運動時物質(zhì)和能量代謝

第二篇運動時物質(zhì)代謝和能量代謝及其調(diào)節(jié)1可編輯ppt前言物質(zhì)代謝與能量代謝生物體內(nèi)所有的化學(xué)反應(yīng)過程，統(tǒng)稱為物質(zhì)代謝。伴隨物質(zhì)代謝過程中的能量吸收、儲存、釋放、轉(zhuǎn)移與利用的過程，稱為能量代謝。2可編輯ppt前言生物體的燃料與能源糖、脂肪與蛋白質(zhì)是細(xì)胞的三大化學(xué)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(zhì)）3可編輯ppt前言4可編輯ppt第四章運動時物質(zhì)代謝和能量代謝

5可編輯ppt第一節(jié)能量代謝能量代謝的核心物質(zhì)是ATP。一、高能化合物一般將水解時釋放的標(biāo)準(zhǔn)自由能高于20．92KJ／mol(5千卡／摩爾)的化合物，稱為高能化合物。6可編輯ppt7可編輯ppt

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(zhuǎn)移潛勢最高。8可編輯ppt二、生物氧化（一）概念營養(yǎng)物質(zhì)在生物體內(nèi)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(xué)能）中，60%以熱能形式散發(fā)。糖

脂肪蛋白質(zhì)

CO2和H2OO2能量ADP+PiATP熱能9可編輯ppt生物氧化（線粒體）體外燃燒反應(yīng)式（示例）C6H12O6+6O2+38H2O——44H2O+6CO2C6H12O6+6O2——6H2O+6CO2耗氧量、終產(chǎn)物、釋能量相同反應(yīng)條件特殊（37度、近中性含水環(huán)境、由酶催化）一般反應(yīng)步驟繁多簡單產(chǎn)物生成形式CO2（有機酸脫羧）H2O（脫氫）CO2（碳直接與氧結(jié)合）H2O（氫直接與氧結(jié)合）能量釋放形式逐步釋放，且有4成可轉(zhuǎn)化為化學(xué)能突然釋放，以熱與光散發(fā)10可編輯ppt（二）生物氧化的途徑三大營養(yǎng)物質(zhì)（糖原、脂肪、蛋白質(zhì)）生物氧化的共同規(guī)律：可總結(jié)為三個階段。11可編輯ppt12可編輯ppt1.生物氧化中水的生成電子傳遞鏈（呼吸鏈）

在線粒體內(nèi)膜上，一系列遞氫、遞電子體按一定順序排列，構(gòu)成的一條連鎖反應(yīng)體系。由于此反應(yīng)體系與細(xì)胞攝取氧的呼吸過程有關(guān)，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(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-Ⅳ

13可編輯pptFADH2氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈

ATPATPATP2ATP3ATP14可編輯ppt

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(guān)，也是NADP+的前體，與運動后合成恢復(fù)有關(guān)。15可編輯ppt2.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(zhuǎn)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）16可編輯ppt3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶17可編輯ppt(2)氧化磷酸化（線粒體）代謝物脫下的氫，經(jīng)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(cè)基質(zhì)側(cè)線粒體內(nèi)膜e-e-e-e-e-18可編輯pptFADH2氧化呼吸鏈NADH氧化呼吸鏈ATPATPATP2ATP3ATP19可編輯pptP/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(nèi)的NADH+H+經(jīng)氧化生成3分子ATP、FADH2的經(jīng)氧化生成2分子ATP。而線粒體外的NADH+H+上的氫進(jìn)入線粒體內(nèi)有二種方式：NADH+H+NADH+H+NADH+H+FADH2

20可編輯ppt3.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(fù)合體

21可編輯ppt提要：運動時，ATP是肌肉收縮的直接供能物質(zhì)。并且，ATP是能量代謝的核心物質(zhì)。生物氧化是三大營養(yǎng)物質(zhì)在體內(nèi)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(diào)控的。生物氧化可分為三個階段，乙酰CoA是三大營養(yǎng)物質(zhì)氧化的共有中間產(chǎn)物。三羧酸循環(huán)與氧化磷酸化是三大營養(yǎng)物質(zhì)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(nèi)膜，由多種酶與輔酶組成，是氧化磷酸化的機構(gòu)。有NADH氧化呼吸鏈與琥珀酸氧化呼吸鏈二條。在線粒體內(nèi)，2H經(jīng)二條呼吸鏈分別生成3ATP與2ATP。22可編輯ppt第二節(jié)三磷酸腺苷——ATP23可編輯pptATP是人體內(nèi)各種生命活動中最重要的直接供能物質(zhì)。ATP是生物體內(nèi)能量貯存、利用和轉(zhuǎn)化的中心。人體內(nèi)ATP含量不多，但每日經(jīng)ATP/ADP相互轉(zhuǎn)變的量相當(dāng)可觀。24可編輯ppt

ATP是肌肉收縮的直接能源物質(zhì)。一、ATP的分子組成與生物學(xué)功能（一）ATP的分子組成與結(jié)構(gòu)25可編輯ppt26可編輯ppt（二）ATP的生物學(xué)功能1.生命活動的直接能源ATP-ADP循環(huán)是人體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的基本方式，維系著能量的釋放、貯存與利用。27可編輯ppt28可編輯ppt2.合成磷酸肌酸29可編輯ppt3.參與構(gòu)成一些重要輔酶ATP是一些重要輔酶，如NADP、NAD+、FAD、CoA的結(jié)構(gòu)成分，參與細(xì)胞內(nèi)糖、脂、蛋白質(zhì)與核酸等的代謝反應(yīng)。4.提供物質(zhì)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(yīng)。30可編輯ppt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/Mol31可編輯ppt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(zhì)網(wǎng)膜上鈣泵(Ca-ATP酶)消耗ATP，轉(zhuǎn)運Ca2+，調(diào)節(jié)肌肉松弛；（3）肌膜上鈉泵(Na，K-ATP酶)消耗ATP，轉(zhuǎn)運Na+／K+離子，調(diào)節(jié)膜電位。據(jù)報道，僅肌質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運Ca2+所消耗的能量就占肌肉收縮時總耗能的三分之一。32可編輯ppt肌絲滑行原理33可編輯ppt34可編輯ppt35可編輯ppt（二）ATP再合成途徑

肌細(xì)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(nèi)消耗ATP約40千克。在劇烈活動時，ATP利用速率可高達(dá)每分鐘0．5千克）。這一“供需”矛盾通過ATP-ADP循環(huán)來解決。36可編輯ppt運動肌能量供應(yīng)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(zhì)有氧氧化（有氧代謝供能系統(tǒng)）37可編輯ppt第三節(jié)運動時骨骼肌供能系統(tǒng)38可編輯ppt(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)39可編輯ppt一、磷酸原供能系統(tǒng)由磷酸原（ATP、CP）分解反應(yīng)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(jié)構(gòu)與功能1.磷酸肌酸的分子結(jié)構(gòu)40可編輯ppt41可編輯ppt42可編輯ppt2．磷酸肌酸的功能(1)高能磷酸基團(tuán)的儲存庫人體肌酸總量大約為120克，95%存在于肌肉。43可編輯ppt2．磷酸肌酸的功能(2)組成肌酸-磷酸肌酸能量穿梭系統(tǒng)44可編輯ppt(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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的唯一直接能源。45可編輯ppt2．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(dá)每千克干肌每秒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(guān)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(jìn)行。46可編輯ppt3.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(dá)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(dāng)以75％最大攝氧量強度持續(xù)運動時達(dá)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(dāng)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。47可編輯ppt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(xì)胞消耗的氧氣量，一般人的最大攝氧量為2-3L/分鐘，經(jīng)常參加體育運動的人可達(dá)4-5L/分鐘，在進(jìn)行有氧耐力訓(xùn)練時，可以之為指標(biāo)確定運動強度。通過運動負(fù)荷實驗，此數(shù)據(jù)可以較易測得。48可編輯ppt相關(guān)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。

49可編輯ppt4．運動訓(xùn)練對磷酸原系統(tǒng)的影響(1)運動訓(xùn)練可以明顯提高ATP酶的活性；(2)速度訓(xùn)練可以提高肌酸激酶的活性，從而提高ATP的轉(zhuǎn)換速率和肌肉最大功率輸出，有利于運動員提高速度素質(zhì)和恢復(fù)期CP的重新合成；(3)運動訓(xùn)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(xùn)練對骨骼肌內(nèi)ATP儲量影響不明顯。50可編輯ppt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。51可編輯ppt（一）糖酵解供能的基本過程亞細(xì)胞定位：細(xì)胞漿底物：葡萄糖、（?。┨窃K產(chǎn)物：乳酸基本反應(yīng)過程：共12步反應(yīng)，如圖。1.ATP的凈生成數(shù)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。52可編輯ppt53可編輯ppt（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(dá)最大速率。輸出功率：最大可達(dá)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(nèi)（肌糖原儲量為每千克干肌350mmol葡萄糖單位。）54可編輯ppt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(shù)等。供能方式：無需氧的參與，G或Gn經(jīng)多步反應(yīng)生成ATP，再由ATP水解供能。胞液進(jìn)行。55可編輯ppt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(zhì)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(zhì)氧化供能56可編輯ppt（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(chǎn)物是二氧化碳與水。1.基本過程(1)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)反應(yīng)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(jīng)不同方式進(jìn)入線粒體繼續(xù)氧化。）(2)線粒體內(nèi)反應(yīng)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）57可編輯ppt58可編輯ppt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(yīng)（1分子GTP生成，最終相當(dāng)于1分子ATP生成）

2個脫羧反應(yīng)（2分子CO2生成）

3個不可逆反應(yīng)（3組限速酶）

4個脫氫反應(yīng)（3分子NADH+H+、1分子FADH2生成，最終相當(dāng)于3X3+2=11分子ATP生成）59可編輯ppt2.糖有氧氧化中ATP的生成量反應(yīng)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(xì)胞質(zhì)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+18ATP2FADH24ATP60可編輯ppt細(xì)胞質(zhì)中NADH+H+進(jìn)入線粒體氧化肌肉組織和神經(jīng)細(xì)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。61可編輯ppt62可編輯ppt（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。63可編輯ppt（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(jié)合，生成脂酰CoA。（2）脂肪酰CoA進(jìn)入線粒體：脂酰CoA借助內(nèi)膜上的肉堿轉(zhuǎn)運機制被轉(zhuǎn)運至線粒體內(nèi)。64可編輯ppt（3）脂肪酰CoA的β-氧化（脂肪酰CoA乙酰CoA）：65可編輯ppt4、脂肪分解產(chǎn)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。66可編輯ppt(三)蛋白質(zhì)氧化供能1.轉(zhuǎn)氨基作用在轉(zhuǎn)氨酶作用下，某一氨基酸與α-酮戊二酸進(jìn)行氨基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成相應(yīng)的α-酮酸和谷氨酸。重要的轉(zhuǎn)氨酶：Ⅰ、GPT（谷-丙轉(zhuǎn)氨酶）肝細(xì)胞內(nèi)活性最高的轉(zhuǎn)氨酶Ⅱ、GOT（谷-草轉(zhuǎn)氨酶）心肌細(xì)胞內(nèi)活性最高的轉(zhuǎn)氨酶67可編輯ppt2.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(jìn)行68可編輯ppt4.嘌呤核苷酸循環(huán)的脫氨基方式

心肌、骨骼肌進(jìn)行69可編輯ppt氨清除的鳥氨酸循環(huán)（肝臟進(jìn)行）70可編輯ppt(四)三大細(xì)胞燃料代謝的相互關(guān)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(guān)系71可編輯ppt2、相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系（1）糖極易轉(zhuǎn)換為脂；（2）脂肪分子中則僅甘油部分可經(jīng)糖異生作用轉(zhuǎn)換為糖；（3）糖代謝過程中的酮酸可提供碳鏈經(jīng)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(yīng)的α-酮酸，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)樘?；?酮酸可經(jīng)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(zhì)。72可編輯ppt（五）運動時有氧代謝供能啟動：安靜時即在運轉(zhuǎn)，只是運轉(zhuǎn)速率等待充分調(diào)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(zhì)。蛋白質(zhì)的主要功能是承擔(dān)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)分鐘以上耐力性項目的基本供能系統(tǒng)。73可編輯ppt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(xì)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(nèi)能量轉(zhuǎn)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(zhì)為“燃料”）。根據(jù)各“燃料”的貯備量可以判斷三個供能系統(tǒng)能夠全力運轉(zhuǎn)的時間，根據(jù)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(jù)各供能系統(tǒng)所需的運轉(zhuǎn)條件可以判斷三個供能系統(tǒng)的地位。CP是肌肉內(nèi)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)。74可編輯ppt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(nèi)主導(dǎo)），糖酵解供能系統(tǒng)（10秒外主導(dǎo)）。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(fù)：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）。75可編輯ppt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(xì)胞的能量儲備（70kg體重）供能物質(zhì)儲量mmol/kg干肌可利用能