运动时物质和能量代谢专家讲座

第二篇运动时物质代谢和能量代谢及其调整运动时物质和能量代谢专家讲座第1页序言物质代谢与能量代谢生物体内全部化学反应过程，统称为物质代谢。伴随物质代谢过程中能量吸收、储存、释放、转移与利用过程，称为能量代谢。运动时物质和能量代谢专家讲座第2页序言生物体燃料与能源糖、脂肪与蛋白质是细胞三大化学燃料，ATP为通用直接能源。甘油三酯（脂肪）多羟基醛、多羟基酮（糖）多肽链（蛋白质）运动时物质和能量代谢专家讲座第3页序言运动时物质和能量代谢专家讲座第4页第四章运动时物质代谢和能量代谢

运动时物质和能量代谢专家讲座第5页第一节能量代谢能量代谢关键物质是ATP。一、高能化合物普通将水解时释放标准自由能高于20．92KJ／mol(5千卡／摩尔)化合物，称为高能化合物。运动时物质和能量代谢专家讲座第6页运动时物质和能量代谢专家讲座第7页

高能化合物种类很多。主要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磷酸基转移潜势最高。运动时物质和能量代谢专家讲座第8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过程，称为生物氧化。所释放能量40%存放到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热能运动时物质和能量代谢专家讲座第9页生物氧化（线粒体）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）普通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，以热与光散发运动时物质和能量代谢专家讲座第10页（二）生物氧化路径三大营养物质（糖原、脂肪、蛋白质）生物氧化共同规律：可总结为三个阶段。运动时物质和能量代谢专家讲座第11页运动时物质和能量代谢专家讲座第12页1.生物氧化中水生成电子传递链（呼吸链）

在线粒体内膜上，一系列递氢、递电子体按一定次序排列，组成一条连锁反应体系。因为此反应体系与细胞摄取氧呼吸过程相关，故又称为呼吸链。ⅢⅠ

Ⅱ

Ⅴ

CytcQ

NADH+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-Ⅳ

运动时物质和能量代谢专家讲座第13页FADH2氧化呼吸链NADH氧化呼吸链

ATPATPATP2ATP3ATP运动时物质和能量代谢专家讲座第14页

维生素B2系FMN、FAD前体，运动员缺乏时直接引发骨骼肌有氧代谢供氧能力，引发肌收缩无力，耐久力下降。维生素PP系NAD+前体，与运动员有氧耐力和无氧耐力均相关，也是NADP+前体，与运动后合成恢复相关。运动时物质和能量代谢专家讲座第15页2.生物氧化中ATP生成

(1)底物水平磷酸化（胞液）直接由代谢物分子高能磷酸键转移给ADP生成ATP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）运动时物质和能量代谢专家讲座第16页3-磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶运动时物质和能量代谢专家讲座第17页(2)氧化磷酸化（线粒体）代谢物脱下氢，经呼吸链传递过程逐层氧化，最终生成水，同时伴有能量释放，使ADP磷酸化生成ATP过程，称为氧化磷酸化。ⅣⅢⅠ

ⅡⅤ

Q

NADH+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-运动时物质和能量代谢专家讲座第18页FADH2氧化呼吸链NADH氧化呼吸链ATPATPATP2ATP3ATP运动时物质和能量代谢专家讲座第19页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无机磷（原子）摩尔数。 在线粒体中，NADH+H+P/O比值为3、FADH2P/O比值为2。

故线粒体内NADH+H+经氧化生成3分子ATP、FADH2经氧化生成2分子ATP。而线粒体外NADH+H+上氢进入线粒体内有二种方式：NADH+H+NADH+H+NADH+H+FADH2

运动时物质和能量代谢专家讲座第20页3.生物氧化中CO2生成有机酸脱羧（-COOH)生成。示例:丙酮酸乙酰CoA

NAD+,HSCoACO2,NADH+H+

丙酮酸脱氢酶复合体

运动时物质和能量代谢专家讲座第21页提要：运动时，ATP是肌肉收缩直接供能物质。而且，ATP是能量代谢关键物质。生物氧化是三大营养物质在体内彻底氧化为水与二氧化碳并释放能量过程。能量释放是逐步、受到精密调控。生物氧化可分为三个阶段，乙酰CoA是三大营养物质氧化共有中间产物。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路径，也是能量释放最多阶段。ATP生成方式有二种，即底物水平磷酸化与氧化磷酸化。以后者为主要方式。电子传递链位于线粒体内膜，由各种酶与辅酶组成，是氧化磷酸化机构。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。运动时物质和能量代谢专家讲座第22页第二节三磷酸腺苷——ATP运动时物质和能量代谢专家讲座第23页ATP是人体内各种生命活动中最主要直接供能物质。ATP是生物体内能量贮存、利用和转化中心。人体内ATP含量不多，但每日经ATP/ADP相互转变量相当可观。运动时物质和能量代谢专家讲座第24页

ATP是肌肉收缩直接能源物质。一、ATP分子组成与生物学功效（一）ATP分子组成与结构运动时物质和能量代谢专家讲座第25页运动时物质和能量代谢专家讲座第26页（二）ATP生物学功效1.生命活动直接能源ATP-ADP循环是人体内能量转换基本方式，维系着能量释放、贮存与利用。运动时物质和能量代谢专家讲座第27页运动时物质和能量代谢专家讲座第28页2.合成磷酸肌酸运动时物质和能量代谢专家讲座第29页3.参加组成一些主要辅酶ATP是一些主要辅酶，如NADP、NAD+、FAD、CoA结组成份，参加细胞内糖、脂、蛋白质与核酸等代谢反应。4.提供物质代谢时需要能量ATP作为磷酸供体，参加糖、脂肪等分解代谢起始阶段耗能磷酸化（活化）反应。运动时物质和能量代谢专家讲座第30页二、运动时ATP利用与再合成（一）运动时肌肉ATP利用路径普通由ATP酶催化ATP末端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末端高能磷酸键也可水解释放能量。ADP+H20--AMP+Pi+30.6KJ/Mol运动时物质和能量代谢专家讲座第31页运动时，肌肉ATP利用部位与作用（1）肌球蛋白（即肌凝蛋白）ATP酶消耗ATP，引发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+，调整肌肉松弛；（3）肌膜上钠泵(Na，K-ATP酶)消耗ATP，转运Na+／K+离子，调整膜电位。据报道，仅肌质网转运Ca2+所消耗能量就占肌肉收缩时总耗能三分之一。运动时物质和能量代谢专家讲座第32页肌丝滑行原理运动时物质和能量代谢专家讲座第33页运动时物质和能量代谢专家讲座第34页运动时物质和能量代谢专家讲座第35页（二）ATP再合成路径

肌细胞中ATP含量十分有限（ATP为每千克湿肌4．7~7．8毫摩尔），但消耗量相对较大（比如，一个静卧状态人，24小时内消耗ATP约40千克。在猛烈活动时，ATP利用速率可高达每分钟0．5千克）。这一“供需”矛盾经过ATP-ADP循环来处理。运动时物质和能量代谢专家讲座第36页运动肌能量供给系统(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）运动时物质和能量代谢专家讲座第37页第三节运动时骨骼肌供能系统运动时物质和能量代谢专家讲座第38页(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运动时物质和能量代谢专家讲座第39页一、磷酸原供能系统由磷酸原（ATP、CP）分解反应组成供能系统称为磷酸原供能系统。（一）磷酸肌酸分子结构与功效1.磷酸肌酸分子结构运动时物质和能量代谢专家讲座第40页运动时物质和能量代谢专家讲座第41页运动时物质和能量代谢专家讲座第42页2．磷酸肌酸功效(1)高能磷酸基团储存库人体肌酸总量大约为120克，95%存在于肌肉。运动时物质和能量代谢专家讲座第43页2．磷酸肌酸功效(2)组成肌酸-磷酸肌酸能量穿梭系统运动时物质和能量代谢专家讲座第44页(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唯一直接能源。运动时物质和能量代谢专家讲座第45页2．磷酸原系统供能特点

开启：“最早起动、最快利用”和最大功率输出特点。输出功率：最大输出功率可达每千克干肌每秒1．6—3．0毫摩尔~P。可维持最大供能强度运动时间：约6—8秒钟。（磷酸原储量有限，ATP为每千克湿肌4.7-7.8mmol，CP为每千克湿肌20-30mmol。）运动项目：与速度、暴发力关系亲密之项目，如短跑、投掷、跳跃、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能作用。）供能方式：无需氧参加，直接水解ATP中高能磷酸键，或由CP传至ATP后直接水解。胞液进行。运动时物质和能量代谢专家讲座第46页3.不一样强度运动时磷酸原储量改变（1）极量运动至力竭时，CP储量靠近耗尽，达平静值3％以下，而ATP储量不会低于平静值60％。这时，CP分解是ATP合成基本路径。（2）当以75％最大摄氧量强度连续运动时到达疲劳时，CP储量可降到平静值20％左右，ATP储量则略低于平静值。这时，ATP合成由CP分解提供外，主要由糖酵解和糖有氧氧化提供。（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合成路径主要靠糖、脂肪有氧代谢提供。运动时物质和能量代谢专家讲座第47页最大摄氧量（VO2max）

指身体发挥最大功效水平，每分钟摄入并供组织细胞消耗氧气量，普通人最大摄氧量为2-3L/分钟，经常参加体育运动人可达4-5L/分钟，在进行有氧耐力训练时，能够之为指标确定运动强度。经过运动负荷试验，此数据能够较易测得。运动时物质和能量代谢专家讲座第48页相关知识

普通说来，最大摄氧量50%约等于最大心率55-60%，最大摄氧量60%约等于最大心率65-70%，最大摄氧量70%约等于最大心率75-80%，最大摄氧量80%约等于最大心率85-90%。最大心率可用220-年纪估算。

运动时物质和能量代谢专家讲座第49页4．运动训练对磷酸原系统影响(1)运动训练能够显著提升ATP酶活性；(2)速度训练能够提升肌酸激酶活性，从而提升ATP转换速率和肌肉最大功率输出，有利于运动员提升速度素质和恢复期CP重新合成；(3)运动训练使骨骼肌CP储量显著增多，从而提升磷酸原供能时间；(4)运动训练对骨骼肌内ATP储量影响不显著。运动时物质和能量代谢专家讲座第50页二、糖酵解供能系统糖酵解

糖原或葡萄糖无氧分解生成乳酸，并合成ATP过程为糖无氧代谢，又称为糖酵解。运动时物质和能量代谢专家讲座第51页（一）糖酵解供能基本过程亚细胞定位：细胞浆底物：葡萄糖、（肌）糖原终产物：乳酸基本反应过程：共12步反应，如图。1.ATP净生成数量1葡萄糖：生成4-消耗2=21肌糖原葡萄糖单位：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。运动时物质和能量代谢专家讲座第52页运动时物质和能量代谢专家讲座第53页（二）运动时糖酵解供能开启：以最大强度运动6-8秒时，即可激活，全力运动30-60秒时达最大速率。输出功率：最大可达每千克干肌每秒1毫摩尔~P。可维持最大功率时间：2分钟以内（肌糖原储量为每千克干肌350mmol葡萄糖单位。）运动时物质和能量代谢专家讲座第54页运动项目：速度、速度耐力项目，如200—1500米跑、100—200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。供能方式：无需氧参加，G或Gn经多步反应生成ATP，再由ATP水解供能。胞液进行。运动时物质和能量代谢专家讲座第55页三、有氧代谢供能系统有氧代谢

在氧参加下，糖、脂肪与蛋白质氧化生成二氧化碳与水过程。（一）糖有氧氧化供能（二）脂肪氧代供能（三）蛋白质氧化供能运动时物质和能量代谢专家讲座第56页（一）糖有氧氧化供能在氧存在条件下，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：

糖酵解路径（G丙酮酸）。（丙酮酸和3-磷酸甘油醛脱氢生成NADH+H+，可经不一样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

乙酰辅酶A、CO2、H）

三羧酸循环（乙酰辅酶ACO2、H）

氧化磷酸化（H、ADP+Pi、O2H2O、ATP）运动时物质和能量代谢专家讲座第57页运动时物质和能量代谢专家讲座第58页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“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）运动时物质和能量代谢专家讲座第59页2.糖有氧氧化中ATP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运动时物质和能量代谢专家讲座第60页细胞质中NADH+H+进入线粒体氧化肌肉组织和神经细胞：磷酸甘油穿梭，ATP生成量为2。肝脏和心肌组织：苹果酸穿梭，ATP生成量为3。运动时物质和能量代谢专家讲座第61页运动时物质和能量代谢专家讲座第62页（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意义不大。运动时物质和能量代谢专家讲座第63页（二）脂肪酸氧化供能3.脂肪酸分解脂肪酸是长时间运动基本燃料。（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借助内膜上肉碱转运机制被转运至线粒体内。运动时物质和能量代谢专家讲座第64页（3）脂肪酰CoAβ-氧化（脂肪酰CoA乙酰CoA）：运动时物质和能量代谢专家讲座第65页4、脂肪分解产生ATP数量计算公式：[(Cn/2-1)X5ATP+Cn/2X12ATP]-1ATP示例：十四酸(豆蔻酸)、十六酸(软脂酸)、十八酸(硬脂酸)β—氧化后，ATP净生成数分别为113、130、147ATP。运动时物质和能量代谢专家讲座第66页(三)蛋白质氧化供能1.转氨基作用在转氨酶作用下，某一氨基酸与α-酮戊二酸进行氨基转移反应，生成对应α-酮酸和谷氨酸。主要转氨酶：Ⅰ、GPT（谷-丙转氨酶）肝细胞内活性最高转氨酶Ⅱ、GOT（谷-草转氨酶）心肌细胞内活性最高转氨酶运动时物质和能量代谢专家讲座第67页2.谷氨酸氧化脱氨基

谷氨酸脱氢酶

谷氨酸+水+NAD+--α酮戊二酸+氨+NADH+H+3.联合脱氨基肝、肾进行运动时物质和能量代谢专家讲座第68页4.嘌呤核苷酸循环脱氨基方式

心肌、骨骼肌进行运动时物质和能量代谢专家讲座第69页氨去除鸟氨酸循环（肝脏进行）运动时物质和能量代谢专家讲座第70页(四)三大细胞燃料代谢相互关系末端氧化共同通路是三羧酸循环。1.分解代谢中关系运动时物质和能量代谢专家讲座第71页2、相互转换关系（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对应α-酮酸，再深入转变为糖；α-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。运动时物质和能量代谢专家讲座第72页（五）运动时有氧代谢供能开启：平静时即在运转，只是运转速率等候充分调动。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主要基质。蛋白质主要功效是负担生命活动，故虽能在长于30分钟激烈运动中供能，但最多不超出总耗能18%。输出功率：糖有氧氧化最大输出功率为糖酵解二分之一，脂肪氧化最大输出功率为糖有氧氧化二分之一。运动项目：数分钟以上耐力性项目标基本供能系统。运动时物质和能量代谢专家讲座第73页提要：ATP是生命活动直接能源，是肌肉CP合成原料之一，是NAD、NADP、FAD、CoA组成成份，是代谢活化必要参加者。在肌细胞中，肌动蛋白、钙泵、钠-钾泵均含有ATP酶活性，是肌肉ATP利用部位。ATP-ADP循环是体内能量转换基本方式，是机体处理ATP利用量与贮存量巨大矛盾需要。骨骼肌有三个供能系统：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”）。依据各“燃料”贮备量能够判断三个供能系统能够全力运转时间，依据各供能系统释能快慢能够判断三个供能系统开启速度与输出功率，依据各供能系统所需运转条件能够判断三个供能系统地位。CP是肌肉内高能磷酸键贮存库，C-CP能量穿梭系统使ATP水解与ATP再合成紧密耦联。运动时物质和能量代谢专家讲座第74页提要：力量性运动（暴发力）：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，脂肪供能百分比越高。运动后恢复：有氧氧化供能系统（较高水平）。平静：有氧氧化供能系统（普通水平）。运动时物质和能量代谢专家讲座第75页第四节运动时能量释放和利用一、运动时供能系统动用特点(一)人体骨骼肌细胞能量贮备（70kg体重）供能物质储量mmol/