代谢和能量系统要点课件

1、代謝和能量系統(METABOLISM, AND THE BASIC ENERGY SYSTEMS)卡和仟卡(Calorie and Kilocalorie)w能量在生物系統是以卡(calories, cal)來測量.1 cal 是讓 1 g 的水升高 1C from 14.5C to 15.5C.w 在人體能量是以 kilocalories (kcal)來表示, 也就是 1 kcal = 1,000 cal.w 我們常說每天消耗3000卡(cal)，事實上是指3000kcal. 細胞活動所需的能量w食物經由分解轉換成ATP.wATP 是一個高能量的化合物儲存方今於細胞內，是我們休息和運動時的能

2、量來源.能量來源(Energy resources)w休息時, 人體大部份使用脂肪當能量，少部分使用糖類當能量.w蛋白質幾乎不提供能量來源，而是身體組織的建構物(building blocks).w隨著運動強度增加，身體使用糖類的比例也隨著增加.醣類(Carbohydrate)w容易從食物中取得而且容易被肌肉代謝.w經過消化和吸收後, 用葡萄糖的方式被肌肉和肝臟吸收，並以肝醣方式儲存.w當肌肉需要葡萄時，肝臟中的肝醣會轉換成葡萄葡，運送至肌肉中使用以合成 ATP.w肝醣的儲存是有限的,因此會影響運動表現.脂肪 (Fat)w提供休息時和長時間、低強度運動的大部分能量來源.w身體儲存大量脂肪.w需

3、要先分解成肝油(glycerol)和三個脂肪酸(Free fatty acids) (FFA)w以 FFAs 來產生大量 ATPw產生ATP的速率比醣類慢.Body Stores of Fuels and Energy g kcalCarbohydratesLiver glycogen110 451Muscle glycogen5002,050Glucose in body fluids1562Total6252,563FatSubcutaneous and visceral7,80073,320Intramuscular1611,513Total7,96174,833Note. These

4、estimates are based on an average body weight of 65 kg (143 lb) with 12% body fat.蛋白質(Protein)w在長時間的運動中可以轉換成glucose (gluconeogenesis)以提供能量.w饑餓狀態下可產生 FFAs ( lipogenesis)提供能量.w先分解成amino acids才能轉成能量: 4.1 kcal of energy per g of protein酵素(Enzymes)w特殊的蛋白質分子，控制化學作用的進行.w英文名稱都以 “ase”結尾.w通常可控制或限制反應的進行w無氧醣解的酵

5、素於細胞質中進行(cytoplasm), 而有氧酵素則在粒線体中(mitochondria)進行.ACTION OF ENZYMESKey Pointsw 醣類, 脂肪, and 蛋白質提供人體的能量來源並轉換成 ATP.細胞代謝的能量來源w醣類 and 蛋白質提供4.1 kcal/g ，而脂肪提供 9.4 kcal/g.w ATP 是高能量化合物儲存於細胞內，釋放後就是能量來源. 1. ATP-PCr system (phosphagen system)cytoplasm2. 醣酵解系統 (Glycolytic system)在細胞質 (cytoplasm) 中進行3. 有氧系統 (Oxid

6、ative system)在粒線體 (mitochondria) or powerhouses of cell 中進行能量系統( Energy Systems)ATP MOLECULEATP-PCr Systemw這個系統快速由ADP and Pi合成ATP以避免能量在短時間內耗竭.w這項過程在無氧環境下進行.w1莫耳( mole) 的 ATP 由 1 mole 的phosphocreatine (PCr)，製造而來. 由 PCr 分解而來的能量並不用於細胞的工作，而僅用於再合成 ATP.RECREATING ATP WITH PCrATP AND PCr DURING SPRINTING肝醣

7、分解和合成醣解作用 (Glycolysis)葡萄糖分解; 可在無氧或有氧狀態下進行。肝醣合成 (Glycogenesis)由葡萄糖合成肝醣並儲存於肝臟和肌肉中。肝醣分解 (Glycogenolysis)當需要能量時肝醣可分解成 glucose-1-phosphate 以進行醣解作用。醣酵解系統Glycolytic Systemw需耍10個步驟，每個反應步驟需要特定酵素來催化，以分解葡萄糖或肝醣以合成 ATP。w通常在無氧狀態下進行。w在無氧狀態下 pyruvic acid 會變成乳酸 (lactic acid)。w1 mole 的肝醣可產生 3 mole ATP; 1 mole 的葡萄糖可產生

8、 2 mole of ATP. ATP-PCr 和 glycolytic 系統使我們的肌肉在無氧狀態下產生力量; 因此這兩個能量系統是高強度運動的主要能量來源. For Your Information有氧系統 (Oxidative System)w需要氧氧以進行分解產生能量w在粒線體 (mitochondria of cells) 製造 ATP 。w和無氧狀態下比起來，有氧系統可以製造更多的能量 (ATP) w是耐力性運動的主要能量來源。1. 醣解作用 (glycolysis)cytoplasm2. 克萊伯環 (Krebs cycle)mitochondria3. 電子傳遞鏈 (Electr

9、on transport chain)mitochondriaOxidative Production of ATPAEROBIC GLYCOLYSIS AND THE ELECTRON TRANSPORT CHAINKREBS CYCLE1. 在有氧狀態下，丙酮酸 (Pyruvic acid) 被代謝成乙醯輔酶A acetyl coenzyme A (acetyl CoA).2. Acetyl CoA 進入 Krebs cycle 和合成 2 ATP, carbon dioxide, and hydrogen.3. Hydrogen 以NADH或FADH2方式進入電子傳遞鏈 (electro

10、n transport chain).醣類的氧化 (Oxidation of Carbohydrate)4. 在電子傳遞鏈製造 ATP and water.OXIDATIVE PHOSPHORYLATION脂肪的氧化(Oxidation of Fat)w脂肪分解 (Lypolysis)三酸酣油脂 (triglycerides) 分解成一個甘油 (glycerol) 和3個脂肪酸 (free fatty acids, FFAs).wFFAs 隨著血液流到肌纖維的粒線轉，換成乙酸 (acetic acid)再轉換成乙醯輔酶 (acetyl CoA).wAceytl CoA 進入克萊伯環和電子傳遞鏈

11、.w脂肪氧化需要更多的氧氣，也產生較多的能量.Energy Production From the Oxidation of Liver GlycogenGlycolysis (glucose to pyruvic acid)34-6bPyruvic acid to acetyl coenzyme A06Krebs cycle222Subtotal532-34By oxidative Stage of process Direct phosphorylationaaRefers to adenosine triphosphate (ATP) produced by transferring H

12、+ and electrons to the electron transport chain. bThe energy yield differs depending on whether reduced nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) or reduced flavin adenine dinucleotide (FADH) is the carrier molecule to transport the electron through the mitochondrial membrane and the electron transpo

13、rt chain, with NADH yielding up to 39 molecules of a ATP and FADH yielding 37 molecules of ATP.Total37-39METABOLISM OF FATEnergy Production From the Oxidation of Palmitic Acid (C16H32O2)Fatty acid activation02-oxidation035Krebs cycle888Subtotal8121By oxidative Stage of process Direct phosphorylation

14、Total129Adenosine triphosphate produced from 1 molecule of palmitic acid蛋白質代謝(Protein Metabolism)w身體在長時間運動中使用約(less than 5% to 10%).w一些 amino acids 可以轉換成 glucose.INTERACTION OF ENERGY SYSTEMS ILLUSTRATING THE PREDOMINANT ENERGY SYSTEM那些因素決定有氧能力(What Determines Oxidative Capacity?)w 有氧酵素在肌肉中的活動力w 肌肉纖

15、維的組成 w 耐力訓練測量運動的能量消耗 (Measuring Energy Costs of Exercise)直接測量 (Direct calorimetry)measures the bodys heat production to calculate energy expenditure.間接測量 (Indirect calorimetry)由VCO2 and VO2 來計算呼吸交換率( the respiratory exchange ratio, RER).CALORIMETRIC CHAMBERMEASURING RESPIRATORY GAS EXCHANGE呼吸交換率 (Re

16、spiratory Exchange Ratio)w 休息時RER約在 0.78 to 0.80.wRER = VCO2/VO2.w RER =0.7 表示能量來自CHO，RER=1能量來自fat.Caloric Equivalence of the Respiratory Exchange Ratio (RER) and % kcal From Carbohydrates and Fats0.714.690.0100.00.754.7415.684.40.804.8033.466.60.854.8650.749.30.904.9267.532.50.954.9984.016.01.005.0

17、5100.00.0RERkcal/L O2CarbohydratesFatsEnergy% kcalMetabolic RatewRate at which the body expends energy at rest and during exercisewMeasured as whole-body oxygen consumption and its caloric equivalentwThe minimum energy required for normal daily activity is about 1,800 to 3,000 kcal/24 hrwBasal or re

18、sting metabolic rate (BMR) is the minimum energy required for essential physiological function (varies between 1,200 and 2,400 kcal/24 hr)Factors Affecting BMR/RMRwThe more fat-free mass, the higher the BMRwThe more body surface area, the higher the BMRwBMR gradually decreases with increasing agewBM

19、R increases with increasing body temperaturewThe more stress, the higher the BMRwThe higher the levels of thyroxine and epinephrine, the higher the BMRCaloric EquivalentswFood energy equivalentsCHO:4.1 kcal/gFat:9.4 kcal/gProtein:4.1 kcal/gwEnergy per liter of oxygen consumedCHO:5.0 kcal/LFat:4.7 kcal/LProtein:4.5 kcal/LExample: VO2 rest = 0.300 L/min 60 min/hr 24 hr/day = 432 L/day 4.8 kcal/L = 2,074 kcal/day.