人体运动时的能量供应与消耗

人体运动时的能量供应与消耗人体三大供能系统•概述•任何的体育活动，都要透过肌肉收缩而得以完成，但肌肉收缩则要在能量供应充足的情况下，才能够正常运作，所以能源可说是各项体育活动的基本要素。体育锻炼可以改善人体内能量的储备，从而提高运动表现。•食物是肌肉活动所需能量的间接来源，在人体内经过一系列的化学反应后，食物被分解时所释放的能量，就会被用来制造一种名为三磷酸腺苷（adenosinetriphosphate，简称ATP）的高能量化合物，并储存于肌肉细胞之中，当ATP被分解的时候，就能够提供能量作肌肉活动之用了。骨骼肌收缩的直接能源物质——ATP•◎运动时骨骼肌ATP利用的部位和作用•肌球蛋白ATP酶消耗ATP,引起肌微丝相对滑动和肌肉收缩做功；•肌质网膜上钙泵（Ca-ATP酶）消耗ATP，转运Ca2+,调节肌肉松弛；•肌膜上钠泵（Na,K-ATP酶）消耗ATP，转运Na+/K+离子，调节膜电位。三磷酸腺苷ATP其实是由一个结构非常复杂的腺苷酸（adenosine）部分和三个相对地较为简单的磷酸盐（phosphate）小组所构成。当1摩尔（mole）ATP被分解的时候，就能够产生7至12千卡（kcal）的能量。•ATP(adenosine-triphosphate)又叫三磷酸腺苷，简称为ATP，其结构式是：A—P～P～P。它是一种含有高能磷酸键的有机化合物，它的大量化学能就储存在高能磷酸键中。•ATP是直接能源物质，是生命活动能量的直接来源。但本身在体内含量并不高。•ATP在肌肉内的储存量极为有限，人体全身的肌肉内只有120至180微摩尔（mM）的ATP，或1.2至1.8千卡的能量，仅足以维持三数秒的尽最大努力活动（all-outefforts）之用。所以，肌肉活动若要继续进行下去，就得重新合成ATP了。可是，重新合成ATP原来也是要用上能量的。•ATP在肌肉内的储存量极为有限，仅足以维持三数秒的尽最大努力活动（maximalefforts）之用；ATP在人体内是不断地被分解及重新合成，而重新合成ATP也是需要能量。人体内就有三大供能系统，可以供应能量作为重新合成ATP之用；当中两个是无氧系统，另外一个则是有氧系统。1-磷酸原系统•ATP和CP组成的供能系统。ATP以最大功率输出供能可维持约2秒；CP以最大功率输出供能可维持约3-5倍于ATP。剧烈运动时CP含量迅速下降，但ATP变化不大。其特点是能总量少,持续时间短,功率输出最快,不需要氧气,不产生乳酸等物质。因此也称为：高能磷酸化化物系统或ATP-CP供能系统、非乳酸能系统。短跑、跳跃、举重只能依靠此系统。2-乳酸供能系统乳酸供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。其最大供能速率或输出功率为29.3J·kg-1·s-1,供能持续时间为33s左右。由于最终产物是乳酸,故称乳酸能系统。产能过程类似酿酒发酵，故也称为：糖酵解供能系统或无氧酵解供能系统。3-有氧氧化供能系统•有氧氧化系统是指糖、脂肪和蛋白质在细胞内彻底氧化成水和二氧化碳的过程中,再合成ATP的能量系统。从理论上分析,体内贮存的有氧氧化燃料,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。其特点是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。据计算,该系统的最大供能速率或输出功率为15J·kg-1·s-1,该系统是进行长时间耐力活动的物质基础。人体运动时的供能系统，依其运动项目的特点暨运动强度和运动持续时间的不同可分为•1·ATP—CP（磷酸原）系统、•2·无氧糖酵解（乳酸）系统和•3·有氧氧化系统。一、安静及休息时的能量来源人体处于安静或休息的状态时，因为心肺系统能够供应充足的氧气给肌肉细胞使用，所以能量主要是由有氧系统提供，大约有三分之二的能量是来自脂肪的代谢，另外的三分之一则是来自碳水化合物，而蛋白质的贡献只是微乎其微。•原则上大部分的运动项目皆可被归纳为两个类别：（1）时间短而强度大的运动，和（2）时间长而强度较小的运动。当然，还有其他的一些项目是未能归入这两个类别之中。•二、时间短、强度大项目•任何只可以维持2-8秒的运动项目，如100米、200米、400米短跑及举重、50游泳等，均可被视为时间短而强度大的项目。碳水化合物是主要的燃料，脂肪次之，蛋白质再次是微乎其微。由于单靠有氧系统是无法迅速供应足够能量作这类活动之用，经常要求到机体在氧气短缺（oxygendeficit）的情况下提供能量作肌肉活动之用，所以无氧系统（包括ATP-CP系统及乳酸系统）是这类项目的主要供能系统。•对于时间极短而强度非常大的项目而言，ATP-CP系统是主要的供能系统。•对于要持续时间8秒钟以上才完成的项目，乳酸系统会逐渐取代ATP-CP系统而成为主要的供能系统。不过，在乳酸浓度不断提高的情况下（无氧糖酵解活动的结果），活动亦只得停止下来或改以较低的强度继续进行。•三、时间长、强度小项目•任何可以维持10分钟或以上的运动项目，都可以被归纳于这个类别之中。有氧系统是这类活动的主要供能系统，碳水化合物和脂肪都是主要的供能系统。20分钟以内的运动项目主要以碳水化合物作为燃料，当运动持续下去（如30分钟或以上），碳水化合物（糖元）的储备明显下降时，脂肪便会逐渐取而代之成为有氧系统的主要燃料。•时间再长的项目如马拉松长跑，运动员于比赛完结时血液内乳酸的浓度往往只是安静时的2至3倍。对于这类运动员来说，导致疲累的原因包括：（1）肝糖耗尽以致血糖浓度下降，（2）肌糖耗尽而出现局部的肌肉疲劳，（3）水分和电解质流失导致体温上升，及（4）心理上感到沉闷等•四、其他项目•除了「时间短、强度大」和「时间长、强度小」的项目外，还有一些运动项目是介乎于两者之间的，这类项目的特点，就是需要到有氧系统及无氧系统的同时或交替运作。就以1500米及3000米跑为例，在活动的加速及冲刺阶段，无氧系统是主要的供能系统。另一方面，在活动的中段或稳定状态阶段，能量则主要由有氧系统供给。其实，不单止是径赛项目如此，其他的运动项目如游泳、自行车，甚至是球类活动等，都有类似的情况出现。总结其实，供能系统的主导地位，主要是根据运动项目实际进行时的速度和时间而定。运动进行时的速度越高，强度通常也越大，能够维持的时间亦越短。因为机体没有足够的氧气补给，亦没有充足的时间过渡至稳定状态，所以能量只有靠无氧系统供给。速度越高，强度越大，ATP-CP系统在提供能量上越加重要。当活动的时间持续，CP接近耗尽的时候，乳酸系统便取而代之成为主导的供能系统。反过来说，耐力性项目或当活动的速度放缓，强度下降，机体得到充分的氧气补给，并进入稳定状态后，能量便可以单靠有氧系统来供应。不过当运动的速度或强度再度增加时，无氧系统又会重新投入工作，甚至再次成为主导的供能系统了。