第2章 能量代谢

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引自：Brooks GA, Fahey TD, White TG. Exercise
physiology: human bioenergetics and its applications.4th edition, New York: McGraw-Hill, 2004。
（假设体重70kg的男性约含30kg骨骼肌质量）
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细胞、组织乃至器官、系统在能量转
换过程中维持其ATP恒定含量的现象。
*ATP稳态
概念 相关因素
ATP的生成具有充足的合成底物 水解产物是ATP再合成的效应剂 ATP再合成途径很多
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二、ATP的生成过程
单位时间内的基 础代谢，称为基 础代谢率，通常 以每小时每平方 米体表面积的产 热量（kJ/m2﹒h） 来表示。
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测定基础代谢率的条件
清晨空腹，餐后12小时以上，前次进餐为素食，且不 宜过饱，以排除食物特殊动力作用的影响；
室温保持在20-25℃，排除环境温度的影响；
图2-3 Benedict通过自行车功量计收集受试者呼出气示意图
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收集分析受试 者呼出气中的 CO2和O2组成
已知大气的O2、 CO2百分含量
推算出能 量代谢率
大体折算出单位 时间内CO2生成 量和耗氧量
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不同持续时间最大运动时有氧和无氧系统供能比例
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不同时间最大运动过程中各能量供wk.baidu.com系统的代谢动力学变化
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能量代谢对慢性运动的适应
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急性运动时的无氧代谢
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急性运动时的有氧代谢
摄氧动力学曲线
摄氧量
运动强度<无氧阈强度 呈平台分布
维持于某一水平
运动强度>无氧阈强度
持续几分钟的慢成分
最大摄氧量平台 出现
极量强度运动
不出现平台
达到或不能达到 最大摄氧量
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概念
糖酵解系统
供能的特点：供能总量较磷酸原 系统多，输出功率次之，不需要 氧，产生可导致运动疲劳的物质 乳酸。
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磷酸原供能系统提 供的能量消耗殆尽
机体缺氧或氧 利用障碍
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热价或卡价
物理热价 生物热价
食物在体外燃烧 时释放的热量
食物在体内完全 氧化时所产生的 热量
蛋白质：生物热价<物理热价 (蛋白质在体内不能完全氧化分解，一部分以尿素的形式排出体外)
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三种营养物质氧化时的能量代谢相关指标
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大强度运动时的摄氧动力学曲线
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急性运动中能量代谢的整合
➢ 大强度运动中各能量代谢系统对能量供应的参 与并非顺序出现，而是相互整合、协调，共同 满足体力活动的基本器官肌肉对能量的需求。
➢ 一般来讲，依运动模式、运动持续时间和强度 不同，三种供能系统都参与能量供应，只不过 各自在总体能量供应中所占的比例不同。
提高机体的运动节 省化程度
慢性 运动
急性运动对神经、激素的调节更 加敏感；促进疲劳的消除。
骨骼肌能量代谢系统改善、 运动单位募集类型改变、同 等强度运动中通气量和心率 降低以及运动技能提高
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不同运动速度两名世界优秀10km跑运动员的摄氧量变化 （其中运动员A的运动节省化水平高于B）
重点术语
能量代谢、ATP稳态、磷酸原 系统、糖酵解系统、有氧氧化 系统、热价、氧热价、呼吸商、 基础代谢率
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第一节 人体能量的供给
一、 ATP与ATP稳态 二、 ATP的生成过程 三、 不同途径合成ATP的总量及效率
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三、
基础代谢
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热能 （维持体温）
机械能
电能
（神经传导、生物电）
自由能
渗透能
（肌肉收缩）
（吸收、分泌） 化学能
（合成代谢）
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一、能量代谢测定原理与方法
原理：营养物质氧化所释放的能量=热能+机械功
静息状态：释放的能量=转化成的热能 （机体的能量代谢=单位时间内产生的热量） 运动或劳动：释放的能量=热能+机械功
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图2-2 葡萄糖有氧氧化概述
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对于能量代谢而言，三羧酸循 环本身并非ATP合成的主要地 点，其主要作用在于为氧化磷 酸化提供还原当量。
1分子糖
38或36分子ATP
ATP是绝大多数生理活动的 直接能源，但其贮备量有限。
如何才能不断地供给肌肉活动的需要
ATP边分解、边合成
能量来自三条途径
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概念
磷酸原系统
肌肉收缩---ATP、CP分解放能-c-p-k高能化学键瞬时转移给ADP----短 时、少量ATP
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二、影响能量代谢的因素
肌肉活动 环境温度 食物的特殊动力效应 精神和情绪活动 其他因素
最为显著（正比关系） 安静时的能量代谢在20-30℃的环 境中最为稳定 混合食物可使产热量增加10%左右
紧张状态下，能量代谢率可显著增加。
种族、年龄、性别、身体成分等
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第三节 人体能量代谢的测定
一、 能量代谢对急性运动的反应
二、 能量代谢对慢性运动的适应
三、 与运动相关的能量代谢检测与评价
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一、能量代谢对急性运动的反应
剧烈 运动
有氧系统的过程 尚未启动
尽管糖酵解生成的ATP量相对较少，但是它对运动过 程中保持ATP稳态具有非常重要的意义。
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糖酵解 系统
磷酸原 系统
无氧供 能系统
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有氧氧化系统
概念
ATP生成总量很大,但速率很慢, 需要氧的参与,不产生乳酸类的 副产品,该系统是进行长时间耐 力活动的物质基础。
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目前常用方法
特定运动阻力下要求受试者进行最大运动， ATP-CP供能系统 通过单位时间内完成的总功与血乳酸增值
的比值
糖酵解供能系统 Wingate实验
在进行递增负荷运动测定其达到的摄氧量 有氧功能系统
稳态。
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推荐文献
1. Powers SK, Howley ET. Exercise physiology: Theory and application to fitness and performance. 4th ed, McGraw-Hill, New York, 2000
（糖酵解ATP生成量的18～19倍。）
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三、不同途径合成ATP的总量及效率
表2-2 ATP再合成的各种代谢途径效率的比较
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运动时间与最大输出功率及能源系统
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一、ATP与ATP稳态
*ATP是能量代谢的重要媒介
ATP既是能量的受体又 是能量的供体。
机体中所贮存的ATP 是及其有限的
化学能 新的ATP （不能被机体直接利用）
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*ATP的分解释能
1molATP
7～12kcal
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定
方
法
Step 2. 三种营养物质
各氧化了多少
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① 食物的热价 :1ｇ食物在氧化（或在体外燃烧）时 所释放出来的热量。
② 食物的氧热价：某种食物氧化时,每消耗1L氧所 产生的热量。
③ 呼吸商(Respiratory quotient, RQ)：指一定时间内 机体的CO2产生量与耗O2量的比值。
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测试方法
直接法
不适应测定人体
更不适应于测定人体 在运动时的能量代谢。
间接法
机体的耗氧量和CO2 的排出量与释放的热 量之间呈一定的比例 关系（即定比定律）。
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Step 1. 每种营养物质氧化
测 分解时产生的能量有多少
第二章 能量代谢
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本章内容
第一节 人体能量的供给 第二节 人体能量代谢的测定 第三节 运动状态下的能量代谢
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本章提要
本章主要对生命活动的能量来 源和去路、基本能量代谢途径、 运动状态下的能量代谢特点等 进行介绍。
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三、与运动相关的能量代谢检测与评价
精确的方法 ATP-CP供能系统 运动前后ATP、CP含量的变化 糖酵解供能系统 运动前后丙酮酸或乳酸含量的变化 有氧功能系统 运动前后线粒体ATP合成速率及量的变化
显然这些方法的应用性受到限制。
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误区提示：认为有氧代谢系统对运动能量 需求的反应相对较慢，因而在短时大强度 运动时并不扮演重要角色。
新近的研究证实，即使持续6s的极量强 度运动，有氧氧化系统也都参与供能。 有氧代谢在运动开始已参与能量供应。
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二、能量代谢对慢性运动的适应
上调其主要能量代谢 供能系统的酶活性
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基础代谢率的简易测定
产热量 = 20.20 耗氧量。 中国人的体表面积（m2）可应用下列公式推算：
0.0061 × 身高（cm）＋ 0.0128 × 体重（kg）－0.1529 BMR=产热量/体表面积
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体 表 面 积 测 算 图
将受试者的身高和体重两点连成的直线与体表面 积尺度交点的数字，即为受试者的体表面积。
（ 几 种 活 动 的 能 耗 量 比 较 ）
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三、基础代谢
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基础代谢与基础代谢率
基础代谢是指人 体在清晨极端安 静状态下，不受 精神紧张、肌肉 活动、食物和环 境温度等因素影 响时的能量代谢。
概念明晰
测定前避免剧烈活动，休息30分钟左右。测定时平 卧，全身肌肉放松，尽量排除肌肉活动的影响；
要求受试者排除精神紧张的影响；
受试者体温正常。
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中国人正常的基础代谢率平均值（kJ/m2·h）
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由此可知
混合膳食分解氧化，呼吸商常变动 于0.71～1.00之间，具体值取决于 机体内三种营养物质氧化分解的比 例。
一般情况下，混合膳食的呼吸商 约在0.85左右。
实际情况并非完 全如此简单
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实验过程
磷酸原系统ATP供应总量最低， 但能提供最大的ATP合成效率；
有氧氧化系统虽然提供的ATP总 量最多，但ATP合成效率最低；
糖酵解系统的能量供应总量和供 能效率则介于前二者之间.
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第二节 人体能量代谢的测定
一、 能量代谢测定原理与方法
二、 影响能量代谢的因素
2. 许豪文.运动生物化学概论.北京:高等教育出版社,2001 3. Schneider, E. D. and Sagan, D., Into the Cool: Energy Flow,