物质和能量代谢

1、运动时物质代谢和能量代谢及其运动时物质代谢和能量代谢及其调节调节前言 生物体内所有的化学反应过程，统称为物质代谢。 伴随物质代谢过程中的能量吸收、储存、释放、转移与利用的过程，称为能量代谢。前言生物体的燃料与能源生物体的燃料与能源 糖、脂肪与蛋白质是细胞的三大化学燃料，ATP为通用的直接能源。甘油三酯（脂肪）甘油三酯（脂肪）多羟基醛、多羟基酮（糖）多羟基醛、多羟基酮（糖）多肽链（蛋白质）多肽链（蛋白质）前言第四章第四章运动时物质代谢和能量代谢运动时物质代谢和能量代谢第一节第一节能量代谢概述能量代谢概述第一节 能量代谢能量代谢的核心物质是ATP。一、高能化合物 一般将水解时释放的标准自由能高于2

2、092KJmol(5千卡摩尔)的化合物，称为高能化合物。 高能化合物种类很多。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）、琥珀酰辅酶A、 ATP、ADP等。其中磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸基转移潜势最高。 （一）概念 营养物质在生物体内氧化成水和二氧化碳并释放能量的过程，称为生物氧化。 所释放能量的40%存储到ATP（化学能）中， 60%以热能形式散发。糖糖 脂肪脂肪 蛋白质蛋白质 CO2和和H2O O2能量能量ADP+PiATP热能热能反应式（示例）C6H12O6+6O2+38H2O44H2O+6CO2C6H12O6+6O26H2O+6CO

3、2耗氧量、终产物、释能量相同反应条件特殊（37度、近中性含水环境、由酶催化）一般反应步骤繁多简单产物生成形式CO2（有机酸脱羧）H2O（脱氢）CO2（碳直接与氧结合）H2O（氢直接与氧结合）能量释放形式逐步释放，且有4成可转化为化学能突然释放，以热与光散发（二）生物氧化的途径 三大营养物质（糖原、脂肪、蛋白质）生物氧化的共同规律： 可总结为三个阶段。在线粒体内膜上，一系列递氢、递电子体按一定顺序排列，构成的一条连锁反应体系。由于此反应体系与细胞摄取氧的呼吸过程有关，故又称为呼吸链。 Cytc Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧

4、 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 ATPATP ATP 维生素B2系FMN、FAD的前体，运动员缺乏时直接引起骨骼肌有氧代谢供氧能力，引起肌收缩无力，耐久力下降。 维生素PP系NAD+的前体，与运动员的有氧耐力和无氧耐力均有关，也是NADP+的前体，与运动后合成恢复有关。鱼藤酮鱼藤酮粉蝶霉素粉蝶霉素A A异戊巴比妥异戊巴比妥 抗霉素抗霉素A A二巯基丙醇二巯基丙醇 各种呼吸链抑制剂的阻断位点各种呼吸链抑制剂的阻断位点CO、CN-、N3-及及H2S2.生物氧化中ATP的生成(1)(1)底物水平磷酸化（胞液）底物水

5、平磷酸化（胞液） 直接由代谢物分子的高能磷酸键转移直接由代谢物分子的高能磷酸键转移给给ADPADP生成生成ATPATP的方式，称为底物水平磷酸的方式，称为底物水平磷酸化，简称底物磷酸化。化，简称底物磷酸化。 （1 1，3 3二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、琥珀酰辅酶丙酮酸、琥珀酰辅酶A A）3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸 COOHCOHCH2POP PO1,3-二磷酸二磷酸 甘油酸甘油酸O=CCOHCH2POP POP POADP ATP 磷酸甘油酸激酶磷酸甘油酸激酶 (2)氧化磷酸化（线粒体）氧化磷酸化（线粒体） 代谢物脱下的氢，经呼吸链传递过程代谢物脱下的氢，经呼吸链传递

6、过程逐级氧化，最后生成水，同时伴有能量的逐级氧化，最后生成水，同时伴有能量的释放，使释放，使ADP磷酸化生成磷酸化生成ATP的过程，称的过程，称为氧化磷酸化。为氧化磷酸化。 Q NADH+H+ NAD+ 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 1/2O2+2H+ H2O 胞液侧胞液侧 基质侧基质侧 线粒体内膜线粒体内膜 e-e-e-e-e-FADH2氧化呼吸链氧化呼吸链NADH氧化呼吸链氧化呼吸链 ATPATP ATP P/O比值 氧化磷酸化形成ATP时，每消耗1摩尔氧原子时所消耗的无机磷（原子）的摩尔数。在线粒体中，NADH+H+的P/O比值为3、FADH2的P/O比值为2。 故线粒体内的NADH+

7、H+经氧化生成3分子ATP 、FADH2的经氧化生成2分子ATP。而线粒体外的NADH+H+上的氢进入线粒体内有二种方式： NADH+H+ NADH+H+ NADH+H+ FADH2 3.生物氧化中CO2的生成 有机酸脱羧（-COOH)生成。示例:丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA NAD+ , HSCoA CO2 , NADH + H+ 丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体 提要：提要：运动时，ATP是肌肉收缩的直接供能物质。并且，ATP是能量代谢的核心核心物质。生物氧化是三大营养物质在体内彻底彻底氧化为水与二氧化碳并释放能量的过程。能量释放是逐步的、受到精密调控的。生物氧化可分为三个阶段，乙酰乙

8、酰CoACoA是三大营养物质氧化的共有共有中间产物。三羧酸循环与氧化磷酸化是三大营养物质彻底氧化时共有共有的途径，也是能量释放最多最多的阶段。ATP的生成方式有二种，即底物水平磷酸化与氧化磷酸化。以后者为主要主要方式。电子传递链位于线粒体内膜，由多种酶酶与辅酶辅酶组成，是氧化磷酸化的机构。有NADH氧化呼吸链与琥珀酸氧化呼吸链二条。在线粒体内，2H经二条呼吸链分别生成3ATP与2ATP。第二节第二节三磷酸腺苷三磷酸腺苷ATPATP ATPATP是人体内各种生命活动中最重要的是人体内各种生命活动中最重要的直接供能物质直接供能物质。 ATPATP是生物体内能量贮存、利用和转化是生物体内能量贮存、利

9、用和转化的的中心中心。 人体内人体内ATPATP含量不多，但每日经含量不多，但每日经ATP/ADPATP/ADP相互转变的量相当可观。相互转变的量相当可观。 ATP是肌肉收缩的直接能源物质。一、ATP的分子组成与生物学功能（一）ATP的分子组成与结构（二）ATP的生物学功能1.生命活动的直接能源生命活动的直接能源 ATP-ADP循环是人体内能量转换的基本方式，维系着能量的释放、贮存与利用。2.合成磷酸肌酸3.参与构成一些重要辅酶 ATP是一些重要辅酶，如NADP、NAD+、FAD、CoA的结构成分，参与细胞内糖、脂、蛋白质与核酸等的代谢反应。4.提供物质代谢时需要的能量 ATP作为磷酸的供体，

10、参与糖、脂肪等分解代谢起始阶段耗能的磷酸化（活化）反应。二、运动时ATP的利用与再合成（一）运动时肌肉ATP的利用途径 一般由ATP酶酶催化ATP末端的高能磷酸键水解释放能量，生理条件下51.6KJ/Mol。 ATP+H20-ADP+Pi+30.6KJ/Mol 特殊情况下，ADP末端的高能磷酸键也可水解释放能量。 ADP+H20-AMP+Pi+30.6KJ/Mol运动时，肌肉ATP利用的部位与作用（1）肌球蛋白（即肌凝蛋白）ATP酶消耗ATP，引起肌丝相对滑动和肌肉收缩做功；（2）肌质网膜上钙泵(Ca-ATP酶)消耗ATP，转运 Ca2+，调节肌肉松弛；（3）肌膜上钠泵(Na，K-ATP酶)消

11、耗ATP，转运 Na+K+离子，调节膜电位。据报道，仅肌质网转运Ca2+所消耗的能量就占肌肉收缩时总耗能的三分之一。肌丝滑行原理肌丝滑行原理（二）ATP再合成途径 肌细胞中ATP含量十分有限（ATP为每千克湿肌4778毫摩尔），但消耗量相对较大（例如，一个静卧状态的人，24小时内消耗ATP约40千克。在剧烈活动时，ATP利用速率可高达每分钟05千克） 。这一“供需”矛盾通过ATP-ADP循环来解决。运动肌能量供应系统(1)高能磷酸盐如磷酸肌酸分解（磷酸原供能系统）(2)糖无氧分解（糖酵解供能系统）(3)糖、脂肪、蛋白质有氧氧化（有氧代谢供能系统）第三节运动时骨骼肌供能系统运动时骨骼肌供能系统(

12、1) 磷酸原供能系统(2) 糖酵解供能系统(3) 有氧代谢供能系统无氧代谢供能系统有氧代谢供能系统一、磷酸原供能系统一、磷酸原供能系统由磷酸原（ATP、CP）分解反应组成的供能系统称为。（一）磷酸肌酸的分子结构与功能1.磷酸肌酸的分子结构2磷酸肌酸的功能(1)高能磷酸基团的储存库人体肌酸总量大约为120克，95%存在于肌肉。2磷酸肌酸的功能(2)组成肌酸-磷酸肌酸能量穿梭系统(二)运动时磷酸原供能1.磷酸原系统供能过程 ATP是肌肉收缩时将化学能转变为机械能的。提要：提要： ATP是生命活动的直接能源，是肌肉CP的合成原料之一，是NAD、NADP、FAD、CoA的组成成分，是代谢活化的必要参与

13、者。 在肌细胞中，肌动蛋白、钙泵、钠-钾泵均具有ATPATP酶活酶活性性，是肌肉ATP的利用部位。 ATP-ADP循环是体内能量转换的基本方式，是机体解决ATP利用量与贮存量巨大矛盾巨大矛盾的需要。 骨骼肌有三个三个供能系统：磷酸原供能系统（磷酸原为“燃料”）、糖（糖原）酵解供能系统（糖与糖原为“燃料”） 、有氧氧化供能系统（糖与糖原、脂肪、蛋白质为“燃料”）。 根据各“燃料”的贮备量可以判断三个供能系统能够全力运转的时间，根据各供能系统释能的快慢可以判断三个供能系统的启动速度与输出功率，根据各供能系统所需的运转条件可以判断三个供能系统的地位。 CP是肌肉内高能磷酸键的贮存库贮存库，C-CP能

14、量穿梭系统使ATP水解与ATP再合成紧密耦联。 启动：启动：“最早起动、最快利用最早起动、最快利用”和最大功率输出和最大功率输出的特点。的特点。输出功率：最大输出功率可达每千克干肌每秒输出功率：最大输出功率可达每千克干肌每秒1630毫摩尔毫摩尔P。可维持最大供能强度运动时间：约可维持最大供能强度运动时间：约68秒钟。秒钟。（磷酸原储量有限，（磷酸原储量有限，ATP为每千克湿肌为每千克湿肌4.7-7.8mmol，CP为每千克湿肌为每千克湿肌20-30mmol。）。）运动项目：与速度、爆发力关系密切之项目，如运动项目：与速度、爆发力关系密切之项目，如短跑、投掷、跳跃、举重及柔道。短跑、投掷、跳跃、

15、举重及柔道。 （在短时间最大强度或最大用力运动中起主要供（在短时间最大强度或最大用力运动中起主要供能作用。）能作用。）供能方式：无需氧参与，直接水解供能方式：无需氧参与，直接水解ATP中高能磷中高能磷酸键，或由酸键，或由CP传至传至ATP后直接水解。胞液进行。后直接水解。胞液进行。3.不同强度运动时磷酸原储量的变化（1）极量运动至力竭时，CP储量接近耗尽，达安静值的3以下，而ATP储量不会低于安静值的60。这时，CP分解是ATP合成的基本途径。（2）当以75最大摄氧量强度持续运动时达到疲劳时，CP储量可降到安静值的20左右，ATP储量则略低于安静值。这时，ATP合成由CP分解提供外，主要由糖酵

16、解和糖的有氧氧化提供。（3）当以低于60最大摄氧量强度运动时，CP储量几乎不下降。这时，ATP合成途径主要靠糖、脂肪的有氧代谢提供。 最大摄氧量（VO2max） 指身体发挥最大功能水平，每分钟摄入并供组织细胞消耗的氧气量，一般人的最大摄氧量为2-3l/分钟，经常参加体育运动的人可达4-5l/分钟，在进行有氧耐力训练时，可以之为指标确定运动强度。通过运动负荷实验，此数据可以较易测得。相关知识 一般说来，最大摄氧量的50%约等于最大心率的55-60%，最大摄氧量的60%约等于最大心率的65-70%，最大摄氧量的70%约等于最大心率的75-80%，最大摄氧量的80%约等于最大心率的85-90%。最大

17、心率可用220-年龄估算。 一般以最大摄氧量的50-60%作为有氧性运动训练，以大于最大摄氧量的100%强度为无氧性运动训练。4运动训练对磷酸原系统的影响(1)运动训练可以明显提高ATP酶的活性；(2)速度训练可以提高肌酸激酶的活性，从而提高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恢复期CP的重新合成；(3)运动训练使骨骼肌CP储量明显增多，从而提高磷酸原供能时间；(4)运动训练对骨骼肌内ATP储量影响不明显。二、糖酵解供能系统糖酵解糖酵解 糖原或葡萄糖无氧分解生成乳酸，并合成ATP的过程为糖的无氧代谢，又称为糖酵解。（一）糖酵解供能的基本过程亚细胞定位：细胞浆底物：葡萄

18、糖、（肌）糖原终产物：乳酸基本反应过程：共12步反应，如图。 1.ATP的净生成数量 1葡萄糖：生成4-消耗2=2 1肌糖原的葡萄糖单位：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。启动：以最大强度运动启动：以最大强度运动6-86-8秒时，即可激活，全力秒时，即可激活，全力运动运动30-6030-60秒时达最大速率。秒时达最大速率。输出功率：最大可达每千克干肌每秒输出功率：最大可达每千克干肌每秒1 1毫摩尔毫摩尔 P P。可维持最大功率的时间：可维持最大功率的时间：2 2分钟以内分钟以内（肌糖原储量为每千克干肌（肌糖原储量为每千克干肌350mmol350mmol葡萄糖

19、单位。）葡萄糖单位。）运动项目：速度、速度耐力项目，如运动项目：速度、速度耐力项目，如20015002001500米米跑、跑、100200100200米游泳、短距离速滑等项目；非周米游泳、短距离速滑等项目；非周期性高体能项目，如摔跤、柔道、拳击、武术等。期性高体能项目，如摔跤、柔道、拳击、武术等。供能方式：无需氧的参与，供能方式：无需氧的参与，G G或或GnGn经多步反应生成经多步反应生成ATPATP，再由，再由ATPATP水解供能。胞液进行。水解供能。胞液进行。三、有氧代谢供能系统有氧代谢有氧代谢 在氧的参与下，糖、脂肪与蛋白质氧化生成二氧化碳与水的过程。 （一）糖有氧氧化供能 （二）脂肪氧

20、代供能 （三）蛋白质氧化供能（一）糖的有氧氧化供能在氧存在的条件下，糖原、葡萄糖和乳酸有氧氧化，终产物是二氧化碳与水。1.基本过程(1)细胞质内反应阶段： 糖酵解途径糖酵解途径（G丙酮酸）。 （丙酮酸和3-磷酸甘油醛脱氢生成的NADH+H+，可经不同方式进入线粒体继续氧化。）(2)线粒体内反应阶段： 丙酮酸脱氢脱羧丙酮酸脱氢脱羧（丙酮酸乙酰辅酶A、 CO2 、H） 三羧酸循环三羧酸循环（乙酰辅酶ACO2、H） 氧化磷酸化氧化磷酸化（H、ADP+Pi、O2H2O、ATP）三羧酸循环又称柠檬酸循环、Kreb cycle。输入：乙酰CoA。输出：NADH+H+、FADH2、GTP、CO2三羧酸循环的

21、“一二三四” 1个底物水平磷酸化反应 （1分子GTP生成，最终相当于1分子ATP生成） 2个脱羧反应 （2分子CO2生成） 3个不可逆反应 （3组限速酶） 4个脱氢反应 （3分子NADH+H+、1分子FADH2生成，最终相当于3X3+2=11分子ATP生成）2.糖有氧氧化中ATP的生成量反应阶段部位底物水平磷酸化氧化磷酸化消耗1.葡萄糖丙酮酸 细胞质 4ATP2NADH+H+6(4)ATP2ATP2.丙酮酸乙酰CoA线粒体 /2NADH+H+6ATP/3.三羧酸循环2ATP6NADH+H+18ATP2FADH24ATP细胞质中NADH+H+进入线粒体氧化肌肉组织和神经细胞： 磷酸甘油穿梭 ，A

22、TP生成量为2。肝脏和心肌组织： 苹果酸穿梭，ATP生成量为3。（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.甘油分解甘油直接为肌肉供能的意义不大。（二）脂肪酸氧化供能3.脂肪酸分解脂肪酸是长时间运动的基本燃料脂肪酸是长时间运动的基本燃料。（1）脂肪酸活化：在线粒体外膜、消耗ATP，脂肪酸与CoA结合，生成脂酰CoA。（2）脂肪酰CoA进入线粒体：脂酰CoA借助内膜上的肉碱转运机制被转运至线粒体内。（3）脂肪酰CoA的-氧化（脂肪酰CoA 乙酰CoA ） ：4、脂肪分解产生的ATP数量计算公式：(Cn/2-1)X5ATP+Cn/2X12ATP-1ATP示例：十四酸(豆蔻酸

23、)、十六酸(软脂酸)、十八酸(硬脂酸) 氧化后，ATP净生成数分别为113、130、147ATP。(三)蛋白质氧化供能1. 转氨基作用 在转氨酶转氨酶作用下，某一氨基酸与-酮戊二酸进行氨基转移反应，生成相应的-酮酸和谷氨酸。重要的转氨酶：、GPT（谷-丙转氨酶）肝细胞内活性最高的转氨酶、GOT（谷-草转氨酶）心肌细胞内活性最高的转氨酶2.谷氨酸氧化脱氨基 谷氨酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶 谷氨酸+水+NAD+-酮戊二酸+氨+NADH+H+3.联合脱氨基肝、肾进行4.嘌呤核苷酸循环的脱氨基方式 心肌、骨骼肌进行氨清除的鸟氨酸循环（肝脏进行）(四)三大细胞燃料代谢的相互关系末端氧化的共同通路是三羧酸循环。

24、1.分解代谢中的关系2、相互转换的关系（1）糖极易转换为脂；（2）脂肪分子中则仅甘油部分可经糖异生作用转换为糖；（3）糖代谢过程中的酮酸可提供碳链经氨基化合成非必需氨基酸； 生糖氨基酸、生糖兼生酮氨基酸脱氨基作用后生成相应的-酮酸，再进一步转变为糖；-酮酸可经乙酰辅酶A合成脂肪酸。（4）机体几乎不利用脂肪合成蛋白质。（五）运动时有氧代谢供能 启动：安静时即在运转，只是运转速率等充分调动。 维持运动时间： 肌糖原储量以有氧方式氧化，可供大强度运动1-2小时能量之需。 脂肪储量理论上可供运动的时间不限，其供能随运动强度增加而降低、随运动时间延长而增高。为静息状态与低中强度运动时能量代谢的主要基质。

25、 蛋白质的主要功能是承担生命活动，故虽能在长于30分钟的激烈运动中供能，但最多不超过总耗能的18%。 输出功率：糖有氧氧化最大输出功率为糖酵解的一半，脂肪氧化最大输出功率为糖有氧氧化的一半。 运动项目：数分钟以上耐力性项目的基本供能系统。提要： 力量性运动（爆发力）：磷酸原供能系统。如投掷。 速度性运动：磷酸原供能系统（10秒内主导），糖酵解供能系统（10秒外主导）。如100米。1500米的加速与冲刺。 速度耐力性运动：糖酵解供能系统、有氧氧化供能系统。如400米。 耐力性运动：有氧氧化供能系统（高水平）。如马拉松。 时间越长、强度越小，脂肪供能比例越高。 运动后恢复：有氧氧化供能系统（较高水平）。 安静：有氧氧化供能系统（一般水平）。第四节 运动时能量的释放和利用一、运动时供能系统的动用特点(一)人体骨骼肌细胞的能量储备（70kg体重）供能物质储量mmol