаче поради липса на оксидативна консумация, се превръща в млечна киселина.