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1、第五章 肌肉活动的能量供应本章教学目的与要求：了解安静时人体内能量代谢规律，掌握运动时能量的来源，三个供能系统特征，以与安静与运动时能量代谢的测定方法。教学重点：运动时能量的来源；人体三个供能系统特征；能量连续统一体的 理论与其应用难点：能量代谢的测定方法；能量连续统一体的理论与其应用。第一节：人体内能量的来源与去路第二节：人体运动时的能量供应 第三节：能量代谢的测定第一节：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ATP随上 ATP 士 * AOP+P】+ 能如下
2、：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
3、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。其途径都要通过三竣酸 循环，最终把糖和脂肪分解成为CO和HbOo其中CQ是在脱竣-COOH反应中产生的，它不伴有能量的明显变化；而HaO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
4、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35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 ? 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 A
5、TP 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
6、约占总体重的3545%,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、 细胞膜的主动转运与细胞分泌等渗透能； 神经兴奋 的传导、生物电能等等。人体内能量的来源与
7、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、产热土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
8、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。月JL肉中CP储量约为ATP的35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（ATP CP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2325mmol?g - 1湿肌重。其中 ATP含量名勺为 45 mmolTkg -1湿肌重，CP含量名勺为
9、1820 mmol ?g 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?kg1s 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
10、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5090mmol欠g1 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 1s1 ，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23molATP。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-
11、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， 超过了机体缓冲与耐受能力时，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 HaO和CO 的过程中，再合成 ATP的能量系 统
12、。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尔g -Is-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。表6 1诉动时大伟甘懦m的代谢能力度二静能量系统的s出功率靶才不就je量可合成而鲁信大功率达船工功率槌现拿时快也(t
13、tsioMtr1 D) (nfmolkt1 D) (nmd ATPkf1 r1) 居间(oinctO： ATP *)25kl 2小于1雪Q曜酯原系推IW代料CP7716少于诲9乳解能不蜿Iliff慎湖r祝J Z小于罂A布皿）就篡出划加糟厮卿HDOD而m1Th口削府就亨杭明昉49不受限制14班M0177注3吐微小口号干范干肌冏耄呈干裁2可合府式F? 是推人体1呵到巴：的悻书.试题员丁中心 F/Lai计具I.mxoKFkgi?,蜃千克矶球5秒动用毫摩尔型A uiftDlOMTP.ii ImmclATP 需最景时装摩片数常升心足钟二、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
14、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。CP -* C + T无氧供能TE乳酸能）|糖原一-乳酸+能 （乳酸能）（供肌肉q缩敝功）有氧供能I +5 -比。+。5+能脂肪B E-二肌肉活比仁礼堡?淖的关系示意巴2、递增负荷的力竭性运动运
15、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X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。二训练水平的影响训练水平对能源物质动用的影响，除技术因素外，主要表现在两个方面。 能量利用的节省化。与训练水平低者比较，
