運動時物質和能量代謝

1、第二篇,運動時物質代謝和能量代謝及其調節(jié),前言,物質代謝與能量代謝 生物體內所有的化學反應過程，統(tǒng)稱為物質代謝。 伴隨物質代謝過程中的能量吸收、儲存、釋放、轉移與利用的過程，稱為能量代謝。,前言,生物體的燃料與能源 糖、脂肪與蛋白質是細胞的三大化學燃料，ATP為通用的直接能源。,甘油三酯（脂肪）,多羥基醛、多羥基酮（糖）,多肽鏈（蛋白質）,前言,第四章,運動時物質代謝和能量代謝,第一節(jié) 能量

2、代謝,能量代謝的核心物質是ATP。一、高能化合物,一般將水解時釋放的標準自由能高于20．92KJ／mol(5千卡／摩爾)的化合物，稱為高能化合物。,高能化合物種類很多。重要的高能化合物有磷酸烯醇式丙酮酸（PEP)、1，3—二磷酸甘油酸（1，3-BPG）、磷酸肌酸（CP）、琥珀酰輔酶A、 ATP、ADP等。其中磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基轉移潛勢最高。,二、生物氧化（一）概念 營養(yǎng)物質在生物體內氧化成水和二氧化碳并釋放

3、能量的過程，稱為生物氧化。 所釋放能量的40%存儲到ATP（化學能）中， 60%以熱能形式散發(fā)。,CO2和H2O,,O2,能量,,ADP+Pi,ATP,熱能,（二）生物氧化的途徑 三大營養(yǎng)物質（糖原、脂肪、蛋白質）生物氧化的共同規(guī)律： 可總結為三個階段。,1.生物氧化中水的生成 電子傳遞鏈（呼吸鏈） 在線粒體內膜上，一系列遞氫、遞電子體按一定順序排列，構

4、成的一條連鎖反應體系。由于此反應體系與細胞攝取氧的呼吸過程有關，故又稱為呼吸鏈。,,Ⅲ,,,,Ⅰ,Ⅱ,Ⅴ,Cytc,Q,胞液側,基質側,線粒體內膜,Ⅳ,FADH2氧化呼吸鏈,NADH氧化呼吸鏈,2ATP,3ATP,維生素B2系FMN、FAD的前體，運動員缺乏時直接引起骨骼肌有氧代謝供氧能力，引起肌收縮無力，耐久力下降。 維生素PP系NAD+的前體，與運動員的有氧耐力和無氧耐力均有關，也是NADP+的前體，與運動后合成恢

5、復有關。,2.生物氧化中ATP的生成,(1)底物水平磷酸化（胞液） 直接由代謝物分子的高能磷酸鍵轉移給ADP生成ATP的方式，稱為底物水平磷酸化，簡稱底物磷酸化。 （1，3—二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、琥珀酰輔酶A）,3-磷酸甘油酸,1,3-二磷酸 甘油酸,(2)氧化磷酸化（線粒體） 代謝物脫下的氫，經呼吸鏈傳遞過程逐級氧化，最后生成水，同時伴有能量的釋放，使ADP磷酸化生成ATP的過程，稱為氧化磷

6、酸化。,Ⅳ,Ⅲ,,,,Ⅰ,Ⅱ,Ⅴ,Q,胞液側,基質側,線粒體內膜,FADH2氧化呼吸鏈,NADH氧化呼吸鏈,2ATP,3ATP,P/O比值 氧化磷酸化形成ATP時，每消耗1摩爾氧原子時所消耗的無機磷（原子）的摩爾數(shù)。 在線粒體中，NADH+H+的P/O比值為3、FADH2的P/O比值為2。 故線粒體內的NADH+H+經氧化生成3分子ATP 、FADH2的經氧化生成2分子ATP。而線粒體外的NADH+

7、H+上的氫進入線粒體內有二種方式： NADH+H+ NADH+H+ NADH+H+ FADH2,,,,3.生物氧化中CO2的生成 有機酸脫羧（-COOH)生成。示例:,提要：,運動時，ATP是肌肉收縮的直接供能物質。并且，ATP是能量代謝的核心物質。生物氧化是三大營養(yǎng)物質在體內徹底氧化為水與二氧化碳并釋放能量的過程。能量釋放是逐步

8、的、受到精密調控的。生物氧化可分為三個階段，乙酰CoA是三大營養(yǎng)物質氧化的共有中間產物。三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化是三大營養(yǎng)物質徹底氧化時共有的途徑，也是能量釋放最多的階段。ATP的生成方式有二種，即底物水平磷酸化與氧化磷酸化。以后者為主要方式。電子傳遞鏈位于線粒體內膜，由多種酶與輔酶組成，是氧化磷酸化的機構。有NADH氧化呼吸鏈與琥珀酸氧化呼吸鏈二條。在線粒體內，2H經二條呼吸鏈分別生成3ATP與2ATP。,第二節(jié),三磷酸腺苷——A

9、TP,ATP是人體內各種生命活動中最重要的直接供能物質。 ATP是生物體內能量貯存、利用和轉化的中心。人體內ATP含量不多，但每日經ATP/ADP相互轉變的量相當可觀。,ATP是肌肉收縮的直接能源物質。一、ATP的分子組成與生物學功能（一）ATP的分子組成與結構,（二）ATP的生物學功能1.生命活動的直接能源 ATP-ADP循環(huán)是人體內能量轉換的基本方式，維系著能量的釋放、貯存與利用。,2.合成磷酸肌酸,

10、3.參與構成一些重要輔酶 ATP是一些重要輔酶，如NADP、NAD+、FAD、CoA的結構成分，參與細胞內糖、脂、蛋白質與核酸等的代謝反應。4.提供物質代謝時需要的能量 ATP作為磷酸的供體，參與糖、脂肪等分解代謝起始階段耗能的磷酸化（活化）反應。,二、運動時ATP的利用與再合成,（一）運動時肌肉ATP的利用途徑 一般由ATP酶催化ATP末端的高能磷酸鍵水解釋放能量，生理條件

11、下51.6KJ/Mol。 ATP+H20--?ADP+Pi+30.6KJ/Mol 特殊情況下，ADP末端的高能磷酸鍵也可水解釋放能量。 ADP+H20--?AMP+Pi+30.6KJ/Mol,運動時，肌肉ATP利用的部位與作用,（1）肌球蛋白（即肌凝蛋白）ATP酶消耗ATP，引起肌絲相對滑動和肌肉收縮做功；（2）肌質網膜上鈣泵(Ca-ATP酶)消耗AT

12、P，轉運 Ca2+，調節(jié)肌肉松弛；（3）肌膜上鈉泵(Na，K-ATP酶)消耗ATP，轉運 Na+／K+離子，調節(jié)膜電位。據報道，僅肌質網轉運Ca2+所消耗的能量就占肌肉收縮時總耗能的三分之一。,肌絲滑行原理,（二）ATP再合成途徑,肌細胞中ATP含量十分有限（ATP為每千克濕肌4．7~7．8毫摩爾），但消耗量相對較大（例如，一個靜臥狀態(tài)的人，24小時內消耗ATP約40千克。在劇烈活動時，ATP利用速率可高達每分鐘0．5千克） 。這一

13、“供需”矛盾通過ATP-ADP循環(huán)來解決。,運動肌能量供應系統(tǒng),(1)高能磷酸鹽如磷酸肌酸分解（磷酸原供能系統(tǒng)）(2)糖無氧分解（糖酵解供能系統(tǒng)）(3)糖、脂肪、蛋白質有氧氧化（有氧代謝供能系統(tǒng)）,第三節(jié),運動時骨骼肌供能系統(tǒng),(1) 磷酸原供能系統(tǒng)(2) 糖酵解供能系統(tǒng)(3) 有氧代謝供能系統(tǒng),,,無氧代謝供能系統(tǒng),有氧代謝供能系統(tǒng),一、磷酸原供能系統(tǒng),由磷酸原（ATP、CP）分解反應組成的供能系統(tǒng)稱為磷酸原供能系統(tǒng)。（

14、一）磷酸肌酸的分子結構與功能1.磷酸肌酸的分子結構,2．磷酸肌酸的功能,(1)高能磷酸基團的儲存庫人體肌酸總量大約為120克，95%存在于肌肉。,2．磷酸肌酸的功能,(2)組成肌酸-磷酸肌酸能量穿梭系統(tǒng),(二)運動時磷酸原供能,1.磷酸原系統(tǒng)供能過程 ATP是肌肉收縮時將化學能轉變?yōu)闄C械能的唯一直接能源。,2．磷酸原系統(tǒng)供能特點,啟動：“最早起動、最快利用”和最大功率輸出的特點。輸出功率：最大輸出功率可達每千克

15、干肌每秒1．6—3．0毫摩爾~P。可維持最大供能強度運動時間：約6—8秒鐘。（磷酸原儲量有限，ATP為每千克濕肌4.7-7.8mmol，CP為每千克濕肌20-30mmol。）運動項目：與速度、爆發(fā)力關系密切之項目，如短跑、投擲、跳躍、舉重及柔道。 （在短時間最大強度或最大用力運動中起主要供能作用。）供能方式：無需氧參與，直接水解ATP中高能磷酸鍵，或由CP傳至ATP后直接水解。胞液進行。,3.不同強度運動時磷酸原儲量的變化,（

16、1）極量運動至力竭時，CP儲量接近耗盡，達安靜值的3％以下，而ATP儲量不會低于安靜值的60％。這時，CP分解是ATP合成的基本途徑。（2）當以75％最大攝氧量強度持續(xù)運動時達到疲勞時，CP儲量可降到安靜值的20％左右，ATP儲量則略低于安靜值。這時，ATP合成由CP分解提供外，主要由糖酵解和糖的有氧氧化提供。（3）當以低于60％最大攝氧量強度運動時，CP儲量幾乎不下降。這時，ATP合成途徑主要靠糖、脂肪的有氧代謝提供。,最大攝氧量

17、（VO2max）,指身體發(fā)揮最大功能水平，每分鐘攝入并供組織細胞消耗的氧氣量，一般人的最大攝氧量為2-3L/分鐘，經常參加體育運動的人可達4-5L/分鐘，在進行有氧耐力訓練時，可以之為指標確定運動強度。通過運動負荷實驗，此數(shù)據可以較易測得。,相關知識,一般說來，最大攝氧量的50%約等于最大心率的55-60%，最大攝氧量的60%約等于最大心率的65-70%，最大攝氧量的70%約等于最大心率的75-80%，最大攝氧量的80%約等于最大心率的

18、85-90%。最大心率可用220-年齡估算。,4．運動訓練對磷酸原系統(tǒng)的影響,(1)運動訓練可以明顯提高ATP酶的活性；(2)速度訓練可以提高肌酸激酶的活性，從而提高ATP的轉換速率和肌肉最大功率輸出，有利于運動員提高速度素質和恢復期CP的重新合成；(3)運動訓練使骨骼肌CP儲量明顯增多，從而提高磷酸原供能時間；(4)運動訓練對骨骼肌內ATP儲量影響不明顯。,二、糖酵解供能系統(tǒng),糖酵解

19、糖原或葡萄糖無氧分解生成乳酸，并合成ATP的過程為糖的無氧代謝，又稱為糖酵解。,（一）糖酵解供能的基本過程,亞細胞定位：細胞漿底物：葡萄糖、（?。┨窃K產物：乳酸基本反應過程：共12步反應，如圖。 1.ATP的凈生成數(shù)量 1葡萄糖：生成4-消耗2=2 1肌糖原的葡萄糖單位：3分子 2.限速酶：己糖激酶，磷酸果糖激酶-1，丙酮酸激酶，磷酸化酶。,（二

20、）運動時糖酵解供能,啟動：以最大強度運動6-8秒時，即可激活，全力運動30-60秒時達最大速率。輸出功率：最大可達每千克干肌每秒1毫摩爾~P?？删S持最大功率的時間：2分鐘以內（肌糖原儲量為每千克干肌350mmol葡萄糖單位。）,運動項目：速度、速度耐力項目，如200—1500米跑、100—200米游泳、短距離速滑等項目；非周期性高體能項目，如摔跤、柔道、拳擊、武術等。供能方式：無需氧的參與，G或Gn經多步反應生成ATP，再由AT

21、P水解供能。胞液進行。,三、有氧代謝供能系統(tǒng),有氧代謝 在氧的參與下，糖、脂肪與蛋白質氧化生成二氧化碳與水的過程。 （一）糖有氧氧化供能 （二）脂肪氧代供能 （三）蛋白質氧化供能,（一）糖的有氧氧化供能,在氧存在的條件下，糖原、葡萄糖和乳酸有氧氧化，終產物是二氧化碳與水。1.基本過程(1)細胞質內反應階段： 糖酵解途徑（G?丙酮酸）。

22、 （丙酮酸和3-磷酸甘油醛脫氫生成的NADH+H+，可經不同方式進入線粒體繼續(xù)氧化。）(2)線粒體內反應階段： 丙酮酸脫氫脫羧（丙酮酸?乙酰輔酶A、 CO2 、H） 三羧酸循環(huán)（乙酰輔酶A?CO2、H） 氧化磷酸化（H、ADP+Pi、O2?H2O、ATP）,三羧酸循環(huán),又稱檸檬酸循環(huán)、Kreb’ cycle。輸入：乙酰CoA。輸出：NADH+H+、FADH2、GTP、CO2三羧酸循環(huán)的“一二三四”

23、 1個底物水平磷酸化反應 （1分子GTP生成，最終相當于1分子ATP生成） 2個脫羧反應 （2分子CO2生成） 3個不可逆反應 （3組限速酶） 4個脫氫反應 （3分子NADH+H+、1分子FADH2生成，最終相當于3X3+2=11分子ATP生成）,2.糖有氧氧化中ATP的生成量,細胞質中NADH+H+進入線粒體氧化,肌肉組織和神經細胞： 磷酸甘油穿梭 ，ATP生成量為2。

24、肝臟和心肌組織： 蘋果酸穿梭，ATP生成量為3。,（二）脂肪酸氧化供能,1.脂肪分解 脂肪酶甘油三酯? ? ?甘油+3脂肪酸2.甘油分解甘油直接為肌肉供能的意義不大。,（二）脂肪酸氧化供能,3.脂肪酸分解脂肪酸是長時間運動的基本燃料。（1）脂肪酸活化：在線粒體外膜、消耗ATP，脂肪酸與CoA結合，生成脂酰CoA。（2）脂肪酰CoA進入線粒體：脂酰CoA借助內膜上的肉堿轉運機制被轉運至

25、線粒體內。,（3）脂肪酰CoA的β-氧化（脂肪酰CoA ?乙酰CoA ） ：,4、脂肪分解產生的ATP數(shù)量,計算公式：[(Cn/2-1)X5ATP+Cn/2X12ATP]-1ATP示例：十四酸(豆蔻酸)、十六酸(軟脂酸)、十八酸(硬脂酸) β—氧化后，ATP凈生成數(shù)分別為113、130、147ATP。,(三)蛋白質氧化供能,1. 轉氨基作用 在轉氨酶作用下，某一氨基酸與α-酮戊二酸進行氨基轉移反應，生成相應

26、的α-酮酸和谷氨酸。重要的轉氨酶：Ⅰ、GPT（谷-丙轉氨酶）肝細胞內活性最高的轉氨酶Ⅱ、GOT（谷-草轉氨酶）心肌細胞內活性最高的轉氨酶,2.谷氨酸氧化脫氨基,谷氨酸脫氫酶 谷氨酸+水+NAD+--?α酮戊二酸+氨+NADH+H+3.聯(lián)合脫氨基,,,,肝、腎進行,4.嘌呤核苷酸循環(huán)的脫氨基方式,心肌、骨骼肌進行,氨清除的鳥氨酸循環(huán)（肝臟進行）,(四)三大細胞燃料代謝的相互關系,末端氧化的共同通路是三羧酸循環(huán)

27、。,1.分解代謝中的關系,2、相互轉換的關系,（1）糖極易轉換為脂；（2）脂肪分子中則僅甘油部分可經糖異生作用轉換為糖；（3）糖代謝過程中的酮酸可提供碳鏈經氨基化合成非必需氨基酸； 生糖氨基酸、生糖兼生酮氨基酸脫氨基作用后生成相應的α-酮酸，再進一步轉變?yōu)樘?；?酮酸可經乙酰輔酶A合成脂肪酸。（4）機體幾乎不利用脂肪合成蛋白質。,（五）運動時有氧代謝供能,啟動：安靜時即在運轉，只是運轉速率等待充分調動。維持運動

28、時間： 肌糖原儲量以有氧方式氧化，可供大強度運動1-2小時能量之需。 脂肪儲量理論上可供運動的時間不限，其供能隨運動強度增加而降低、隨運動時間延長而增高。為靜息狀態(tài)與低中強度運動時能量代謝的主要基質。 蛋白質的主要功能是承擔生命活動，故雖能在長于30分鐘的激烈運動中供能，但最多不超過總耗能的18%。輸出功率：糖有氧氧化最大輸出功率為糖酵解的一半，脂肪氧化最大輸出功率為糖有氧氧化的一半。運動項目：數(shù)

29、分鐘以上耐力性項目的基本供能系統(tǒng)。,提要：,ATP是生命活動的直接能源，是肌肉CP的合成原料之一，是NAD、NADP、FAD、CoA的組成成分，是代謝活化的必要參與者。在肌細胞中，肌動蛋白、鈣泵、鈉-鉀泵均具有ATP酶活性，是肌肉ATP的利用部位。ATP-ADP循環(huán)是體內能量轉換的基本方式，是機體解決ATP利用量與貯存量巨大矛盾的需要。骨骼肌有三個供能系統(tǒng)：磷酸原供能系統(tǒng)（磷酸原為“燃料”）、糖（糖原）酵解供能系統(tǒng)（糖與糖原為“燃

30、料”） 、有氧氧化供能系統(tǒng)（糖與糖原、脂肪、蛋白質為“燃料”）。根據各“燃料”的貯備量可以判斷三個供能系統(tǒng)能夠全力運轉的時間，根據各供能系統(tǒng)釋能的快慢可以判斷三個供能系統(tǒng)的啟動速度與輸出功率，根據各供能系統(tǒng)所需的運轉條件可以判斷三個供能系統(tǒng)的地位。CP是肌肉內高能磷酸鍵的貯存庫，C-CP能量穿梭系統(tǒng)使ATP水解與ATP再合成緊密耦聯(lián)。,提要：,力量性運動（爆發(fā)力）：磷酸原供能系統(tǒng)。如投擲。速度性運動：磷酸原供能系統(tǒng)（10秒內主導）

31、，糖酵解供能系統(tǒng)（10秒外主導）。如100米。1500米的加速與沖刺。速度耐力性運動：糖酵解供能系統(tǒng)、有氧氧化供能系統(tǒng)。如400米。耐力性運動：有氧氧化供能系統(tǒng)（高水平）。如馬拉松。 時間越長、強度越小，脂肪供能比例越高。運動后恢復：有氧氧化供能系統(tǒng)（較高水平）。安靜：有氧氧化供能系統(tǒng)（一般水平）。,第四節(jié) 運動時能量的釋放和利用,一、運動時供能系統(tǒng)的動用特點(一)人體骨骼肌細胞的能量儲備（70kg體重）,(二)供能

32、系統(tǒng)的輸出功率,運動時代謝供能的輸出功率取決于能源物質合成ATP的最大速率。,(三)供能系統(tǒng)的相互關系,1．肌肉可以利用所有能量物質，只是時間、順序和相對比率隨運動狀況而異，不是同步利用。2．最大功率輸出的順序，由大到小依次為：磷酸原系統(tǒng)>糖酵解系統(tǒng)>糖有氧氧化>脂肪酸有氧氧化，且分別以近50％的速率依次遞減。3．當以最大輸出功率運動時，各系統(tǒng)能維持的運動時間是：磷酸原系統(tǒng)供極量強度運動6—8秒；糖酵解系統(tǒng)供最大強

33、度運動30—90秒，可維持2分鐘以內；3分鐘以上主要依賴有氧代謝途徑。運動時間愈長、強度愈小，脂肪氧化供能的比例愈大。4．由于運動后ATP、CP的恢復及乳酸的清除，須依靠有氧代謝系統(tǒng)才能完成，因此有氧代謝供能是運動后機能恢復的基本代謝方式。,二、不同活動狀態(tài)下供能系統(tǒng)的相互關系,運動開始時，ATP、CP被動用，然后糖酵解供能，最后，糖原、脂肪酸與蛋白質也參與供能。運動結束后的一段時間骨骼肌內的有氧代謝速率仍高于安靜時水平。