肌肉活动的能量供应

第五章肌肉活动的能量供应

本章教学目的和要求：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，以及安静和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及其使用

难点：能量代谢的测定方法；能量连续统一体的理论及其使用。

第一节：人体内能量的来源和去路

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：人体内能量的来源和去路

（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的分解和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和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和供能。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和供能。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，最终和氧化合生成水，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和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（转移和利用）

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；消化和吸收、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。

人体内能量的来源和去路，即能量的摄入和支出，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。当能量摄入和支出相平衡时，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(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