運用生物化學原理揭示人體肌肉運動的主要能量來源

[摘要]文章運用了生物化學及運動生物化學原理，論述了人體在運動中，供能的物質來源糖類和脂類。它們通過生物氧化過程，提供人體運動所需的能量——三磷酸腺苷(ATP)。

[關鍵詞]運動 糖類 脂類 能量來源

生物化學是用化學的方法和理論研究物質的組成、結構以及化學變化的一門科學。運動生物化學是體育科學的一門重要基礎學科。它是在生物化學和生物學的基礎上發展起來的，運動生物化學是認識運動時生理機能的銳利機器。用生化原理、手段揭示和闡明人體運動時的生化機制，也是運動生物化學的重要任務之一。

眾所周知，生命在于運動，然而，最明顯、最常見的應該是肌肉運動。那么，肌肉運動收縮時的能量從何而來?一般說來，肌肉活動時的能量直接來源于三磷酸腺苷——ATP，從ATP裂解成ADP和磷酸同時釋放能量，就是肌肉收縮的能量來源。ATP在肌肉中的儲存和連續再合成成為維持肌肉收縮，保證肌肉運動進行的重要條件。然而，ATP又是怎樣產生的呢?能量供應是人體生命的基礎，所以列寧說“把能量理解為物質的運動”。

人的機體內一切能量都是通過一定的物質形態變化而實現的。這些物質主要是糖類、脂類。

一、糖類

糖類是一大類有機化合物，其化學本質為多羥醛多羥酮及其衍生物或多聚物。糖類是自然界最豐富的物質之一，廣泛分布于幾手所有生物體內，其中以植物中含量最多，約為80%～95%。糖在生命活動中的主要作用是提供能量和碳源。人體所需能量的50%～70%來自于糖。食物中的糖類主要是淀粉。淀粉被消化成基本組成單位葡萄糖后，以主動方式被消化入血。在機體的糖代謝中，葡萄糖居于主要地位，它的多聚體糖原是糖在體內的儲存形式，血液運輸的也是葡萄糖。lmol葡萄糖徹底氧化成二氧化碳和水可釋放2840KJ的能量。其中約40%轉化為ATP，以供機體生理活動所需的能量。

現在讓我們看看葡萄糖產能的基本過程：葡萄糖入血后，在體內首先需進細胞。這是依賴葡萄糖轉運體實現的。現已發現有五種葡萄糖轉運體(GLUTl-5)，它們分別在不同的細胞中起作用。如GLUTl主要在紅細胞中起作用，GLUT4主要在脂肪和肌組織起作用。糖代謝主要是指葡萄糖在體內的一系列化學反應。它在不同類細胞中的代謝途徑有所不同，其分解代謝方式還在很大程度上受氧供狀態的影響。在缺氧時，葡萄糖進入無氧代謝也稱糖酵解。基本反應過程：第一階段是由葡萄糖分解成丙酮酸；第二階段丙酮酸轉化為乳酸。全部過程產生兩個ATP，這對肌肉收縮更重要。因為，肌肉中的能量ATP含量很低，僅5-7μmol／L新鮮組織，只要肌肉收縮幾秒鐘即耗盡。這時，即使氧不缺乏，但因葡萄糖有氧氧化的反應過程比無氧氧化(糖酵解)長，來不及滿足需要，而通過糖酵解則可迅速得到能量。人在安靜時，肌肉的能量消耗率小，ATP分解率低，只需維持正常的代謝需要。由于人體的最大攝氧量一般為每分鐘2～4升，故人在安靜時，ATP來源或合成反應完全來自有氧代謝，當人體進入大強度的肌肉活動時，以及人體由安靜轉入活動狀態時，或由活動較慢狀態轉入活動更快的狀態時，糖的分解率顯著提高。由于內臟器官的惰性較大，氧氣供應不可能立即達到最高的水平，即使達到最高的供氧水平，由于有氧代謝生成ATP的速率較慢也不可能滿足大強度的活動需要。如優秀的運動員最大攝氧量每分鐘可達4～6升，而短跑時每分鐘40升。即使是短跑一開始組織得到的氧氣數量就達到4～6升(實際不可能)，也遠遠不能滿足短跑的需要。在這種情況下，糖酵解產生ATP太重要了。肌肉有了無氧代謝這一重要能源途徑，才能進行各種極限強度的活動。由此可見，糖無氧代謝的生理意義在于迅速為肌肉提供能量。這一功能是脂肪、蛋白質無法代替的。

無氧代謝是生物發展史上一條十分古老的代謝途徑，在進化道路上經歷了漫長的歲月一直保留到今天，但是，人體肌肉獲得能量的主要方式是有氧代謝。有氧代謝大致分三個階段。第一階段：一分子葡萄糖分解成丙酮酸。第二階段：進入線粒體，氧化脫羧生成乙酰輔酶A。第三階段：乙酰輔酶A進入三羧酸循環及氧化磷酸化。全部階段共產能量38個ATP。人體安靜時，ATP的代謝率低，磷酸肌酸(CP，它是一種高能化合物，來自于ATP)，乳酸也不堆積，有氧代謝就可以滿足要求，故有氧代謝是人體安靜時產生能源的方式。

當人們由靜到動，由慢到快時，ATP的代謝率高，動用磷酸肌酸，糖酵解發生，由于糖酵解和磷酸肌酸的供能有限，只能滿足持續工作時間較短的工作項目的需要，持續時間較長的運動項目的ATP再合成，就主要依靠有氧代謝，故有氧代謝是持久工作產能的主要反應。運動停止后，人體便處于恢復階段，其中包括糖元和CP的恢復，以及乳酸的消除。由于CP為肌肉大強度的工作和應急時的能源，故CP的恢復不僅發生在運動停止后，一旦運動過程中ATP的有氧合成率大于分解率時，也可發生CP的恢復(ATP+C→CP+ADP)，以保證肌肉再次大強度工作和應急時的需要，恢復過程要消耗能量，所耗之能皆直接或間接來自有氧代謝生成的ATP，故有氧代謝還是人體運動時和運動后恢復過程的能源。有氧代謝能力強，則恢復快，反之則恢復慢。所謂有氧代謝是無氧代謝或運動的基礎，就是指的恢復過程。

由于有氧代謝能力主要取決于內臟器官的功能水平，而內臟器官的功能水平又是健康的主要標志，故有氧代謝與人體的健康水平相關。由此可見，在身體運動中，除了長時間運動項目必須主要發展有氧代謝能力外，以無氧代謝為主的短時運動項目對有氧代謝也有一定的要求，這樣才能使無氧代謝運動后的恢復過程既快又好，從而把無氧代謝能力提高到更高水平。此外，為了健康，也應保證一定的有氧代謝訓練。

二、脂類

脂類是脂肪和類脂的總稱，是一類不溶于水而易溶于有機劑，并能為人體提供能量的物質，脂類以脂肪為主，脂肪不溶于水，必須在小腸經膽汁酸的作用乳化并分散成細小的微團，最后在胰脂酶的作用下，轉變為甘油和脂肪酸，進入細胞分解供能。脂肪分解的基本過程：第一階段：脂肪的動員，產物是脂肪酸和甘油。第二階段：脂肪酸的β氧化，產物是乙酰輔酶A。第三階段：乙酰輔酶A徹底氧化為C02、H20以及能量。以軟脂酸為例可產生129個ATP，其能量的利用效率為68%。實踐證明：肌肉利用脂肪為燃料，主要攝取血中的脂肪酸(FFA)，血漿中的FFA濃度越高，攝取越多。因此血漿中的FFA增加不僅表明脂肪分解加強，還說明了肌肉增加對FFA的攝取利用，至于短時運動血漿FFA變化不大或下降，則主要是因依靠糖供能，而脂解作用并未增強之故。運動后的恢復期，機體不僅節省糖的消耗，而且盡可能快地恢復已消耗的糖，故恢復期的能量消耗又主要來自脂肪而使血FFA仍處于很高水平。由此可見，脂肪酸和葡萄糖都是機體的能源物質。在氧供給充足時，脂肪是人體的主要能量來源。運動強度不大時，脂酸和葡萄糖供能比例相近，只有當運動強度加大時，脂肪供能比例相對減少，糖供能比例才加大。以前，人們認為脂肪是體內的后備燃料，只有糖供應不足時，才動用脂肪為燃料。現代科研證明，人在安靜時，持續很長時間的運動時，運動后的恢復期，脂肪供能占有重要的甚至是主要地位。

綜上所述，糖類和脂類是人體肌肉運動的主要能量來源。

（作者單位：黑龍江農墾職業學院）