第四章运动时物质和能量代谢

第二篇运动时物质代谢和能量代谢及其调节当前1页，总共68页。前言物质代谢与能量代谢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。当前2页，总共68页。前言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——能量货币甘油三酯（脂肪）多羟基醛、多羟基酮（糖）多肽链（蛋白质）当前3页，总共68页。第四章运动时物质代谢和能量代谢第五章运动与糖代谢第六章运动与脂代谢第七章运动与蛋白质、氨基酸代谢当前4页，总共68页。人体生命活动过程是一个消耗能量的过程。运动时，人体内尤其是骨骼肌内能量消耗大大增多。第四章运动时物质和能量代谢ATP是肌肉工作时的唯一直接能源物质，肌肉工作时ATP首先水解，但其含量少，如要保持能量的供应，必须通过其它能源物质分解代谢产生能量再合成ATP。ATP是能量代谢的核心物质。当前5页，总共68页。第一节能量代谢概述第三节运动时骨骼肌供能系统第二节三磷酸腺苷——ATP第四节运动时能量的释放和利用当前6页，总共68页。第一节能量代谢概述当前7页，总共68页。

一般将水解时释放的标准自由能高于20．92KJ／mol(5千卡／摩尔)的化合物，称为高能化合物。大多数高能化合物都含有可水解的磷酸基团，故又称高能磷酸化合物。一、高能化合物当前8页，总共68页。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。当前9页，总共68页。二、生物氧化（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。糖脂肪蛋白质CO2和H2OO2能量ADP+PiATP热能当前10页，总共68页。生物氧化体外燃烧反应式（示例）C6H12O6+6O2+38H2O——44H2O+6CO2C6H12O6+6O2——6H2O+6CO2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，以热与光散发当前11页，总共68页。（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。当前12页，总共68页。当前13页，总共68页。1.生物氧化中水的生成电子传递链（呼吸链）

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。ⅢⅠⅡⅣCytcQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-当前14页，总共68页。2.生物氧化中ATP的生成(1)底物水平磷酸化（胞液）直接由代谢物分子的高能磷酸键转移给ADP生成ATP的方式，称为底物水平磷酸化，简称底物磷酸化。（1，3—二磷酸甘油酸、磷酸烯醇式丙酮酸、琥珀酰辅酶A）当前15页，总共68页。3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶当前16页，总共68页。(2)氧化磷酸化（线粒体）代谢物脱下的氢，经呼吸链传递过程逐级氧化，最后生成水，同时伴有能量的释放，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为氧化磷酸化。ⅢⅠⅡⅣQNADH+H+NAD+延胡索酸琥珀酸1/2O2+2H+H2O胞液侧基质侧线粒体内膜e-e-e-e-e-当前17页，总共68页。当前18页，总共68页。（一）ATP的组成及结构~第二节三磷酸腺苷—ATP（二）ATP的生物学功能（三）ATP的作用特点（四）运动时肌肉ATP的利用途径（五）ATP的储量和运动时ATP的再合成当前19页，总共68页。（一）ATP的组成及结构ATP是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三分子磷酸组成。ATP分子两个高能磷酸键（～P）。~高能磷酸键N9-糖苷键磷酸键当前20页，总共68页。(二)ATP的生物学功能1、生命活动的直接能源2、合成磷酸肌酸

运动后恢复期，当ATP的合成量达到一定程度时，ATP分子内的高能磷酸基团可转移给肌酸(C)，以磷酸肌酸的形式贮存起来。ATP+C—→ADP+CP3、参与构成一些重要辅酶4、提供物质代谢时需要的能量当前21页，总共68页。营养物质O2氧化CO2和H2O能量ADP＋PiATP能量生物合成神经传导代谢反应肌肉收缩信息传递吸收分泌…………ATP－ADP循环是人体内能量转换的基本方式当前22页，总共68页。（三）ATP的作用特点ATP是肌肉工作时唯一的直接能源ATP含量少，转化率高而快ATP不能透过生物膜，只能在细胞内生成而被利用当前23页，总共68页。(四)运动时肌肉ATP的利用途径运动时，肌肉ATP利用的部位和作用是：(1)肌动球蛋白ATP酶消耗ATP，引起肌丝相对滑动和肌肉收缩作功；(2)肌质网膜上钙泵(Ca-ATP酶)消耗ATP，转运Ca2+，调节肌肉松驰；(3)肌膜上钠泵(Na,K-ATP酶)消耗ATP，转运Na+/K+离子，调节膜电位。据报导，仅肌质网转运Ca2+所消耗的能量就占肌肉收缩时总耗能的1/3。当前24页，总共68页。（五）ATP的储量和运动时ATP的再合成能量的储存和利用都以ATP为中心，而ATP在骨骼肌、心肌的储存量很少，很快就水解，就需要ATP的在合成，以维持ATP的相对稳定。从能量的观点来说，运动员运动水平的高低取决于其ATP的再合成能力。当前25页，总共68页。ATP的储量

不同组织的细胞内ATP浓度各不相同

人体骨骼肌组织细胞ATP最高，一般在4.7-7.8mmol/Kg湿肌；心肌细胞的ATP浓度较低，约为5mmol/Kg湿肌

在细胞各亚细胞器中ATP不存在ATP浓度的明显差异

研究表明，运动训练不能明显增加ATP储量，肌细胞也不能直接吸收血液或临近细胞的ATP。运动时，骨骼肌消耗的ATP必须随时得到补足，才能维持正常的能量平衡。当前26页，总共68页。肌细胞中可提供能量再合成ATP的代谢系统包含下列三条供能系统：⑴高能磷酸盐如磷酸肌酸分解—磷酸原供能系统⑵糖无氧分解—糖酵解供能系统⑶糖、脂肪、蛋白质有氧氧化—有氧代谢供能系统运动时ATP的再合成ATP合成基本上是ATP水解过程的逆转：ADP+Pi+能量ATP+H2OATP合成的能量依赖于细胞内能量物质的分解。当前27页，总共68页。ATP的再合成包括磷酸肌酸分解、糖酵解及有氧氧化三条途径，构成运动时骨骼肌内的三个能量供应系统。（一）磷酸原（ATP-CP）供能系统（二）糖酵解（乳酸能）供能系统（三）有氧代谢供能系统第三节运动时骨骼肌供能系统当前28页，总共68页。磷酸原：ATP、CP分子内均含有高能磷酸键，在代谢中均能通过转移磷酸基团的过程释放能量，所以将ATP、CP合成磷酸原。（一）磷酸原（ATP-CP）供能系统磷酸原供能系统：由ATP、CP分解反应组成的供能系统当前29页，总共68页。（二）磷酸肌酸（一）肌酸（四）细胞中CP的储量（三）磷酸肌酸的功能（五）磷酸原系统供能的特点（六）不同强度运动时磷酸原储量的变化（七）运动训练对磷酸原系统的影响当前30页，总共68页。（一）肌酸肌酸是一种氨基酸，它是由精氨酸、甘氨酸和蛋氨酸组成。NH2CNCH3CH2COOHNH当前31页，总共68页。（二）磷酸肌酸肌酸与磷酸通过高能磷酸酯键结合成磷酸肌酸,是力量\速度的能源基础.NHCNCH3CH2COOHNHPOHOHO~当前32页，总共68页。（三）CP的功能骨骼肌收缩不能直接利用CP分解释放的能量。所以CP不是骨骼肌的直接能源物质。CP的功能主要有以下三个方面：2、作为体内高能磷酸基团的储能库CP＋ADPC＋ATPCK（酶）1、能提供能量快速供ADP合成ATPCP＋ADPC＋ATPCK（酶）当前33页，总共68页。3、是线粒体内外能量的传递体肌酸－磷酸肌酸能量穿梭示意图当前34页，总共68页。不同组织细胞中CP的储量存在着很大的差异，细胞中CP的储量与细胞的功能有关，人的骨骼肌CP含量为15—20mmol/Kg湿肌,是ATP的3—5倍，且快肌纤维（Ⅱ型肌）的CP浓度高于慢肌纤维（Ⅰ型肌），故跑的快慢应与骨骼肌中CP的含量呈正相关，而不是ATP。（四）细胞中CP的储量当前35页，总共68页。（1）输出功率最大：大约为50瓦/千克体重（2）供能时间最短：大约6—8秒（3）磷酸原供能系统是速度、爆发力项目的代谢基础。如短跑、投掷、跳跃、举重及柔道等项目的运动，要注意加强磷酸原供能能力的训练。（五）磷酸原系统供能的特点当前36页，总共68页。（六）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，达安静时的3％以下，而ATP储量不会低于安静时的60％。2.当以75％最大摄氧量强度运动达疲劳时，CP储量可降到安静值的20％左右，ATP储量则略低于安静值。3.当以低于60％最大摄氧量强度运动时，CP储量几乎不下降。当前37页，总共68页。(1)运动训练可以明显提高ATP酶的活性。这对加快运动时ATP利用和再合成的速度，提高肌肉最大做功能力有促进作用。(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。（七）运动训练对磷酸原系统的影响当前38页，总共68页。(3)运动训练使骨骼肌CP贮量明显增多，从而提高磷酸原供能时间。(4)运动训练对骨骼肌内ATP贮量影响不明显。4运动训练对磷酸原系统的影响当前39页，总共68页。定义：糖原或葡萄糖无氧分解生成乳酸，并合成ATP的供能系统（二）糖酵解（乳酸能）供能系统当前40页，总共68页。1，6二磷酸果糖6磷酸葡萄糖肌糖原葡萄糖2（3-磷酸甘油醛）2（1，3二磷酸甘油酸）2（3-磷酸甘油酸）2（磷酸烯醇式丙酮酸）2（丙酮酸）2（乳酸）ATPADP2NADNADH+H+ADPATP2ATP2ADP2ATP2ADPLDHPFK糖酵解过程简图当前41页，总共68页。运动时，骨骼肌糖原或葡萄糖可在无氧条件下酵解，生成乳酸并释放出能量供肌肉运动糖酵解过程可净合成多少分子ATP?葡萄糖2乳酸2ATP+糖原（1葡萄糖单位）2乳酸３ATP+当前42页，总共68页。(二)、运动时糖酵解供能特点1、输出功率：为磷酸原供能系统的一半，但比有氧氧化大一倍。2、供能时间：30秒达到最大，可以维持2—3分钟。3、是速度耐力项目的代谢基础，如200～1500米跑、100-200米游泳，短距离速滑等项目中，糖酵解供能能力对运动成绩有决定性作用。在一些非周期性、体能要求高的项目，如摔跤、柔道、拳击、武术等，糖酵解供能是发挥良好竞技能力的体能条件。当前43页，总共68页。定义：在氧的参与下，糖、脂肪和蛋白质氧化生成二氧化碳和水，同时释放能量合成ATP的供能系统。（三）有氧代谢供能系统糖的有氧氧化脂的有氧氧化蛋白质的有氧氧化当前44页，总共68页。糖的有氧氧化糖在有氧的条件下，完全氧化生成CO2和H2O，同时释放能量的过程。当前45页，总共68页。柠檬酸异柠檬酸(顺乌头酸)-酮戊二酸琥珀酰CoA

琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸乙酰CoA三羧酸循环HSCoAH2OH2OH2OH2O2HCO2CO22HHSCoA2H(FAD)2HHSCoA（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）GTPGDT+Pi当前46页，总共68页。糖有氧氧化中ATP的生成每分子葡萄糖完全氧化，释放能量可以合成36ATP（骨骼肌、神经组织）或38ATP（心肌、肝脏），是糖酵解的18-19倍。因此，它是长时间大强度运动时的重要能量来源。当前47页，总共68页。脂肪的有氧氧化脂肪酸的氧化主要发生在有氧代谢运动，运动时肌肉利用脂肪酸主要来源于肌细胞内的甘油三酯和循环系统中的游离脂肪酸。脂肪甘油脂肪酸+水解当前48页，总共68页。1.甘油的代谢途径脂解过程中释放的甘油，只在肾、肝等少数组织内氧化利用，而骨骼肌中的甘油释入血液循环到肝脏进行糖异生作用生成葡萄糖。甘油糖原CO2+H2O＋22ATP乳酸＋4ATP分解代谢…………当前49页，总共68页。二、脂肪酸氧化的基本过程脂肪酸是长时间运动的基本燃料。脂肪酸的活化脂肪酰辅酶A脂肪酰辅酶A进入线粒体脂肪酰辅酶A的β—氧化三羧酸循环当前50页，总共68页。脂肪酸的活化脂肪酸转变为脂酰辅酶A的过程，称为脂肪酸的活化在线粒体外膜，经酰基辅酶A合成酶催化，并由ATP提供2个高能磷酸键（ATPAMP），脂肪酸与辅酶A结合，生成脂酰辅酶A。当前51页，总共68页。脂酰辅酶A不能直接穿过线粒体内膜，借助内膜上肉碱转运机制被转运至线粒体内。脂肪酰辅酶A进入线粒体当前52页，总共68页。脂肪酰辅酶A的β—氧化三羧酸循环当前53页，总共68页。二、脂肪酸氧化时ATP的合成各种脂肪酸分解代谢方式基本相同，均能氧化产生能量。释放的能量部分以热能形式释放，其余以合成ATP方式储存，合成ATP多少依赖于脂肪酸碳链的长度（碳原子数目）。脂肪酸氧化生成ATP多少可用以下公式计算:{[(Cn2)-1]5ATP+((Cn

2)12ATP}-2ATP注:(Cn2)-1:β—氧化次数,n为C原子数5ATP:1次β—氧化脱氢生成的ATP总数(Cn2):生成乙酰辅酶A分子总数12ATP:1分子乙酰辅酶A产生12ATP2ATP:脂肪酸活化消耗的ATP数目当前54页，总共68页。蛋白质的供能代谢蛋白质氨基酸氨基酸酮酸氨+丙氨酸丙酮酸氨+谷氨酸a-酮戊二酸氨+门冬氨酸草酰乙酸氨+不同的氨基酸可生成相应的酮酸，20种氨基酸可变成相应的酮酸或中间产物，最后进入三羧酸循环当前55页，总共68页。糖原脂肪蛋白质葡萄糖脂肪酸+甘油氨基酸三羧酸循环营养物分解代谢的三个阶段HSCoAO22H++2eATPADP乙酰CoA2H++2eO2ADPATP+PiIIIIII当前56页，总共68页。各阶段反应和能量变化的特点第一阶段：营养物分解为其构成的单位；释放1%蕴藏能量，并以热能形式失散，不能贮存。第二阶段：生成二碳化合物（乙酰CoA）；释出约总能量的1/3，其中部分以ATP贮存。第三阶段：三羧酸循环和氧化磷酸化；释出约总能量的2/3，其中大多以ATP贮存。当前57页，总共68页。（四）三大细胞燃料代谢的相互关系糖、脂肪和蛋白质代谢的相互关系糖、脂肪和蛋白质之间相互转换当前58页，总共68页。糖、脂肪和蛋白质在分解代谢方面的关系突出表现在：未端氧化的共同途径是三羧酸循环。糖和脂肪酸氧化分解均可生成乙酰辅酶A，加入三羧酸循环进一步氧化分解，生成二氧化碳和水，并同时合成大量ATP；氨基酸经脱氨基作用生成相应的-酮酸从不同部位加入三羧酸循环。糖、脂肪和蛋白质代谢的相互关系当前59页，总共68页。糖、脂肪和蛋白质之间相互转换的难易程度有很大区别。糖、脂肪和蛋白质之间相互转换糖与脂肪的相互转换糖与蛋白质的相互转换脂肪与蛋白质的相互转换当前60页，总共68页。（一）糖与脂肪的相互转换在体内糖极易转换为脂肪。如摄入过量的糖，则富余的糖经磷酸二羟丙酮转换成甘油，经乙酰辅酶A合成脂肪酸，并进一步合成甘油三酯。脂肪分子中则仅甘油部分可