运动学课件运动生理基础1学习资料

运动生理学南京医科大学康复治疗学系DeptofRehabTherapeuticsofNanjingMedicalUniversity康复治疗学精品课程系列之一、运动生理学的生物学基础生物学是了解运动后生理变化的基础。有时某些生理变化非常明确，例如运动中对作功肌提供O2和营养能源，但大量的改变由于其相互作用的机理极为复杂，至今尚不能完全清楚，例如激素的效应等。除此以外，还经常见到conditioning这一词，该词的直接含义是条件化，然而在康复治疗的实践中，就很难理解，因此我们就意译为健化，这样，deconditioning就可以理解为失健。4/8/20253在本节中，给出了许多有关生物学的名词解释，但其中有很多大家已经学过，下面将挑一些与康复治疗密切相关的名词解释给大家讲解。4/8/20254能量（energy）所有生物作功其动力常直接由化学能转变而来，如游泳、跑步等运动中的能量是由食物营养物经消化吸收后所提供。所有能量均与活动有关，因此可理解为与变化相一致的动态过程，只有当出现有变化时才体现其能量存在。如作功量增大，能量必须增高。根据热动力学的第一律这一原理，能量是既不生成亦不被破坏的，仅仅是从一种形式转变成另一形式。4/8/20255三磷酸腺苷（ATP）自然界最具活力的要素。最早在1860年法国Pasteur发现它但不认识它，一直到1929年德国Lohmann发现在辅酶滤过体中存在一种不稳定物质，就是它使糖裂解。它由一个腺苷和3个磷酸盐相结合，故命名为三磷酸腺苷（adenosinetriphosphate，ATP）。其潜能贮存于磷酸链中，称之为“高能链”。ATP是所有生命细胞各种活动中均需要，并且不论是何种物质产生，其结构都是相同的，可以说ATP是生命物质燃料之能源。4/8/20256三磷酸腺苷（ATP）4/8/20257离子（ions）是任何原子或原子簇失去或获得电子后形成的带电粒子，如一原子的电子数较质子数少，即带有正电荷，如H，如原子中的电子数多于质子数则带负电荷如Cl

。盐酸（HCl）可以分解成最简单的离子形式H和Cl

。+--+4/8/20258二、能量的产生、转移和肌功能1．身体内的能量转换人体必须不断以化学能作为完成各种复杂功能的能源。在食品营养中的化学能通过复杂的酶控制进行的反应且一过性地被利用。这种方式可减少热的丧失，并且提供了在能量转换中所产生的强大效能。4/8/202510ATP能量流（energycurrent）食物中的能量以ATP的高能复合物为人体提供能量。在ATP分子中的潜能为其后能量交换过程中提供动力。所有ATP水解时均需要ATP酶激活，此时ATP最外的磷酸盐键断裂，ATP降解为二磷酸腺苷（ADP），在此反应中被释放的磷酸盐提供了约7.3kcal（30.54KJ）/克分子的游离能,因此ATP亦称高能磷复合物。4/8/202511身体内能量转换规律（1）能量存在于糖、脂质和蛋白的化学结构中，它不是突然释放的，而是在复杂的反应中缓慢地释放。（2）约有40％的营养物潜能以高能复合物ATP形式存在。（3）磷酸肌酸（CP）与ADP结合可形成ATP，因此可视CP为能量贮备以较快地重新合成ATP，ATP和CP均为高能磷酸盐。4/8/202512（4）磷酸化过程是指能量转换以磷酸盐联接的方式进行，在磷酸化时，ADP和肌酸均不断再进入循环以形成ATP和CP。（5）细胞氧化是在线粒体内进行，并包含了电子转移直至最后与O2结合成H2O。这一结合是通过能量转移和释放。（6）在需氧再合成ATP中，O2的最终转归是在呼吸链中与H结合形成H2O。因此能量转移也是细胞的主要事件（mainevent）。4/8/2025132．人体在运动中的能量转换在运动过程中，人体需要大量能量，如在剧烈运动中，肌肉中能量消耗可为安静时的120倍或更多；但在强度较低、持久性运动中，则为安静时的20～30倍。4/8/202514能量可从三个不同层次获取（1）即刻能量ATP－CP系统：如在100m冲刺、25m游泳或举重时，几乎毫无例外地在那些参与的肌群中，由贮备高能磷酸盐ATP和CP提供。约5～12mmol的ATP和15～20mmol的CP/Kg肌肉，如假定某些运动中有20kg肌肉参与运动，则这些量只能维持轻快步行1min，慢跑20～30s，极快跑约6s，如超过这一时限，由于能源耗完，运动能力立刻下降。而任何运动均远远超过此量，为此必须有其他途径进行能量补充。4/8/202515（2）短时能量—乳酸系统在剧烈运动中，超过限度后，高能磷酸盐必须迅速再合成，此时主要通过对贮备糖原（肌糖）的无氧代谢—糖酵解来补充，结果形成乳酸。这一过程可以迅速通过底物的磷酸化过程提供ATP。由于此时供氧不足，所以糖代谢分解只能形成乳酸。4/8/202516乳酸并不是在任一水平运动中均产生堆积，在轻至中等强度运动中，生成的乳酸可以很快被氧化，因此O2摄取量增加但血乳酸基本保持稳定。当运动强度增至个体最大有氧代谢能力的55％时，乳酸开始增高，亦此时开始出现组织缺O2，此时的能量主要由糖无氧酵解提供,过多的H＋促使丙酮酸形成乳酸。如此时运动强度仍继续很大，则乳酸不断增加，这一血液中乳酸增高的拐点一般称之为无氧阈或乳酸阈，通常是在最大吸氧量的55％～65％之间。4/8/202517不同运动强度下血乳酸浓度改变（与最大吸氧量相对应）

4/8/202518（3）长期的能量—有氧系统有氧代谢反应在运动后阶段的能量提供极为重要，特别在剧烈运动时间长于2～3min。在慢跑中由于O2供应充分，此时细胞利用O2的能力称为摄氧能力。摄氧能力常与体形大小相关，即体形愈大摄（耗）氧愈多，通常为250ml/min（安静基础代谢时平均为160～290ml/min），摄氧还随运动时间延长而增高，如慢跑4min时摄O2量可达1.6L/min，此时血液中乳酸量不增高。尽管在糖有氧代谢中仍可产生一定量的乳酸但它很快被氧化（进入三羧酸循环）或由邻近少活动肌所利用，或进入肝脏进入糖原异生作用。4/8/2025193．最大摄氧量（VO2max/min）随着运动强度和时间的增加，个体的摄氧能力不断增高，当再进一步增强作功时，摄氧能力不再升高甚至有所降低，这就是达到了最大摄氧量。衡量VO2max/min的两个指标是：主观上已筋疲力尽，客观检查中CO2呼出远超出O2的吸入即呼吸商（RQ），其值超过1.1（正常为0.82）。4/8/202520影响VO2max/min的因素运动模式：不同肌群参与，其值不同，如活动平板下肢最高，而上肢功率车运动则仅为下肢的70%，游泳则较低。遗传：到底遗传对VO2max影响有多少，至今尚有争议。训练状态：通过有效训练后可改善VO2max6％～20％。性别：通常女性低于男性15％～30％，即使在有训练的运动员中其差别仍存在，只是缩小到10％～20％。4/8/202521身体成分：可有70％的差异，可能更与体表面积、身体质块（bodymass）、瘦体重、肢体容积相关。年龄：6岁时VO2max大致为1.0L/min，而16岁最高为3.2L/min（女性为14岁达最高），在14岁时男女相差为25％，至16岁相差可达50％。相对值在体重校正后男性在6～16岁间基本恒定为53ml/kg/min，女性6岁时52.0ml/kg/min，16岁时降至40.5ml/kg/min。在25岁后无论男女每年下降1％，到55岁时比22岁时下降27％。4/8/202522肌纤维类别快缩纤维（fast-twitchfiber）或称Ⅱ型肌纤维，它具有较高糖酵解能力和收缩速率快的特点。慢缩纤维（slow-twitchfiber）即称Ⅰ型肌纤维，其收缩速度仅为Ⅱ型纤维的一半,由于这些纤维其有较多的线粒体和高浓度的氧化酶，所以可以持续地进行有氧代谢。4/8/202523快缩纤维适于需急停急动的运动项目如篮球、足球、曲棍球等，而慢缩纤维则见于中、长距离跑、游泳等耐力性运动项目中。过去认为肌纤维类型是先天形成，因为据单卵孪生子中其分布基本相同，而双卵孪生子中则呈随机性。但近年来研究证实，当进行相应支配神经改变后可以发生肌纤维类型的改变，长期的训练也可改变其类别。4/8/202524运动单位运动的功能单位称为运动单位。由脊髓前角运动神经元发出的终末支，与不同数量、具有相似生化和生理特性的肌纤维相连接形成运动终板。这种由运动神经元的终末支及其所支配的肌纤维合称为运动单位。4/8/202525⑴运动终板（motorend-plate）亦称神经肌肉联接（neuromuscularjunction）即穿入肌肉后的轴索，神经纤维末梢在鞘膜下形成若干个较小的轴索分支，其末段即为突触前末梢，它与肌纤维的内膜非常靠近但不直接接触，而是被接头间隙隔开，分别形成突触前膜和后膜。当神经冲动到达神经末梢时，前膜的通透性发生改变，使膜外的Ca进入神经末梢的轴浆中，使轴浆内含乙酰胆碱泡集中到前膜附近，并向接头间隙中释放乙酰胆碱。在后者刺激下突触后膜产生去极化，冲动传导肌肉产生兴奋（收缩），同时胆碱脂酶使乙酰胆碱立即分解失活，以准备迎接下一个兴奋冲动。2+

4/8/202526神经肌肉接头处微解剖结构示意

4/8/202527（2）运动单位类型I型即缓慢-氧化型(SO),Ⅱa型快速氧化—糖原分解型（FOG）Ⅲb型即快速—糖原分解型（FG）。4/8/202528不同运动形式对骨骼肌的影响

——见《运动学》书64页表格

4/8/202529三．运动对营养物代谢的影响人体营养素大营养素糖、脂肪和蛋白质小营养素维生素、微量元素等4/8/202531糖类代谢糖是人体组织细胞的重要组成成分之一，在体内的含量虽然较蛋白质和脂肪少，但它是人体能量的重要来源。4/8/202532糖在体内的代谢过程食物中的糖经消化道分解血液一部分到肝脏，合成肝糖原一部分到肌肉，合成肌糖原一部分被组织直接氧化利用4/8/202533

肌糖原是运动中的主要能源，随着运动方式、运动强度、时间、饮食条件、训练水平和周围环境不同而变化，运动强度越大，肌糖原利用越多。肌糖原是维持肌肉作功的主要能源，至少在开始的40～60min运动中如此。以后当肌糖原分解减少时，肌肉摄取和利用葡萄糖（可从肝糖原分解或糖原异生而来）逐渐成为愈来愈重要的能源。在70%～80%VO2max强度下持续运动1～2h，可几乎完全用尽肌糖原而出现衰竭。

4/8/202534脂肪代谢脂肪是一种含能量最多的物质，在体内氧化释放能量，是人体运动时重要的供能物质。脂肪是构成细胞的组成成分。脂肪大部分是贮存在皮下结缔组织、内脏器官周围和大网膜等处。4/8/202535脂肪的体内代谢过程以储存性脂肪的形式存留起来。参与构成人体组织。再分解为甘油和脂肪酸等，然后直接氧化成二氧化碳和水，或转变为肝糖原等。被各种腺体利用生成其特殊的分泌物，如外分泌腺产生的乳汁、皮脂，内分泌腺分泌的类固醇激素等。4/8/202536蛋白代谢蛋白质是生命的基础，是建造、修补和再生组织的主要材料，在耐力型运动中蛋白在能量底物中亦具有重要作用。4/8/202537四．运动对呼吸系统的影响肺泡人体肺泡约有三十亿个，如把每一肺泡张开可达60～80m，约为人体表面积的35倍以上。肺泡极薄且有弹性的肺泡壁使肺和血管中的气体交换成为可能。肺泡比身体其他器官有更丰富的血流供应，无数毛细血管与肺泡密切相依，使气体极容易在肺泡和血管之间进行弥散。肺泡通气的主要功能即在于无论在安静或运动时，维持最佳的体内血O和CO浓度。2224/8/202539Valsalva效应人在深吸气后，如果关闭声门，用力收缩呼气肌，此时胸腔内压力可高达150mmHg以上，这时立即产生调节反应：即血压迅速升高，以使血液从心脏进入血管内，同时静脉内压较低易受压而使血流进入心脏减少，进而排出量减少，紧接着出现血压下降，使脑血供减少产生头晕，甚至昏倒，这一现象称为Valsalva效应。4/8/202540肺通气指标用力肺活量（FVC）：在一次呼吸中，从最大吸气至最大呼气即为用力肺活量，它由潮气量、补呼气量、补吸气量组成。（正常健康年轻男性为4～5L，女性为3～4L，运动员最高可达8.1L）。潮气量（TV）：在平静吸和呼气时，肺进出气量。补呼气量：在平静呼出气后再用力呼气，此时呼出的气体为补呼气量，也称呼气储备量（ERV）补吸气量：在平静吸气后，如果再用力吸气，此时吸入的气体为补吸气量，或称吸气储备量（IRV）。残余肺量（RLV）：在深呼气后仍有部分气体残留肺内，这部分气量称为残余气量。4/8/202541肺容量的各项指标

4/8/202542解剖死腔在呼吸中，有部分气体虽然进入器官内，但并未进入肺泡内进行气体交换，这一部分不进入肺泡进行气体交换的气体量，即从鼻、口腔、气管和部分支气管（在呼吸性细支气管以上）的容量称之为解剖死腔量。在健康人中，解剖死腔量平均为150～250ml，约为TV的30%。由于解剖死腔的存在，使在不同呼吸频率和深度时即使肺通气量相同，可出现不同的肺泡通气量。4/8/202543通气-血流比（V/Q）通气/血流比是指每分肺泡通气量与每分肺血流量之比，该比值影响气体交换。当比值增大时，表明生理无效腔增大，说明未能很好利用肺通气。当比值减小时，表明发生了功能性短路，说明未能很好利用肺血流。正常人安静时，肺总的通气/血流比值为0.84，但各局部的并不相同，肺尖部的通气/血流比增大，可达了以上，肺下部则减小，约0.6。4/8/202544气体交换O2的供应取决于大气中的O2浓度及其分压大气中的气体组成比较恒定，即20.93%O2，79.04%N3，0.03%CO2以及少量水蒸气。在一混合气体中，一个大气压为760mmHg，不同的气体分子含量具有自己的分压，例如N3为600mmHg，O2为150mmHg，CO2为0.2mmHg。4/8/202545肺泡气与吸入的湿润气体不同，干燥的大气在吸入人体经过鼻，咽喉，气管的湿润作用，其压力实际为760－47mmHg=713mmHg，且CO2已从血管进入肺泡，因此各气体含量是N380.0%，O214.5%，CO25.5%，这一分压与血液内和大气中气体交换分压存在明显差别，气体即从分压高处向低处转移，完成肺泡和血液内气体的交换。4/8/202546安静时体内气体交换的压力梯度4/8/202547O2在血液中以两种形式存在物理溶解于血液中，这种形式极少，仅有0.3ml溶解于血液中。其他均与血红蛋白（Hb）结合，达到转运的目的。4/8/202548CO2转运：当细胞中产生CO2时，它会通过弥散进入血液，然后通过静脉至肺。少量溶解在血浆中（约5%）。另外约20%与Hb结合，反应的方程式为：（CO2+HbNH→HbNHCOOH）（氨基甲酰血红蛋白）。大量的二氧化碳与水结合（60%～80%，CO2+H2O→H2CO3）。4/8/202549氧合血红蛋白分离曲线4/8/202550运动影响（1）运动中摄氧量的变化，主要受三个方面生理因素的影响：①人体直接从大气获取O2的通气功能。②血液循环运载气体的功能。③组织对O2的摄取利用功能。4/8/202551通常人体通气功能有相当大的容量范围。在需O2极大的运动情况下，呼出气体中剩余的O2量还是很大的，因此通气能力对摄O2量的限制并不显著。而血液运载气体和组织对O2的摄取则受心输出量、组织内血管网的开放程度和血液有效成分的限制，它们的容量范围相对较小，因而在很大程度上制约着摄氧量的增大，也即制约着运动能力。4/8/202552“稳定状态”（steadystates）：在轻或中等强度运动中，只要运动强度不变，摄氧量能够满足需氧量，即能量消耗恒定时，摄氧量便能保持在一定水平的稳态。4/8/202553进入工作状态在运动刚开始的短时间里，因呼吸、循环系统的调节比运动系统迟缓，O2在体内的运输滞后，致使摄氧量水平不能立即到位满足身体的需氧量，而是呈指数函数曲线样逐渐上升，运动过程的这个时期我们称为进入工作状态。举例：中长跑开始阶段出现的“拐点”4/8/202554“进入工作状态”这一阶段的摄氧量与“稳定状态”推断的需氧量相比，其不足部分即无氧供能部分，我们传统上称为“氧亏”（oxygendeficit）4/8/202555当运动结束进入恢复期时，摄氧量也并非从高水平立即降至安静时的水平，而是逐渐移行到安静水平。这一超过安静水平多消耗的O2，传统上被称为“氧债”（oxygendebt），并认为“氧债”与总的“氧亏”等量。4/8/202556（2）最大摄氧量概念：随着运动强度和时间的增加，个体的摄氧能力不断增高，当再进一步增强作功时，摄氧能力不再升高甚至有所降低，这就是达到了最大摄氧量。强度逐级加大的运动实验中，若人体已经达到最大摄氧量后，运动强度继续加大，则会导致乳酸大量积聚，呼吸商可超过1.10，H+浓度升高，乳酸被缓冲物中和，分解排出更多CO2。4/8/202557呼吸的指标安静大运动量后呼吸频率(f)10次/min50次/min潮气量(VT)0.6L/min3.2L/min每分通气量(VE)6L