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肌肉活动的能量供应
作者:系统管理员    发布于:2014-12-14 16:22:59    文字:【】【】【
摘要:人体内维持各种生命活动的能量只能从食物中获得,即糖、脂肪和蛋白质结构中的化学能。 但人体活动的直接能量来源于ATP分解供能。反应简式如下: 机体维持生命活动需要不断消耗ATP,ATP不断生成又保障了机体连续不断地能量供应。生物体内能量的释放、转移和利用的过程都是以ATP为中心进行的。而ATP的分解与再合成的速度随代谢的需要而变化。
第一节:人体内能量的来源与去路
(一)ATP直接能量来源
    人体内维持各种生命活动的能量只能从食物中获得,即糖、脂肪和蛋白质结构中的化学能。 但人体活动的直接能量来源于ATP分解供能。反应简式如下:

    机体维持生命活动需要不断消耗ATP,ATP不断生成又保障了机体连续不断地能量供应。生物体内能量的释放、转移和利用的过程都是以ATP为中心进行的。而ATP的分解与再合成的速度随代谢的需要而变化。
(二)ATP再生成的途径 
    ATP的再生成实际上是ADP与Pi 再连接,是一个磷酸化的吸能过程。被吸收的能量只能从摄入机体内的糖、脂肪和蛋白质等物质的分解(放能)过程中获得。一般认为蛋白质在正常情况下不作为能源物质参与供能。蛋白质是构成生命、实现自我更新的结构基础,只有在特殊情况下参与供能。因此,ATP的生成主要是在糖和脂肪的分解代谢过程中进行的。糖的分解可以是有氧氧化,也可以是无氧酵解;而脂肪的分解则完全是有氧氧化。因此,ATP的生成包括有氧生成和无氧生成 两种类型。
ATP的有氧生成(氧化磷酸化):糖和脂肪的氧化分解是在细胞线粒体内进行的,是一个逐步氧化、逐步放能的复杂过程。其途径都要通过三羧酸循环,最终把糖和脂肪分解成为CO2和H2O。其中CO2是在脱羧(-COOH)反应中产生的,它不伴有能量的明显变化;而H2O的生成是在脱氢(H2)反应中产生的,即把脱下来的氢,经呼吸链传递,最终与氧化合生成水,此过程释放能量,是供ATP有氧生成的主要过程。由于ATP生成的磷酸化最终是与O2化合实现的,故称为氧化磷酸化。它是体内能源物质通过氧化分解,将其能量转移给ATP的最重要途径。
ATP的无氧生成(底物水平磷酸化):ATP的无氧生成是在细胞浆内进行的,其基质是磷酸肌酸(CP)和葡萄糖G或糖原Gn,整个过程不需要氧。由于ATP生成的磷酸化是通过底物分子结构的变化,将能量转移给ADP生成ATP的,故又称为底物水平磷酸化。
    细胞内的CP是一种含有高能磷酸键的高能物质,贮量约为ATP的3~5倍。CP分解时可迅速将能量转移给ADP生成ATP。其特点是快速和直接。1mol的CP可净生成1mol的ATP,反应简式为: CP + ADP Û ATP + C。
    当体内氧供应不足时,1mol的G或Gn经无氧酵解,可净生成2-3mol的ATP。我们把糖的无氧酵解供ATP再合成所需的能量称为乳酸能;而CP分解供ATP再合成所需的能量称为非乳酸能。此外,在某些情况下,2mol的ADP在肌激酶的作用下也可生成1mol的ATP和1mol的AMP,但这不是ATP无氧生成的主要过程。
二、人体内能量的去路(转移与利用)
  人体从食物中摄取的总能量的50%是以热能的形式维持正常体温;其余绝大部分的能量是以化学能的形式重新再转移到ATP分子中贮存,以供机体直接利用。这里主要介绍ATP能量的去路问题。
(一)转变为机械能──肌肉收缩做功
     对人体而言,只有在肌肉中才能把化学能转变为机械能。肌肉收缩产生于肌原纤维上肌小节中的肌丝滑行,而肌丝滑行的始动又在于横桥的摆动,完成这一横桥摆动的机械能来自ATP的分解。人体内的肌肉约占总体重的35~45%,运动过程中体内ATP能量的去路主要用于转化为机械能使肌肉做功。
(二)转移到肌酸上──储存能
     ATP的生成主要来自氧化磷酸化过程。当ATP生成较多时,可将含有高能磷酸键的Pi转移给肌酸而形成CP,以备“急用”。因此,CP是体内快速可动用的“能量库”。科学训练能使肌肉内CP储量增多。
(三)转变为其它形式的能──完成各种生理功能
     ATP分解产生的能量可用于完成人体各种生理功能,即ATP的化学能转变为体内其它形式的能。如用于体内合成代谢所需的化学能;消化与吸收、肾小管对滤液的重吸收、细胞膜的主动转运及细胞分泌等渗透能;神经兴奋的传导、生物电能等等。
    人体内能量的来源与去路,即能量的摄入与支出,是符合能量守恒定律的。
     能量输入(食物)=能量输出(做功、产热)±能量的储存(脂肪等)
    健康成年人体重的变化,基本符合上述公式。当能量摄入与支出相平衡时,体重基本保持不变;如果摄入大于支出时,人体就会发胖;相反则会消瘦。
第二节:人体运动时的能量供应
一、人体的三个功能系统
如前所述,ATP是人体一切活动的直接能源;而糖、脂肪、蛋白质等是间接能源。由于ATP在体内含量很少,远不能满足身体活动的需要,所以必须是边分解边合成。ATP再合成时所需的能量只能从间接的能源中获得。Margaria曾计算了体内能源物质最大供能的总容量和输出功率,并比较了它们之间各自的特点,把能源物质按无氧供能和有氧供能分成了三个系统。即磷酸原系统 、乳酸能系统 和有氧氧化系统 。
(一)磷酸原系统
    磷酸原系统是由ATP和CP组成的系统。ATP在肌肉内的储量很少,若以最大功率输出仅能维持2秒左右。肌肉中CP储量约为ATP的3~5倍。CP能以ATP分解的速度最直接的使之再合成。由于二者的化学结构都属高能磷酸化合物,故称为磷酸原系统(ATP¾CP系统)。
   剧烈运动时,肌肉内的CP含量迅速减少,而ATP含量变化不大。根据Margaria计算,人体高能磷酸化合物含量为23~25mmol∙kg-1湿肌重。其中ATP含量约为4~5mmol∙kg-1湿肌重,CP含量约为18~20 mmol∙kg-1湿肌重。磷酸原系统供能的总容量约为420kJ∙kg-1湿肌重。如果用每kg体重作为能量输出单位,那么,ATP-CP系统的最大供能速率或输出功率为56J∙kg-1s-1,供能持续时间为7.5秒左右。磷酸原系统供能的特点是,供能总量少,持续时间短,功率输出最快,不需要O2,不产生乳酸等物质。
    磷酸原系统是一切高功率输出运动项目的物质基础。数秒钟内要发挥最大能量输出,只能依靠ATP-CP系统。如短跑、投掷、跳跃、举重等运动项目。测定磷酸原系统的功率输出,是评定高功率运动项目训练效果和训练方法评价的一个重要指标。常用Margaria测验方法。
(二)乳酸能系统
    乳酸能系统是指糖原或葡萄糖在细胞浆内无氧分解生成乳酸过程中,再合成ATP的能量系统。人体骨骼肌中肌糖原含量约为50~90mmol∙kg-1湿肌重,据此计算的乳酸能系统供能的最大容量约为962J∙kg-1体重,其最大供能速率或输出功率为29.3J∙kg-1s-1,供能持续时间为33秒左右。由于最终产物是乳酸故称乳酸能系统。因为1mol葡萄糖或糖原无氧酵解产生乳酸,可净生成2~3molATP。因此,该系统ATP的生成速率取决于底物消耗 (糖原, 葡萄糖)到产物生成 (乳酸)之间的反应速率。其特点是,供能总量较磷酸原系统多,输出功率次之,不需要氧,产生导致疲劳的物质--乳酸。由于该系统产生乳酸,并扩散进入血液,因此,血乳酸水平是衡量乳酸能系统供能能力的最常用指标。乳酸是一种强酸,在体内聚积过多,超过了机体缓冲及耐受能力时,会破坏机体内环境酸碱度的稳态,进而又会限制糖的无氧酵解,直接影响ATP的再合成,导致机体疲劳。乳酸能系统供能的意义在于保证磷酸原系统最大供能后仍能维持数十秒快速供能,以应付机体的需要。该系统是1分钟以内要求高功率输出运动的物质基础。如400m跑、100m游泳等。专门的无氧训练可有效提高该系统的供能能力。
(三)有氧氧化系统
    有氧氧化系统是指糖、脂肪和蛋白质在细胞内(主要是线粒体内)彻底氧化成H2O和CO2 的过程中,再合成ATP的能量系统。从理论上分析,体内储存的糖特别是脂肪是不会耗尽的,故该系统供能的最大容量可认为无限大。但该系统是通过逐步氧化、逐步放能再合成ATP的,其特点是ATP生成总量很大,但速率很低,需要氧的参与,不产生乳酸类的副产品。据计算该系统的最大供能速率或输出功率为15J∙kg-1s-1。因此该系统是进行长时间耐力活动的物质基础。在评定人体有氧氧化系统供能的能力时,主要考虑氧的利用率,因此,最大吸氧量和无氧阈是评定有氧工作能力的主要生理指标。
    三个供能系统各有不同特点,主要可归纳如表8-1。

二、运动时能源物质动用的影响因素
运动时人体内的能量供应是一个连续过程(表8-2)[H1]。其特点是运动强度和运动时间必须与ATP的消耗和再合成之间的速率保持匹配,否则运动就不能持续进行。
(一)运动强度和持续时间的影响
   1、 极限强度运动与次极限强度运动  最大强度的运动必须启动能量输出功率最快的磷酸原系统。由于该系统供能可持续75秒左右,因此,首先动用CP使ATP再合成。当达到CP供能极限而运动还须持续下去时,必然启动能量输出功率次之的乳酸能系统,表现为运动强度略有下降,直至运动结束。

    2、递增负荷的力竭性运动  运动开始阶段,由于运动强度小,能耗速率低,有氧氧化系统能量输出能满足其需要,故启动有氧氧化系统(主要是糖的氧化分解)。随着运动负荷的逐渐增大,当有氧供能达到最大输出功率时,仍不能满足因负荷增大而对ATP的消耗时,必然导致ATP与ADP比值明显下降,此时必然动用输出功率更大的无氧供能系统。因磷酸原系统维持时间很短,所以此时主要是乳酸能系统供能,直至力竭。
    3、中低强度的长时间有氧耐力运动  该运动由于持续时间长,如马拉松,因此运动强度一定要适应最大有氧供能能力的范围。运动的前期以启动糖有氧氧化供能为主,后期随着糖的消耗程度增加而逐渐过渡到以脂肪氧化供能为主。由于脂肪氧化的耗氧量大、动员慢、能量输出功率小于糖有氧氧化供能等特点,故脂肪的动用只能在运动后期出现。但在后期的加速、冲刺阶段,仍动用糖来供能。
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