運動時物質和能量代謝

運動時物質和能量代謝第一頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。第二頁，共八十一頁，2022年，8月28日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）第三頁，共八十一頁，2022年，8月28日前言第四頁，共八十一頁，2022年，8月28日第四章運動時物質代謝和能量代謝

第五頁，共八十一頁，2022年，8月28日第一節(jié)能量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。第六頁，共八十一頁，2022年，8月28日第七頁，共八十一頁，2022年，8月28日

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。第八頁，共八十一頁，2022年，8月28日二、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)。糖

脂肪蛋白質

CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能第九頁，共八十一頁，2022年，8月28日生物氧化（線粒體）體外燃燒反應式（示例）C6H12O6+6O2+38H2O——44H2O+6CO2C6H12O6+6O2——6H2O+6CO2耗氧量、終產物、釋能量相同反應條件特殊（37度、近中性含水環(huán)境、由酶催化）一般反應步驟繁多簡單產物生成形式CO2（有機酸脫羧）H2O（脫氫）CO2（碳直接與氧結合）H2O（氫直接與氧結合）能量釋放形式逐步釋放，且有4成可轉化為化學能突然釋放，以熱與光散發(fā)第十頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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。第十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日第十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅴ

CytcQ

NADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側基質側線粒體內膜e-e-e-e-e-Ⅳ

第十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日FADH2氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈

ATPATPATP2ATP3ATP第十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

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，與運動后合成恢復有關。第十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日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）第十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶第十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日(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，稱為氧化磷酸化。ⅣⅢⅠ

ⅡⅤ

Q

NADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液側基質側線粒體內膜e-e-e-e-e-第十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日FADH2氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈ATPATPATP2ATP3ATP第十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。 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+H+上的氫進入線粒體內有二種方式：NADH+H+NADH+H+NADH+H+FADH2

第二十頁，共八十一頁，2022年，8月28日3.生物氧化中CO2的生成有機酸脫羧（-COOH)生成。示例:丙酮酸乙酰CoA

NAD+,HSCoACO2,NADH+H+

丙酮酸脫氫酶復合體

第二十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日提要：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。第二十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)三磷酸腺苷——ATP第二十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。第二十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日

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的分子組成與結構第二十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日第二十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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。第二十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日第二十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日2.合成磷酸肌酸第二十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。第三十頁，共八十一頁，2022年，8月28日二、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第三十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日運動時，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ATP，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。第三十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日肌絲滑行原理第三十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日第三十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日第三十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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“供需”矛盾通過ATP-ADP循環(huán)來解決。第三十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日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)）第三十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)運動時骨骼肌供能系統(tǒng)第三十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日(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)第三十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日一、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)。（一）磷酸肌酸的分子結構與功能1.磷酸肌酸的分子結構第四十頁，共八十一頁，2022年，8月28日第四十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日第四十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。第四十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日2．磷酸肌酸的功能(2)組成肌酸-磷酸肌酸能量穿梭系統(tǒng)第四十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日(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。第四十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日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干肌每秒1．6—3．0毫摩爾~P?？删S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，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。第四十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日3.不同強度運動時磷酸原儲量的變化（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。第四十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日最大攝氧量（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，此數據可以較易測得。第四十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日相關知識

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85-90%。最大心率可用220-年齡估算。

第四十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。第五十頁，共八十一頁，2022年，8月28日二、糖酵解供能系統(tǒng)糖酵解

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。第五十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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的凈生成數量

1葡萄糖：生成4-消耗2=21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。第五十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日第五十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日（二）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。）第五十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日運動項目：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ATP水解供能。胞液進行。第五十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日三、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）蛋白質氧化供能第五十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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）。（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ACO2、H）

氧化磷酸化（H、ADP+Pi、O2H2O、ATP）第五十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日第五十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日三羧酸循環(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”

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）第五十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日2.糖有氧氧化中ATP的生成量反應階段部位底物水平磷酸化氧化磷酸化消耗1.葡萄糖丙酮酸細胞質4ATP2NADH+H+6(4)ATP2ATP2.丙酮酸乙酰CoA線粒體/2NADH+H+6ATP/3.三羧酸循環(huán)2ATP6NADH+H+18ATP2FADH24ATP第六十頁，共八十一頁，2022年，8月28日細胞質中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。肝臟和心肌組織：蘋果酸穿梭，ATP生成量為3。第六十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日第六十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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。第六十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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線粒體內。第六十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日（3）脂肪酰CoA的β-氧化（脂肪酰CoA乙酰CoA）：第六十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日4、脂肪分解產生的ATP數量計算公式：[(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凈生成數分別為113、130、147ATP。第六十六頁，共八十一頁，2022年，8月28日(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第六十七頁，共八十一頁，2022年，8月28日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、腎進行第六十八頁，共八十一頁，2022年，8月28日4.嘌呤核苷酸循環(huán)的脫氨基方式

心肌、骨骼肌進行第六十九頁，共八十一頁，2022年，8月28日氨清除的鳥氨酸循環(huán)（肝臟進行）第七十頁，共八十一頁，2022年，8月28日(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)。1.分解代謝中的關系第七十一頁，共八十一頁，2022年，8月28日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。第七十二頁，共八十一頁，2022年，8月28日（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：數分鐘以上耐力性項目的基本供能系統(tǒng)。第七十三頁，共八十一頁，2022年，8月28日提要：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)。第七十四頁，共八十一頁，2022年，8月28日提要：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），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）。第七十五頁，共八十一頁，2022年，8月28日第四節(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