人体活动能源
能量提供是通过体内能源物质的氧化或酵解来实现。这些能源物质包括糖、糖元、脂肪和蛋白质等,人体每天以食物的形式吸收能源物质,在氧的参与下将能源物质氧化产生能量,供给人体活动使用。在氧气供应不足时,上述能源物质还会以无氧酵解产生能量。
一、人体活动的直接能源
人的肌肉、神经元和其他细胞活动的能源直接来自人体的三磷酸腺苷(ATP)。这是一种高能磷化物。人体内每1摩尔(mol)ATP分解时能产生33.6~42千焦的能量。ATP贮存在人体各细胞中,肌肉活动时,贮存在肌纤维中的ATP在ATP酶的催化下,迅速分解成二磷酸腺苷(ADP)和无机磷(Pi),并释放能量。但是肌肉中的ATP含量很少,每公斤肌肉中仅含千分之五摩尔左右。若得不到补充合成,它很快会分解完。实际上,ATP是一边分解一边合成的,因此它能不断地向肌肉或其他身体组织提供活动能量。其反应式为:
ATP酶
ATP————→ADP+Pi能量
二、人体活动的功能系统
人体活动时,ATP分解为ADP与Pi并放能后,这时若能从其他功能系统获取能量,ADP与Pi又可合成ATP。着重还原合成所需的能量来自三个系统,即磷酸原(ATP-CP)系统、乳酸能系统和有氧氧化系统。
(一)磷酸原(ATP-CP)系统由细胞内的三磷酸腺苷(ATP)和磷酸肌酸(CP)这两种高能磷化物构成。酸磷肌酸(CP)分解时,能比ATP放出更大的能量。当ATP分解向细胞活动时供能时,CP随之迅速分解并向ADP输能。ADP好像一个放电后的蓄电池,当CP分解过程中产生的能向它输入后,它就好像还原为充了电的蓄电池,即还原成为恢复潜能的ATP。每1摩尔CP分解时可合成1摩尔ATP。它们通过下面的可逆反应过程取得平衡。其反应式为:
磷酸肌酸激酶
CP+ADP←——————→C+ATP
上述反应的方向受磷酸肌酸激酶(CPK)控制。在安静状态时肌肉中的高能磷化物以CP形式存在,其含量约为ATP的3~5倍。但这仍然很有限,即使全部分解,也不足以维持10秒以上的剧烈活动。磷酸原系统供能是一种无氧供能。它的供能特点是速度快时间短。它是短时爆发式活动能量的主要来源。
(二)乳酸能系统
乳酸能系统也称无氧糖酵解系统。其能量来自糖元的酵解。糖元酵解时产生的能量供应给ADP,再合成ATP。当人体进行剧烈活动达10秒以上,ATP-CP系统无力继续供能时,继续活动所需的能量主要依靠乳酸能系统提供。但是糖元酵解会产生乳酸。乳酸是强酸,一种有毒物质。当肌肉和血液中乳酸积累过度时,会使肌肉发生暂时性疲劳,导致活动能力下降。1摩尔的糖元酵解后可以产生3摩尔的ATP和2摩尔的乳酸。其反应式为:
磷酸果糖激酶
1摩尔糖元—————→3摩尔ATP+2摩尔乳酸
(三)有氧氧化系统
有氧氧化供能系统是指糖或脂肪在氧的参与下分解为二氧化碳和水,同时产生能量,事ADP再合成ATP后向肌肉或其他细胞提供活动能量。糖与脂肪的有氧氧化系统所能产生的能量比前两种供能系统大得多。例如1摩尔由糖元产生的葡萄糖,有氧氧化结果能产生39摩尔ATP,为无氧酵解的13倍。人体内的糖和脂肪都可以通过食物不断得到补充。因此有氧氧化系统是人体活动能量的最大的和最主要的供应源。糖元和脂肪都需要供应氧才能实现有氧氧化供能。若增加活动量,自然需要提供更多的氧量。有氧氧化系统所能提供的能量左,但提供的速度慢。因此,它不能满足短时爆发式剧烈活动的供能要求。但在长时间持续活动中所需的能量主要靠它来提供(朱祖祥,1993)。总之,三种供能系统各有特点,也有不同作用,如表2-1所示。
三种能量供应系统比较 表2-1
项目 |
磷酸原系统 |
乳酸能系统 |
有氧氧化系统 |
能量产生方式 |
无氧代谢 |
无氧代谢 |
有氧代谢 |
能源物质 |
ATP-CP |
糖元 |
糖元、脂肪、蛋白质 |
供能速度 |
很快 |
快 |
缓慢 |
供能数量 |
很少 |
少 |
大量 |
对人体疲劳影响 |
容易疲劳 |
容易疲劳 |
不易疲劳 |
使用场合 |
短暂剧烈活动 |
1~2min内短时间、强度大的活动 |
长时间的耐力活动 |
(资料来源:朱祖祥,1993)
(四)氧的作用和氧债
从原来的营养物质变化为能量的整个过程称作新陈代谢。这个过程需要氧。氧由肺吸入被血液所吸收,人在进行剧烈的体力活动时,呼吸速度显著加快,增大呼吸量以补充氧气摄入。当人的供氧系统跟不上氧的需要时,即造成所谓氧债状态。在工作结束后仍需要通过呼吸获得大量的氧,将乳酸合成丙酮酸和重新获得高能的磷化物,也为丙酮酸的再分解产生能量提供条件。
葡萄糖和氧气必须依靠血液来输送,所以人在进行体力活动时,人体对血液的需要量成倍地增加,循环系统为了适应这种需要而发生一系列变化:心率加快,血压升高,通往肌肉的血管扩张。
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