运动时骨骼肌的能量供应过程
2014-05-16广州体育学院翁锡全
● 广州体育学院 翁锡全
人体的任何运动方式都是骨骼肌收缩引起的，而肌肉收缩过程需要消耗能量，这些能量来自于肌细胞内能源物质的无氧和有氧代谢过程，来自于磷酸原、糖酵解和糖、脂肪有氧代谢等4个供能系统。能量产生的速率和多少，直接决定骨骼肌的工作能力，运动时能量来源选择主要与运动强度和持续时间有关（图1），因此，了解运动时骨骼肌的能量供应特点，可为不同项目运动训练计划的制订提供理论依据。
图1 人体运动时能源物质利用顺序及其代谢方式
1 运动时骨骼肌的能源物质
人体内能源物质主要包括高能磷酸化合物、糖、脂肪和蛋白质四大类，其中，高能磷酸化合物主要是ATP（三磷酸腺苷）和CP（磷酸肌酸）。ATP水解产生能量是肌肉工作时的唯一直接能量来源，其储量少，约为6 mmol/kg湿肌；CP是体内快速能量的储存体，其含量相对ATP要多，约为20 mmol/kg湿肌。人体的糖有2种形式，一种是储存形式，包括肌糖原和肝糖原，分别为350～400 g和70～100 g；另一种是运输形式，主要是指血液中的葡萄糖，约为6 g。脂肪是人体内含量最多的能源物质，主要存在于骨骼肌和脂肪组织，总量约有12 500 g。人体内蛋白质与脂肪和糖不同，无固定的贮存量与贮存部分，它是细胞主要组成成分，主要执行机体生理机能。成人体内每天总计有600 g蛋白质被分解及再合成，其中肌肉蛋白质占450 g，但一般情况下，运动中蛋白质不参与代谢供能，只有在长时间大强度运动且糖大量消耗的情况下，才动用蛋白质供能，但也仅占总能耗的20%以内。
2 不同运动状态下骨骼肌的能量供应过程
骨骼肌收缩时的直接能源是ATP，但肌肉中ATP的储量少，在ATP分解的同时，其他能源物质必须分解释放能量再合成ATP，才能作为肌肉工作的能量。由于不同能源物质分解代谢方式及途径不同，其再合成ATP的速率也不同（表1）。因此，人体运动时的运动状态不同，其能量供应过程及比例也不一样（表2、表3）。
2.1 短时间极量运动时的能量来源
表1 运动时骨骼肌的能量来源
人体在进行短时间极量运动时（如力量、速度项目），由于ATP是肌肉工作时的唯一直接能源物质，因此，最先供给肌肉收缩的能量来自肌肉中的ATP的分解。
表2 跑步运动的能量供应
表3 游泳运动的能量供应
人体骨骼肌内ATP的储量少且稳定，而CP储量比ATP多，且含有高能磷酸键，其再合成ATP的速率最快，因此，当肌肉活动时，ATP分解产生ADP，而ADP可以促使体内的CP分解为肌酸（C）和磷酸（Pi），同时释放能量提供给ADP重新合成ATP。这个过程可供运动时间约在10 s以内，是人体进行短时间极量运动时的主要能量来源。以上由ATP、CP分解反应组成的供能系统，称为ATP—CP供能系统，也叫磷酸原供能系统。运动中主要以磷酸原供能的项目有举重、投掷、跳跃、短跑及运动强度大、时间在10 s内完成的项目及动作等。
2.2 短时间高强度运动时的能量来源
当人体进行超过10 s的高强度运动时，骨骼肌内的高能磷酸化合物已不能满足机体对能量的需求，这时，由于机体处于极度缺氧状态，骨骼肌只能动用储量更丰富的肌糖原进行无氧代谢（糖酵解）以供能。骨骼肌依靠糖在无氧条件下分解生成乳酸同时释放能量合成ATP的过程，称为糖酵解供能系统。糖酵解供能速率仅次于磷酸原供能系统，但由于体内糖的储备量相对较多，其供能的最大速率为30～90 s，最长可维持2～3 min。因此，糖酵解是速度耐力项目（如400 m跑、100 m游泳）或中长跑、游泳、球类等项目运动员完成加速和冲刺时的主要供能方式。
2.3 长时间大强度运动时的能量来源
人体进行长时间大强度运动中，在糖酵解供能的同时，由于糖有氧氧化时所需的氧比脂肪少，因此，随着机体获氧量的逐渐增加，骨骼肌内ATP再合成的能量逐渐过渡到以糖的有氧代谢为主。糖的有氧代谢是指在氧的参与下，糖彻底氧化生成二氧化碳和水，同时释放能量合成ATP的过程，这个供能过程构成的供能代谢系统称为糖有氧代谢供能系统。糖氧化供能的输出功率比脂肪大一倍，故对长时间大强度运动而言，体内糖的储量对运动能力有较大的影响。运动中主要以糖酵解代谢供能的项目有3 000 m、5 000 m、10 000 m跑和1 500 m、3 000 m游泳以及公路自行车等。
2.4 长时间中低强度运动时的能量来源
人体在长时间持续运动中，随着强度的降低，体内氧气供应充足，这时不仅糖进行有氧代谢, 脂肪也可进行有氧分解提供能量进行ATP的再合成。脂肪有氧代谢时首先分解为脂肪酸和甘油，最后彻底氧化为二氧化碳和水，并主要通过氧化磷酸化合成ATP。一般来说，运动时脂肪供能的重要性随运动强度的增大而降低，随运动持续时间的延长而提高，因此，促进脂肪供能可以提高运动员长时间最大耐力的运动能力。运动时主要以脂肪有氧代谢供能的项目有马拉松、铁人三项、超长距离滑雪等。
在长时间运动时，蛋白质有氧代谢供能的比例也会增加，蛋白质水解为氨基酸后，进一步分解为乙酰辅酶A，进入三羧酸循环氧化并释放能量合成ATP。此外，也可以经葡萄糖—丙氨酸循环进行糖异生，以维持血糖稳定。长时间运动时，5%～10%甚至更多的能量来源于氨基酸分解氧化。如在90 min的高强度训练中，蛋白质能为肌肉提供高达20%的能量供应。
3 小 结
运动时骨骼肌的能量主要来自于ATP、CP、糖、脂肪、蛋白质5种能源物质的6个供能过程组成的四大供能系统，但是，不同运动项目运动中起主导作用的能量系统并不一样，即不同运动项目供能系统参与比例具有明显的项目特征。因此，可以通过控制运动训练的强度和时间，制订出符合项目特点的训练方法和手段，达到发展专项素质既定供能系统能力的目的。
