运动生理学课件《第一章：肌肉活动的能量供应》.ppt

肌肉活动的能量供应 第一章 体育系理论教研室 人体的生命活动是一个消耗能量的过程 而肌肉活动又是消耗能量最多的一种活动形式 运动时 人体不能直接利用太阳能 电能等各种物理形式的能量 只能直接利用储存在ATP分子中蕴藏的化学能 第一节肌肉活动的能量来源 能量的直接来源能量的间接来源 能量的直接来源 ATP ATP 是一种存在于细胞内 由自身合成并可迅速分解被直接利用的一种自由存在的化学能形式 ATP的组成 一个大分子的腺苷和三个磷酸根在ATP分子结构中的三个磷酸根之间的结合键中蕴藏着大量的化学能 生物体一切生命活动的能量都直接来源于ATP 一 ATP的分解 放能 ATP酶ATPADP Pi 能肌肉收缩就是利用肌细胞内ATP分解释放出的能量供肌肉收缩克服阻力来做功 以实现化学能向机械能的转化 二 ATP的再合成 吸能 ATP在细胞内的含量一是有限 二是稳定 呈动态平衡之势 ATP必须是边分解 边合成 以保证生命活动的延续性 如果以最大功率输出仅能维持2秒左右 即 ADP Pi 能ATPATP在细胞内的再合成实际上是ADP与Pi再连接 是一个磷酸化的吸能过程 被吸收的能量只能利用食物中的糖 脂肪 蛋白质 在细胞内的中间代谢过程中从无氧或有氧的分解方式中获得 参与无氧分解的只有糖 在胞浆中进行 而有氧分解主要是在线粒体内进行的 其主要功能是把三大营养物质氧化分解脱下的氢 H 传递给氧 O2 而化合成水 H2O 并生成ATP 此过程是逐步氧化 逐步释放能量的过程 使ADP磷酸化成ATP的 故又称氧化磷酸化 三 ATP分解与在合成的关系 ATP的分解与再合成在活细胞内是永不停止地进行着 其速率的快慢随代谢的需要而变化 运动中 当ATP再合成速率下降时 表明能量供应受阻 意味着疲劳开始出现 生物体内的能量代谢 能量的释放 转移和利用等过程是以ATP为中心进行的 能量的间接来源糖 脂肪 蛋白质 一 食物的消化和吸收1 消化 1 消化的概念 食物在消化道内被分解为小分子的过程 2 消化的方式 消化的方式有两种 一种是通过消化道肌肉的舒缩活动 将食物磨碎 并使之与消化液充分混合 并将食物不断地向消化道远端推送 此种方式称机械性消化或物理性消化 另一种消化方式是通过消化腺分泌的消化液来完成 消化液中所含的各种消化酶能分别将糖类 脂肪及蛋白质等物质分解成小分子颗粒 此种消化方式称化学性消化 在正常生理情况下 这两种消化方式同时进行 互相配合 3 消化过程 2 吸收 1 吸收的概念 经过消化的食物 通过小肠上皮细胞 进入血液和淋巴液的过程 2 吸收的部位 口 部分药物 如亚硝酸甘油 吗啡 胃 酒精和少量水分 大肠 水分和无机盐 也吸收葡萄糖和一些药物 小肠 能力最强 种类最多 是主要吸收的部位 面积保证 长5 6米 皱褶 绒毛 微绒毛 200m2 设备保证 酶多 转运工具 运输途径 时间保证 停留时间长 约3 8h 动力保证 绒毛伸缩具有唧筒样作用 小肠吸收的特点 有利条件 二 糖代谢 糖是机体最主要 来源最经济 供能又快速的能源物质 1 糖在体内的存在方式 一种是以糖原的形式存在于组织细胞浆内 主要有肝细胞中的肝糖原和肌细胞中的肌糖元 另一种是以葡萄糖的形式存在于血液中 称血糖 人体的糖以血糖 肝糖原和肌糖原的形式存在 并以血糖为中心 使之处于一种动态平衡 葡萄糖是人体内糖类的运输形式 而糖原是糖类的贮存形式 2 糖的分解供能 血糖 氧化分解 肌糖原 肝糖原 食物 单糖 进入消化道 使双糖和单糖分解为 1 食物中的糖 多糖或双糖 消化道 单糖 单糖被吸收进人血液 一部分合成肝糖原 一部分随血液运输到肌肉合成肌糖原贮存起来 一部分被组织氧化利用 另一部分维持血液中葡萄糖的浓度 2 糖和糖原 糖原人体各种组织中大多含有糖原 但其含量的差异很大 例如 脑组织 甚少 而肝脏和肌肉中以糖原方式贮存的糖类约有350 400克 运动员糖原储量可达400 550克 肝糖原含量约为5 肌糖原约为1 2 运动员肌肉发达 可达体重的40 丰富的肝糖原和肌糖原贮备 是维持人体工作能力的重要条件之一 肌糖原既是高强度无氧运动时机体的重要能源 又是大强度有氧运动时的主要能源 2 糖和糖原 血糖血液中的葡萄糖又称血糖 正常人空腹浓度为80 120mg 血糖是包括大脑在内的中枢神经系统的主要能源 运动员安静状态下的血糖浓度与常人无异 血糖浓度是人体糖的分解及合成代谢保持动态平衡的标志 饥饿及长时间运动时 血糖水平下降 运动员会出现工作能力下降及疲劳的征象 肝糖原可以迅速分解入血以补充血糖 维持血糖的动态平衡 3 糖是肌肉活动时最重要的能源物质 糖作为能源物质优于脂肪和蛋白质糖的主要特点是 在满足不同强度运动时 既可以有氧分解供能也可以无氧分解供能 在参与供能时动员快 消耗的氧量少 能量产生的效率高 4 糖的无氧分解 糖 糖原或葡萄糖 不需耗氧而分解成乳酸在人体缺氧或供氧不足的情况下丙酮酸2分子乳酸 能量 因与酵母菌生醇发酵的过程基本相似 故称为糖酵解 糖无氧酵解时 1分子的糖原或葡萄糖可产生3 2分子ATP 仅仅为有氧氧化的5 能量利用率低 但产能速率很高 反应速度快 其意义是满足剧烈运动时快速供能的短时间需要 乳酸的清除 一部分在供氧充分时继续氧化分解 通常发生在心脏 静息的骨骼肌或恢复时的骨骼肌 另一部分扩散入血 在肝脏重新转变成糖原或葡萄糖 循环利用 该过程需要氧和能量的供给 5 糖的有氧分解 是糖分解供能的主要方式 糖原或葡萄糖在耗氧条件下彻底氧化 产生二氧化碳和水的过程 称为有氧氧化 分为三个阶段 第一阶段 由糖原或葡萄糖分解为丙酮酸 该过程与糖酵解相同 糖的有氧氧化产生能量较多 每分子葡萄糖完全氧化时 产生38分子ATP 是糖酵解产能的19倍 糖的有氧氧化是机体正常生理条件下及长时间运动中供能的主要方式 乙酰辅酶A不仅是糖氧化分解的产物 同样也可来自脂肪和蛋白质的分解代谢 因此 三羧酸循环实际上是糖 脂肪和蛋白质三大营养物质在体内氧化分解的共同途径 第二阶段 由丙酮酸氧化生成乙酰辅酶A 第三阶段 乙酰辅酶A经三羧酸循环 氧生成二氧化碳 水 能量 3 糖的储备与运动能力 研究表明 运动疲劳和过度训练的原因之一是体内肌糖元能量的耗竭 所以在大于1小时的运动中应适量补糖 1 补糖时间与补糖量目前一般认为 运动前3 4小时或运动前5分钟内或运动开始时补糖效果较理想 一方面 糖从胃排空小肠吸收血液转运刺激胰岛素分泌释放 需要一定的时间 另一方面 可引起某些激素如肾上腺素的迅速释放 从而抑制胰岛素的释放 使血糖水平升高 同时还可以减少运动时肌糖原的消耗 应当注意的是 在比赛前一小时左右不要补糖 以免因胰岛素效应反而使血糖降低 进行一次性长时间耐力运动时 以补充高糖类食物作为促力手段 需在运动前3天或更早些时间临时食用 运动前或赛前补糖可采用稍高浓度的溶液 35 40 服用量40 50克糖 运动中或赛中补糖应采用浓度较低的糖溶液 5 10 有规律地间歇补充 每20分钟给15 20克糖 运动后补糖将有利于糖原的恢复 耐力运动员在激烈比赛或大负荷量训练期 膳食中糖类总量应占其每日能量消耗的70 有利于糖原的恢复 2 补糖种类 低聚糖是一种人工合成糖 目前多使用由2 10个葡萄糖单位聚合成的低聚糖 渗透压低 分子量大于葡萄糖 研究表明 浓度为25 的低聚糖的渗透压相当于5 葡萄糖的渗透压 故可提供低渗透压高热量的液体 效果较理想 对糖原恢复的研究发现 淀粉 蔗糖合成肌糖原的速率大于果糖 但果糖合成肝糖原的效果则比蔗糖或葡萄糖为佳 因此 补糖时应注意合理选择搭配糖的种类 同时 运动员膳食中应注意保持足够量的淀粉 优秀耐力运动员肌糖元储备量可达700g 在剧烈运动时 肌糖元对维持血糖水平具有特殊意义 血糖一旦进入肌肉合成肌糖元后 就不再扩散出细胞 所以 在力竭性运动时 活动的肌肉是不能利用不活动肌肉中的葡萄糖和肌糖原的 只有肝糖原分解为葡萄糖进入血液 通过血液循环在供给活动的肌肉持续的能量供给 所以 增加肝糖原和肌糖元的储备有利于提高运动能力 合理膳食与适量运动训练相结合是提高机体糖元储备的有效途径 三 脂肪代谢 脂肪是一种含能量最多的营养物质1 脂肪的储存 脂肪细胞可摄取血液中过多的自由脂肪酸 并与甘油结合形成甘油三酯储存起来 2 脂肪动员 当血液中自由脂肪酸水平下降时 储存在脂肪细胞中的脂肪在激素敏感脂肪酶的作用下 逐步分解为脂肪酸和甘油 释放入血 以供给其他组织氧化利用 此过程被称为脂肪动员 3 脂肪代谢的生理意义 一方面 当体内能量来源充足时 可使能量以脂肪的形式储存在脂肪细胞中 另一方面 脂肪细胞中积蓄的脂肪在饥饿状态下或糖供能不足时 可分解成甘油和脂肪酸释放入血 供给机体其他组织能量 若脂肪合成大于分解 则人体就会发胖 4 人体的脂肪贮备 人体脂肪的贮存量很大 约占体重的10 20 最适宜的体脂含量为 男性为体重的6 14 女性为10 14 充沛的脂肪贮备为机体提供了丰富的能源 但若男性体脂 20 女性 30 则属肥胖 5 脂肪在体内的分解代谢 脂肪甘油及脂肪酸二氧化碳和水 ATP在氧供应充足时进行超过3小时运动 脂肪可被大量消耗利用 此外 在安静时 脂肪也是心肌和骨骼肌的主要能源 运动中脂肪代谢与糖代谢比较有以下特点 1 动员慢 运动中 自由脂肪酸从脂肪组织分解动员出来入血较慢 2 耗氧量大 由于脂肪分子结构中氧原子含量少 故在彻底氧化分解时消耗的氧量大 3 能效率低 脂肪有氧分解供能效率比糖慢1倍 长时间耐力运动后期才主要依靠脂肪氧化供能 脂肪酶 运动对脂肪代谢的影响 提高脂肪酸的氧化能力 耐力训练是提高机体氧化利用脂肪酸供能能力最有效的措施 改善血脂异常 耐力运动可促使血浆甘油三酯降解 增加血浆高密度脂蛋白 HDL 含量 HDL可防止动脉粥样硬化 减少体脂积累 坚持长期运动可以提高脂肪酶活性 促进脂肪水解 加速自由脂肪酸氧化供能 而减少体脂积累 脂肪代谢与运动减肥 体脂的积聚是由于摄入食量高于人体所需的能量 只有设法保持摄入量与消耗量两者间的平衡 才能保持人体的正常体重 近年的研究认为 采取单纯运动或单纯节食的方式减肥效果均不如采取运动与节食相结合的方式 提倡采用动力型 大肌肉群参与的有氧运动 如步行 跑步 游泳 骑自行车 迪斯科 舞蹈等运动 由于水中运动可以减轻关节的负担 水有浮力 体热容易散发 水的静水压力可使中心血容量增加 通过水中运动减肥为近年来提倡的减肥方式 水中运动已发展到在水中行走 跑步 跳跃 踢水 水中球类游戏等多种运动 研究表明 水中运动时人的中心血容量可增高700ml 中心静脉压增加12 18mmHg 心输出量及每搏量增加25 或更多 并可改善左心室功能 改善有氧运动能力 总之 运动不仅可以增加机体的能量消耗 达到减肥的目的 还有助于增强心血管系统及呼吸系统的机能能力 提高肌肉的代谢能力 增强体质 促进健康 减肥运动量的设定 减体重的运动量 根据要减轻体重的数量及减重速度决定 许多学者提出 每周减轻体重0 45公斤 1磅 较适宜 每周减轻体重0 9公斤 2磅 为可以接受的上限 但不宜超过此限度 约相当于每日亏空能量500 1000Kcal 每周累计的热能短缺量为3500 7000Kcal 目前有学者提出 在有条件的情况下 可进行 理想 体重的测定 确定理想体重应首先测定体脂百分比及瘦体重 再以下式计算 理想 体重 100X瘦体重 公斤 100 理想 的体脂百分比 例如 90公斤体重的人 经测定其瘦体重为72公斤 其 理想 体脂为13 但实际测定的体脂含量为20 代入上式为100 72 l00 13 82 8公斤 82 8公斤为其 理想 体重 现体重为90公斤 应减轻体重7 2公斤即可达到 理想 体重 据此制定减体重计划 具体措施为 每周运动3 5次 每次持续30 60分钟 运动强度为刺激体脂消耗的 阈值 即50 85 Vo2max或60 70 最大心率 使每周运动的热能消耗量至少达到900Kcal 蛋白质代谢 蛋白质由氨基酸组成 蛋白质代谢是以氨基酸代谢为基础 实际上 无论人体处于安静或运动状态蛋白质均不是能量的主要来源 在肌肉活动时不占重要地位 人体内氨基酸的来源 1 食物蛋白质消化分解出的氨基酸 2 各组织细胞蛋白质降解出的氨基酸 3 其他物质经中间代谢转化而来的氨基酸 氨基酸的去路 氨是一种有毒的代谢产物 肝脏将其转变为尿素是一种解毒功能 蛋白质的分解代谢供能 1 蛋白质在体内的代谢 1 氮平衡 在体内的代谢过程中 每日的摄取量与消耗量基本相等 根据每日食物中摄取蛋白质的含氮量与排泄物中的含氮量 可以了解蛋白质代谢的情况 一般正常成人氮的收支保持平衡状态称为氮平衡 nitrogenbalance 2 正氮平衡 儿童少年 孕妇 病后恢复阶段及运动训练过程中 蛋白质摄入多于排出 称为氮的正平衡 3 负氮平衡 饥饿 营养不良 患消耗性疾病 衰老和大运动量训练期间 机体蛋白质消耗大于摄入 称为氮的负平衡 2 供能 蛋白质氧化分解时 首先分解为氨基酸 酮酸二氧化碳和水 能量氨基酸氨尿素 经肾脏随尿排出 实际上 蛋白质分解供能很不经济 故一般情况下不作为主要供能物质 三羧酸循环 肝脏 3 关干蛋白质的补充问题 由于蛋白质对人体具有特殊的作用 故在运动训练过程中运动员的蛋白质补充非常重要 成人蛋白质最低生理需要量约30 45克 天或0 8克 公斤体重 青少年蛋白质的需要量为2 5 3克 公斤体重 运动员 我国 为1 2 2克 公斤体重 优秀举重运动员蛋白质补充量每日1 3 1 6克 公斤体重 耐力性运动中 即使糖类足以供应机体运动中所需能量 膳食中蛋白质的补充量也应达到1 5 1 8克 公斤体重 而且应该在整个耐力训练阶段中持续补充 以促进肌肉蛋白质的合成 预防运动性贫血的发生 4 三大物质代谢的关系 糖类 脂肪均是人体的重要能源物质 蛋白质在特殊情况下 亦可作为能源 氧化分解提供能量 而其氧化分解途径均需经过三羧酸循环完成 同时 三大物质在一定条件下 以三羧酸循环为枢纽可以发生互相转化 如丙酮酸 乙酰辅酶A等均是糖 脂肪 蛋白质相互转化的交叉点 乙酰CoA 草酰乙酸 苹果酸 柠檬酸 酮戊二酸 琥珀酸 脂肪 脂肪酸 酮酸 氨基酸 蛋白质 糖 丙酮酸 三羧酸循环 第二节肌肉活动能量供应的三个系统 ATP的再合成是一个吸收能量的过程 所需能量只能从间接能源的分解代谢中获得 人体在各种运动中所需要的能量分别由三种不同的能源系统供给 即 磷酸原系统乳酸能系统 酵解能系统 有氧氧化能系统 一 磷酸原系统 又称ATP一CP系统 其中 CP是ATP在细胞中的一种储存形式 ATP是直接供能物质 当ATP生成较多时 可将含有高能磷酸键的 Pi转移给肌酸C而形成CP 以备急用 ATP在肌肉内的储量很少 以最大功率输出仅能维持2秒左右 而肌肉中CP储量约为ATP的3 5倍 因此 CP是体内快速可动用的 能量库 供能特点 供能总量少 持续时间短 功率输出最快 不需要氧 不产生乳酸等代谢产物 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 只能依靠磷酸原系统 如 短跑 投掷 跳跃 举重等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的一个重要指标 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 供能特点 供能总量较磷酸原系统多 持续时间较短 功率输出次之 不需要氧 终产物是导致疲劳的物质 乳酸 血乳酸水平是衡量乳酸能系统供能能力的最常用指标 乳酸能系统供能的意义 保证磷酸原系统最大供能后 仍能维持数十秒快速供能 以应付机体短时间内的快速需要 该系统是1分钟内要求高功率输出运动的物质基础 如 400米跑 100米游泳等 三 有氧氧化系统 概念 是指糖 脂肪 蛋白质在细胞内彻底氧化成H2O和CO2的过程中 再合成ATP的能量系统 供能特点 ATP生成总量很大 但速率很低 持续时间长 需要氧的参与 终产物是CO2和H2O 不产生乳酸等副产品 有氧氧化系统是进行长时间耐力活动的物质基础 评定有氧工作能力的主要生理指标有 最大摄氧量 无氧阈 乳酸阈等 肌肉活动的代谢特征及影响因素 一 肌肉活动时能量供应的代谢特征二 能量统一体理论三 肌肉活动时影响能量代谢的因素分析 第三节 一 肌肉活动时能量供应的代谢特征 一 ATP供能的连续性 在完成所有运动时 能量供应必须是连续的 否则肌肉工作因能量供应中断而无法实现 因此 ATP的消耗与其再合成之间必须是连续的 二 耗能与产能之间的匹配性 强度越大 耗能也越大 这就要求产能速率必须与耗能强度相匹配 否则 运动就不能以该强度持续运动 三 供能途径与强度的对应性 肌肉在完成不同强度运动时 优先启动不同的供能系统与运动强度的对应性是由产能和耗能速率的匹配关系决定的 四 无氧供能的暂时性 当运动强度耗能速率大于有氧产能最大速率时 必然动用产能更快的无氧方式 以满足该状态的代谢需要 由于无氧代谢的终产物会很快限制其代谢过程 因此 无氧供能持续的时间只能是暂时的 五 有氧代谢的基础性 有氧供能是机体生命活动最基本的代谢方式 最终能把代谢产物分解成H2O和CO2排出体外 三大营养物质的能量利用率也最彻底 另外 无氧代谢产物的清除及疲劳和能