运动生物学 第五章

第五章

运动时骨骼肌的能量代谢调节和利用学习目标掌握运动时物质代谢调节的基本方式、骨骼肌三大供能系统的供能特点和过程；熟悉运动时骨骼肌无氧代谢、有氧代谢调节的方式与基本规律；了解运动过程中物质代谢的相互联系；学会应用能量代谢的理论，分析体育锻炼与竞技体育中不同运动状态下能量供应的特点，进一步理解代谢能力、供能能力与运动能力的关系。第一节运动时物质代谢的相互联系三大能源物质：糖、脂肪、蛋白质。它们在体内氧化分解代谢途径各不相同，但又存在着许多共同之处。一、氧化分解的共同规律（1）共同的中间代谢物-乙酰辅酶Ａ（2）共同的最终代谢途径-三羧酸循环（3）能量均储存在ATP的高能磷酸键中二、能量供应的相互联系三大能源物质既可相互代替，也能相互制约。蛋白质是组成细胞最主要的结构物质，通常无多余储存。因此通常情况下，机体可通过较多地消耗糖和脂肪而节省蛋白质。糖、脂肪、蛋白质的代谢相互联系。三者之间可以相互转换，并通过一些共同的中间产物以及共同的代谢途径连成一个整体，如三羧酸循环等。（图5-1-1）第二节运动时物质代谢的调节代谢调节现象生物界中普遍存在，是生物进化过程中逐渐形成的一种适应能力。进化程度越高的生物，其代谢调节机制越复杂、越精细。在人和高等动物体内，代谢调节常在细胞水平、器官水平和整体水平上进行。第二节运动时物质代谢的调节（一）骨骼肌磷酸原代谢的调节

1．CP利用的调节ADP＋CPＣＫATP＋Ｃ（肌酸）肌质网释放Ca2＋肌原纤维ATP酶活性被激活ATP分解、肌纤维收缩ATP浓度下降，ADP、Pi和Ｈ+浓度升高[ATP]/[ADP]比值降低，立即激活肌酸激酶（CK）催化CP分解，重新合成ATP开始运动时

2．肌激酶反应的调节2ADPＭＫATP＋AMPCP接近耗竭ADP浓度逐渐上升[ATP]/[ADP]比值稍有下降肌激酶（myokinase，MK）反应激活，应急性合成ATP细胞内AMP浓度急剧上升继续运动时AMP浓度的上升激活AMP脱氨酶，催化AMP水解成次黄嘌呤核苷酸（IMP）和NH4＋。AMP＋Ｈ2ＯAMP脱氨酶IMP＋NH4＋AMP转变为IMP，意味着腺苷酸总量减少，但这种减少量非常小，在运动后经嘌呤核苷酸循环的部分途径重新合成。肌激酶反应的结果是降低ADP的浓度，使[ATP]/[ADP]比值重新恒定在稍低于安静时的水平上。运动开始在骨骼肌磷酸原的快速动用过程中，ATP含量的下降极小，CP储量接近耗竭，伴有Pi、肌酸、ADP、AMP、IMP和NH4＋含量的增多，但是[ATP]/[ADP]比值变化不大。（二）骨骼肌糖酵解的调节1．磷酸化酶的调节磷酸化酶(phosphorylase)是糖原分解过程中第一个关键酶。安静时，骨骼肌中磷酸化酶大多以低活性的磷酸化酶ｂ存在，只有少量高活性磷酸化酶ａ。运动时，磷酸化酶受代谢物、Ca2＋和激素调节，磷酸化酶ｂ活性增强或转换为磷酸化酶ａ。（图5-2-1）图

5-2-1糖原磷酸化酶活性的调节（1）磷酸化酶ｂ活性的调节。磷酸化酶ｂ容易受细胞内各种代谢物浓度变化而改变活性。安静时，这些调节剂使磷酸化酶ｂ活性降低；运动时，调节物浓度发生改变，有利于磷酸化酶ｂ的激活。这种调节形式的灵敏度很低，只有当调节物浓度发生极大改变时，才能引起酶活性明显改变。激活条件无机磷酸盐／葡萄糖-1-磷酸的比值升高5’-AMP、Pi的浓度升高抑制剂葡萄糖-6-磷酸、ATP、ADP（2）磷酸化酶ｂ转换为磷酸化酶ａ的调节。肌肉收缩时，Ca2+可调节磷酸化酶的活性。Ca2+是骨骼肌兴奋收缩耦联的桥梁，当动作电位沿肌膜传递至三联体时，引起肌质网释放大量的Ca2+，从而使肌浆内Ca2+浓度上升。激活肌原纤维ATP酶ATP水解肌肉收缩激活磷酸化酶ｂ激酶磷酸化酶ｂ磷酸化酶ａCa2+浓度升高肌细胞pH上升时，Ca2+对磷酸化酶激酶的激活作用增大。磷酸化酶ｂ转变成ａ的过程受肾上腺素调节。运动时血浆肾上腺素浓度升高骨骼肌内cAMP浓度增加，激活蛋白激酶磷酸化酶ｂ激酶活性增大，磷酸化酶ｂ转变成磷酸化酶ａ磷酸化酶ａ增多，糖原分解加速2．己糖激酶的调节己糖激酶（hexokinase）葡萄糖-6-磷酸

糖酵解过程的关键限速酶——果糖磷酸激酶（phosphofructokinase，PFK）

催化果糖-6-磷酸磷酸化形成果糖-1，6-二磷酸的反应过程（图5-2-2）图

5-2-2糖酵解过程及其限速酶调节的示意图3．果糖磷酸激酶的调节乳酸脱氢酶（lactatedehydrogenase，LDH）是同工酶，其中较重要是LDH1（心肌型）和LDH5（骨骼肌型）。LDH1在慢肌纤维中活性相对高于快肌纤维，其主要功能是催化乳酸生成丙酮酸，LDH1活性与丙酮酸浓度呈反比。LDH5在快肌纤维中活性相对高于慢肌纤维，其主要功能是催化丙酮酸生成乳酸，LDH5活性不受丙酮酸和乳酸抑制。所以，大强度运动时，肌乳酸生成量随丙酮酸生成增多而增多。4．乳酸脱氢酶的调节图5-2-3无氧代谢运动时能量释放和利用的调节二、运动时有氧代谢的调节有氧代谢调节与糖酵解过程调节有所不同，主要受组织供氧量和可供肌肉利用的能源物质含量的调节。随着运动强度增大，氧的供应和利用对运动能力影响越大；随着运动时间延长，能源物质的供应和利用将是影响运动能力的主要矛盾。（一）运动时糖利用的调节

运动肌可利用的糖有三个来源：

1.肌内储存的糖原

2.肌肉吸收血糖

3.肝糖原释放入血的葡萄糖1.运动肌摄取和利用血糖的调节葡萄糖-6-磷酸浓度下降使其对己糖激酶的抑制作用减弱，[ATP]/[ADP]比值下降，葡萄糖磷酸化作用加强，血液中的葡萄糖向肌细胞转运速率加快。肌糖原大量消耗细胞内葡萄糖-6-磷酸浓度下降运动肌吸收血糖增多运动肌吸收血糖增强，其调节机制主要有：骨骼肌收缩时，肌浆Ca2＋浓度升高，肌膜对葡萄糖的转运能力增大。运动肌内血流量增多，运动肌结合的胰岛素数量增多，促进肌细胞吸收葡萄糖。因肌细胞内代谢途径的调节，葡萄糖转移进入运动肌的绝对量增加，且不依赖血胰岛素浓度。

2．肝葡萄糖生成和释放的调节

运动时，运动肌吸收、利用血糖的速率加快，肝糖原分解和糖异生作用增强，加速肝脏释放葡萄糖入血。要求肝糖原分解与糖异生速率作出相应改变，即尽可能做到：

肝葡萄糖生成释放速率＝血糖利用速率

肝葡萄糖生成和释放调节机制：儿茶酚胺和胰高血糖素分泌增多肝糖原分解成葡萄糖增多加速糖异生调节肝葡萄糖的生成速率（1）运动时（2）血糖浓度降低→肝内葡萄糖浓度相应下降→激活肝糖原磷酸化酶活性，抑制糖原合成酶活性→肝糖原降解和释放葡萄糖增多（图5-2-4）

图5-2-4血糖浓度对肝葡萄糖释放的调节注：1.糖原合成酶；2.糖原磷酸化酶；3.UDPG尿苷二磷酸葡萄糖肝葡萄糖生成和释放调节机制：（3）随着耐力运动的进行和肝糖原储备下降→血浆乳酸、丙酮酸、甘油等代谢物增多→糖异生过程底物浓度升高→进一步加快糖异生代谢速率因此，长时间运动前期，肝糖原分解是血液葡萄糖的主要来源；但运动后期，糖异生成为肝释放葡萄糖的主要来源。肝葡萄糖生成和释放调节机制：（二）脂肪酸利用的调节1．脂肪动员、脂解作用的激素调节肾上腺素、去甲肾上腺素、胰高血糖素、生长激素、糖皮质激素等。运动时，血浆肾上腺素和去甲肾上腺素含量升高，与细胞膜上的β-肾上腺素能受体结合，并通过cAMP蛋白激酶系统激活脂肪酶，促进脂肪的分解。生长激素能降低肌组织中的甘油三酯含量并促进其氧化。胰岛素具有抗脂解作用。运动时血浆胰岛素浓度降低，其对脂解的抑制作用减弱（图5-2-5）。图5-2-5脂肪组织内脂解作用的激素调节2．酮体对脂肪酸释放的调节血浆脂肪酸水平可调节肝内酮体生成速率，而血液中高浓度的酮体又可抑制脂解。图

5-2-6酮体对脂解作用的反馈调节3．三酰甘油和脂肪酸循环的反馈调节脂肪组织中脂解和酯化过程是同时发生的，只是不同机体状态下，其侧重不同——肌肉利用脂肪酸的速率增大时，血浆游离脂肪酸浓度下降，脂肪组织释放脂肪酸增多，从而使脂肪组织内脂肪酸浓度降低不能满足酯化过程的需要，酯化反应速度下降。同时，脂肪酸对三酰甘油脂肪酶活性的抑制作用降低，从而促进脂肪组织动员释放脂肪酸。脂解酯化脂肪酸甘油三酰甘油3．三酰甘油和脂肪酸循环的反馈调节长时间运动中，脂肪酸氧化调节的最终结果是使脂肪组织的脂肪酸释放与肌组织的脂肪酸利用相适应。同时，还存在着血浆游离脂肪酸水平的升高，这种升高可促进运动肌吸收脂肪酸。因此，在长时间运动后期，血浆游离脂肪酸处于较高的、相对稳定的水平。（三）糖和脂肪酸利用之间的调节运动中机体尽可能多地利用脂肪酸氧化供能，可起到糖节省化，维持血液葡萄糖浓度的相对恒定，满足大脑对血糖的需求，使有限的糖储备维持到运动结束。

糖

脂肪蛋白质有氧代谢运动中糖和脂肪是主要供能物质，同时利用才能获得最佳耐力。长时间运动中血浆脂肪酸水平的升高，促进肌细胞内脂肪酸氧化，并抑制糖代谢速率和降低糖的利用。其调节的机理是：（1）当脂肪酸在肌内氧化加强时，引起乙酰辅酶Ａ浓度的升高，［乙酸辅酶Ａ］／［辅酶Ａ］比值升高将抑制丙酮酸脱氢酶活性，降低糖的有氧代谢。（2）线粒体内生成的柠檬酸转移到细胞质内，其浓度增大也将抑制果糖磷酸激酶活性，使糖酵解速率降低。糖酵解过程的抑制使葡萄糖-6-磷酸浓度升高，进而抑制己糖激酶和磷酸化酶，导致血糖利用和肌糖原利用减少（图5-2-7）。但是，任何果糖磷酸激酶的激活剂（如AMP、磷酸、6-果糖磷酸等）浓度的升高，都会削弱柠檬酸对果糖磷酸激酶的抑制作用，使糖酵解加速。图5-2-7运动时糖和脂肪利用的调节注：PL：磷酸化酶；HK：己糖激酶；PFK：果糖磷酸激酶；PDH：丙酮酸脱氢酶；HL：乳酸

第三节运动时骨骼肌的能量利用

ATP再合成磷酸原供能系统糖酵解供能系统有氧代谢供能系统一、磷酸原供能系统（一）磷酸原供能系统的组成由于——ATP、CP分子结构中均含有高能磷酸键代谢中通过转移磷酸基团的过程释放能量所以，ATP-CP合称为磷酸原（phosphagen），ATP-CP分解反应组成的供能系统称为磷酸原供能系统。1．ATP：ATP结构和功能第一章已述及。2.CP：CP的分子结构是肌酸（creatine，Ｃ）磷酸化的产物。人体肌酸总量约为120ｇ，其中95％存在于肌肉中。肌酸可接受ATP分子中的高能磷酸键生成CP（图5-3-1）。图

5-3-1CP的生成过程CP的功能主要有两个方面：①高能磷酸基团的储存库②组成肌酸—磷酸肌酸能量穿梭系统图

5-3-2C-CP穿梭图解注：CKmit：线粒体肌酸激酶，CKmyo：肌原纤维肌酸激酶T：线粒体ATP-ADP转位酶（引自：许豪文.运动生物化学概论[M].北京：高等教育出版社.2001）（二）运动时骨骼肌磷酸原供能1．磷酸原供能系统的供能过程运动时ATP转换率大大加快，与运动强度成正比。肌肉中的ATP含量仅能够维持最大强度运动约1s。ATP水解释放能量的同时，释放的ADP激活肌浆中的磷酸肌酸激酶，催化CP水解，将高能磷酸基团转移给ADP，重新合成ATP（图5-3-3）。图5-3-3ATP的再生成和利用运动强度越大，骨骼肌对磷酸原的依赖性也越大。TopIntensityCP储量3％以下，ATP储量大于安静值80％ATP合成途径主要为CP的分解，所以CP储量下降速度比ATP快得多75%Vo2maxCP储量可降低至20％左右，ATP储量略低于安静值ATP合成途径主要为糖酵解和糖有氧氧化供能，所以CP没有耗尽60%Vo2maxCP储量几乎不下降ATP合成途径主要为糖与脂肪的有氧代谢，所以CP储量基本无变化2．磷酸原供能系统的供能特点磷酸原供能系统运动开始时起用最早、利用最快，且具有不需要氧气参与和高功率输出的特点。ATP中高能磷酸键断裂时释放的能值极高，无需氧参与，磷酸原系统最大输出功率可达1.6~3.0mmol~P/kg干肌/s。肌细胞内磷酸原储量有限，可维持最大强度运动约6～8s，在短时间最大强度或最大用力的运动中起主要供能作用，与速度和爆发力密切相关，是短时爆发性运动如短跑、投掷、举重等项目运动的最佳能源。3．磷酸原供能系统对运动训练的适应运动训练可以明显提高ATP酶的活性，加快运动中骨骼肌ATP利用和再合成的速度，提高肌肉最大做功能力。速度训练可以提高肌酸激酶的活性，提高ATP的转换速率和肌肉最大功率输出，有利于运动员提高速度素质和CP的重新合成，促进CP的恢复。运动训练使骨骼肌CP储量明显增多，延长磷酸原供能时间；但对骨骼肌内ATP储量影响不明显。二、糖酵解供能系统糖原或葡萄糖无氧分解生成乳酸并合成ATP的过程称为糖酵解（glycolysis）。运动过程中骨骼肌依靠糖酵解供能的过程又称为糖酵解供能系统。（一）糖酵解供能在肌肉活动中的作用任何运动开始时，ATP都会在ATP酶催化下迅速水解放能。ATP浓度一旦下降，CP立刻分解放能，以合成ATP。肌肉利用CP的同时，糖酵解过程被激活，肌糖原迅速分解参与运动时的能量供应。当运动强度增加、持续时间在1min左右时，糖是占支配地位的能源。（二）运动中骨骼肌糖酵解供能的特点在最大强度运动30-60s时，糖酵解达最大速率，其输出功率约为1mmol~P/kg干肌/s。此后其供能速率逐渐下降，可维持2-3min。因此，糖酵解是30s-2min大强度运动的主要供能系统，如400ｍ、800ｍ全力跑、100ｍ游泳等速度耐力性项目。糖酵解供能不需氧，但产生乳酸，而乳酸堆积是导致疲劳的因素之一。三、有氧代谢供能系统糖、脂肪和蛋白质在有氧条件下彻底氧化成H2O和CO2的反应过程称为有氧氧化(aerobicoxidation)，也称有氧代谢。运动过程中，骨骼肌通过三大能源物质有氧代谢释放能量合成ATP，构成有氧代谢供能系统。（一）糖、脂肪和蛋白质在有氧代谢供能中的作用有氧代谢供能系统中所以，有氧代谢供能是数分钟以上耐力性运动项目的基本供能系统。糖原储量较多，小强度运动1～2h，肌糖原耗尽脂肪储量丰富，理论上供能时间不受限，但氧化过程对糖有依赖性供能比例