王俊俐(北京聯(lián)合大學(xué) 北京 100023)

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運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)分析中長跑時(shí)體內(nèi)有機(jī)代謝變化規(guī)律①

王俊俐
(北京聯(lián)合大學(xué) 北京 100023)

摘 要:該文通過對運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)理論的深入研究,淺析人體內(nèi)三大供能系統(tǒng)的能量供應(yīng),及運(yùn)動(dòng)時(shí)物質(zhì)和能量代謝規(guī)律。從運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)角度闡述中長跑運(yùn)動(dòng)能量供應(yīng)及代謝規(guī)律,目的在于為提高中長跑運(yùn)動(dòng)員的能量供給能力和運(yùn)動(dòng)能力科學(xué)訓(xùn)練提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:運(yùn)動(dòng)生物化學(xué) 供能系統(tǒng) 代謝規(guī)律 運(yùn)動(dòng)能力

1 問題提出

科學(xué)進(jìn)步引領(lǐng)著體育運(yùn)動(dòng)科學(xué)的發(fā)展,運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練由摸爬滾打的經(jīng)驗(yàn)式逐步走向以理論為指導(dǎo),理論實(shí)踐相結(jié)合的科學(xué)的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,使大家更加注重對理論的研究。劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)人們能夠感知身體對能量的需要,能量不足難于支撐運(yùn)動(dòng)達(dá)到大家所期望的要求,而過早產(chǎn)生疲勞。那么運(yùn)動(dòng)中體內(nèi)發(fā)生怎樣一系列物質(zhì)代謝和能量變化,機(jī)體又是怎樣與環(huán)境間的物質(zhì)進(jìn)行著交換,運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)以其作為研究對象,進(jìn)行了科學(xué)闡述,如何消除或延緩運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的疲勞,達(dá)到預(yù)期運(yùn)動(dòng)目標(biāo),包括現(xiàn)代競技體育的激烈競爭中運(yùn)動(dòng)員在極限范圍內(nèi)怎樣才能最大限度的發(fā)揮自己的潛能,增加體內(nèi)能量物質(zhì)的儲(chǔ)備等,對運(yùn)動(dòng)員成績的提高都有著至關(guān)重要的作用。

2 研究方法

2.1 理論研究

運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)理論告訴人們,運(yùn)動(dòng)能夠改善機(jī)體的化學(xué)組成,比如可增加機(jī)體內(nèi)的糖量、蛋白質(zhì)數(shù)量,也可以減少體內(nèi)脂肪,而糖、蛋白質(zhì)和脂肪是提高身體素質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ),也是提高運(yùn)動(dòng)能力的主要因素,運(yùn)動(dòng)促進(jìn)身體的新陳代謝及能量轉(zhuǎn)換,可以提高機(jī)體對運(yùn)動(dòng)更高的承受力。

運(yùn)動(dòng)激烈的短跑項(xiàng)目,有效促進(jìn)肌肉中的蛋白質(zhì)、磷酸肌酸CP增多,激發(fā)無氧代謝酶活性,改善無氧代謝能量供應(yīng)過程,使乳酸調(diào)節(jié)能力得到加強(qiáng)。而長跑、越野等長時(shí)間的激烈運(yùn)動(dòng)中,肌肉糖量增多,有氧代謝酶的活性和脂肪代謝能力及有氧代謝能量供給過程得到提高。與運(yùn)動(dòng)能力有關(guān)的骨骼肌纖維的組成和代謝機(jī)能,也可以從生物化學(xué)的角度得到解釋,運(yùn)動(dòng)過程中能量的供給、轉(zhuǎn)移和利用的能力決定著運(yùn)動(dòng)能力高低,運(yùn)動(dòng)中能量供應(yīng)的多少,對機(jī)體有氧或無氧代謝能力的影響,與運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目、強(qiáng)度,訓(xùn)練方法和運(yùn)動(dòng)時(shí)間都有關(guān)系。三磷酸腺苷(ATP)、二磷酸腺苷(ADP)、磷酸肌酸(CP)等高能磷酸化合物對運(yùn)動(dòng)起著絕對的作用。不難知道ATP是運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉收縮的唯一直接能源,CP是使ADP迅速再合成為ATP的間接能源,通過水解ATP釋放出能量,ADP則經(jīng)過磷酸化作用后轉(zhuǎn)化為高能磷酸化合物儲(chǔ)存下來,為運(yùn)動(dòng)提供能量支撐,但是ATP儲(chǔ)量有限,若消耗之后不及時(shí)補(bǔ)充就會(huì)影響機(jī)體運(yùn)動(dòng)。

2.2 人體三大供能系統(tǒng)

ATP-磷酸肌酸供能系統(tǒng)、糖酵解(無氧呼吸)供能系統(tǒng)和有氧氧化供能系統(tǒng)是人體內(nèi)三大供能系統(tǒng)。

2.2.1 ATP-磷酸肌酸供能系統(tǒng)

人們已經(jīng)知道ATP是唯一能直接供給機(jī)體的能源,但在肌肉中的儲(chǔ)量很低,以至當(dāng)進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí),能夠?yàn)樯眢w提供能量的時(shí)間僅在1～3s,之后的能量就要依靠磷酸肌酸水解后產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)移給ADP再生成ATP。體內(nèi)少量的磷酸肌酸所提供的能量也僅能維持幾秒的運(yùn)動(dòng)。這兩項(xiàng)供應(yīng)的能量大約可以維持6～8s左右的時(shí)間。接下的ATP由糖的無氧酵解合成。無氧酵解系統(tǒng)產(chǎn)生的能量可以維持2～3min的時(shí)間。所以有限的ATP存儲(chǔ)量,在分解時(shí)必須通過不斷的再合成來及時(shí)補(bǔ)充,而ATP再合成的速率恰恰是影響短時(shí)、高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)能力的關(guān)鍵。研究表明:ATP的再合成的轉(zhuǎn)換速率,可以通過運(yùn)動(dòng)來提高ATP酶的活性,達(dá)到提高肌肉中CP的儲(chǔ)量和磷酸肌酸的活性,加快CP促成ADP轉(zhuǎn)化成ATP的速率,以保證在短時(shí)間內(nèi)劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉能量的供給。磷酸原系統(tǒng)的最大輸出功率每千克濕肌0.48～0.9 mmol/s～P,肌肉中原有的 ATP可維持最大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)6～8s。所以短跑時(shí)運(yùn)動(dòng)員以最大的速度跑時(shí)也只維持在6 s左右,隨后速度減慢,由此可知除10s以內(nèi)的短跑項(xiàng)目外其他運(yùn)動(dòng)僅僅靠這個(gè)供能系統(tǒng)提供能量是不夠的,還必須從其他供能系統(tǒng)得到能量。

2.2.2 糖酵解供能系統(tǒng)

第二大系統(tǒng)糖酵解系統(tǒng),它是由一系列酶催化生產(chǎn)乳酸的同時(shí)合成了ATP。在這個(gè)供能系統(tǒng)中,糖原在無氧狀態(tài)下或氧供應(yīng)不足時(shí)產(chǎn)生乳酸,過多的乳酸使肌肉產(chǎn)生酸痛,同時(shí)乳酸也會(huì)抑制ATP的再合成,若氧充分乳酸還可再被氧化,最終分解為水和二氧化碳。當(dāng)大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)超過6～8 s后,糖酵解過程被激活產(chǎn)生的能量,繼續(xù)為機(jī)體提供能源,在30～60s間的運(yùn)動(dòng),糖酵解速率達(dá)到最大輸出功為每千克濕肌0.33 mmol/s～P,約是磷酸原系統(tǒng)的一半,糖酵解是極量運(yùn)動(dòng)的重要能量系統(tǒng),在運(yùn)動(dòng)中所提供的能量,表現(xiàn)出的肌肉力量和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度雖不如磷酸原系統(tǒng),但維持運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長,是30s～2 min之間最大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的主要供能系統(tǒng)。糖酵解供能能力對運(yùn)動(dòng)成績有決定性作用,是競技技能充分發(fā)揮的先決條件。由于無氧呼吸產(chǎn)生的乳酸導(dǎo)致肌肉酸痛影響速度的提升,所以有氧呼吸釋放的能量是長時(shí)間的耐力運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源泉。

2.2.3 有氧氧化系統(tǒng)

有氧代謝是人體能量代謝中最基本的方式。血紅蛋白運(yùn)送氧氣,氧化磷酸化作用合成大量的ATP。這一過程消耗大量氧,故稱之有氧氧化系統(tǒng)。有氧供能速度比無氧供能速度慢,反應(yīng)的產(chǎn)物是CO2和H2O,所以它的反應(yīng)充分完全,需要的時(shí)間長,沒有乳酸堆積的問題。體內(nèi)儲(chǔ)存有較多的糖、脂肪,正常人的脂肪約占體重10%～20%,在較強(qiáng)的攝氧能力的情況下,調(diào)動(dòng)體內(nèi)脂肪持續(xù)運(yùn)動(dòng)1～2 h是沒有問題的。運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度決定著糖和脂肪酸的有氧氧化過程中供能的多少,有資料顯示:當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最大攝氧量的75%或者以上時(shí),糖氧化供能所占的比例大,所以此時(shí)糖是主要的供能源;隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低至最大攝氧量的65%以下時(shí),脂肪供能的比例大大超過糖氧化所提供的能量而成為主要的供能源。有氧是體內(nèi)脂肪酸氧化的必要條件,若運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增大,而攝入的氧不足時(shí),脂肪所提供的能量就很少。

2.2.4 供能系統(tǒng)的關(guān)系

運(yùn)動(dòng)中能夠提供能量的物質(zhì)有多種,隨著運(yùn)動(dòng)情況的不同,各個(gè)不同時(shí)間所利用的能量物質(zhì)順序,以及所占比例都有所不同。例如屬于極量強(qiáng)度的100m跑,磷酸原最先提供能量,輸出功率大,速度提高的快,所以是以磷酸原供能為主的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。數(shù)秒鐘之后肌肉乳酸濃度升高了,糖酵解系統(tǒng)開始供能,細(xì)胞內(nèi)所儲(chǔ)存的氧還可供機(jī)體中的糖進(jìn)行有限的有氧氧化。以有氧代謝為主的馬拉松跑,開始的能量就是磷酸原首先供給的,途中的加速跑及終點(diǎn)的沖刺需要瞬時(shí)加速,仍然要通過輸出功率較高的糖酵解供能完成。各系統(tǒng)輸出功率由大到小順序依次為:磷酸原系統(tǒng)>糖酵解系統(tǒng)>糖有氧氧化>脂肪酸有氧氧化。

綜上所述,短時(shí)間大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng),主要依靠ATP-磷酸肌酸供能;長時(shí)間低強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng),主要是有氧呼吸提供能量;而介于二者之間的中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)較短時(shí)間,則主要由無氧呼吸提供能量。

3 中長跑項(xiàng)目分析

3.1 中長跑三個(gè)階段

以亞極量強(qiáng)度的比賽項(xiàng)目800 m為例,由起跑、途中跑和沖刺三個(gè)階段構(gòu)成。

3.1.1 起跑階段

起跑時(shí)運(yùn)動(dòng)員會(huì)以最快的速度搶占有利位置,此時(shí)啟用的是磷酸原供能系統(tǒng),以最快的供能速度和最大功率輸出,肌肉在運(yùn)動(dòng)約1～3 s后由CP在肌酸激酶(CK)的催化下,將ADP再合成為ATP維持6～8 s的供能,是供能最快的供能系統(tǒng)。如果想要運(yùn)動(dòng)員在起跑就占據(jù)一定的優(yōu)勢,那就需要最大限度的提高CP的濃度,以達(dá)到延長CP供能的時(shí)間。在提高CK酶活性的同時(shí),提高運(yùn)動(dòng)的爆發(fā)力。

3.1.2 途中跑階段

當(dāng)將進(jìn)入途中跑階段機(jī)體主要是由糖酵解系統(tǒng)供能的。起始的劇烈運(yùn)動(dòng)消耗了磷酸原提供的能量,糖酵解系統(tǒng)啟動(dòng),急促的呼吸造成氧的不足,在無氧條件下糖分解提供能量同時(shí)生成乳酸,造成肌肉酸疼。過多的乳酸使體內(nèi)平衡破壞,降低代謝水平,以致難以保持較高的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,運(yùn)動(dòng)能力也就下降了。隨著氧供應(yīng)的不斷增加,呼吸均勻心肺功能逐漸增強(qiáng),有氧氧化供能開始,糖、脂肪在氧供應(yīng)充足的條件下,開始提供能量,糖在有氧條件下分解不會(huì)產(chǎn)生乳酸,供能時(shí)間較長,可以更好的保持較高的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,充足的氧逐漸消化堆積在肌肉中的乳酸,有氧代謝能力進(jìn)一步增強(qiáng),運(yùn)動(dòng)員的機(jī)體得到恢復(fù),建立新的代謝平衡,運(yùn)動(dòng)員繼續(xù)挑戰(zhàn)身體極限。

3.1.3 沖刺階段

進(jìn)入沖刺階段呼吸加深加大,此時(shí)有氧呼吸無氧呼吸都有,當(dāng)有氧呼吸也不能滿足機(jī)體需要,腿部肌肉進(jìn)行無氧呼吸來補(bǔ)充能量的不足。

中長跑運(yùn)動(dòng)的能量主要是糖酵解供能系統(tǒng)和有氧氧化系統(tǒng)提供的,既有氧代謝和無氧代謝,有氧代謝為主的能量代謝過程。所以中長跑訓(xùn)練實(shí)質(zhì)是提高機(jī)體有氧代謝和無氧代謝能力。

3.2 運(yùn)動(dòng)各階段糖攝取

3.2.1 運(yùn)動(dòng)前提高糖儲(chǔ)備

糖類是人體主要能源物質(zhì),較其他物質(zhì)有吸收速度快,食后迅速消化吸收進(jìn)入血液等特點(diǎn),為了提高運(yùn)動(dòng)能力,保障運(yùn)動(dòng)時(shí)血糖的穩(wěn)定,提高糖的儲(chǔ)備是十分必要的。這就需要運(yùn)動(dòng)前適當(dāng)?shù)难a(bǔ)糖,以保障比賽時(shí)快速調(diào)動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)能力和長時(shí)間運(yùn)動(dòng)以及到最后的沖刺力,同時(shí)還要保障運(yùn)動(dòng)中胃腸等功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)中補(bǔ)糖

運(yùn)動(dòng)過程中適當(dāng)攝入糖,除了可以保持血糖濃度外,還可以提高攝氧能力,增強(qiáng)有氧代謝,減少蛋白質(zhì)的消耗,同時(shí)幫助消除產(chǎn)生的乳酸,很好的維持能量的平衡,亦可達(dá)到推遲疲勞的過早產(chǎn)生。

3.2.3 運(yùn)動(dòng)后補(bǔ)糖

運(yùn)動(dòng)后補(bǔ)糖可以盡快消除疲勞恢復(fù)體力,補(bǔ)充肌糖原和肝糖原的合成原料與儲(chǔ)存。運(yùn)動(dòng)后補(bǔ)糖越早越好,一般運(yùn)動(dòng)完后就可以補(bǔ),每隔1～2 h連續(xù)補(bǔ)糖,6 h以內(nèi)肌肉中糖原合成最高,所以補(bǔ)糖效果最佳。不管是運(yùn)動(dòng)前、中還是運(yùn)動(dòng)后補(bǔ)糖復(fù)合糖最好,因?yàn)槠咸烟堑臐B透性強(qiáng),單純攝入葡萄糖對胃的排空有一定的抑制作用,用麥芽糊精和果糖類的混合糖代替可以克服這個(gè)問題,從而增加胃的排空速率,小腸對單糖的吸收快,有利于合成糖原,果糖合成肝糖原的量為葡萄糖的3.7倍,但容易引起胃腸功能紊亂,所以果

糖使用的濃度最好不要超過35g/L,當(dāng)然果糖與葡萄糖搭配使用,更有利于糖的吸收和能量補(bǔ)充。

4 結(jié)語

綜上所述,根據(jù)人體三大供能系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)時(shí)物質(zhì)和能量代謝規(guī)律,制定訓(xùn)練計(jì)劃,適時(shí)補(bǔ)充糖原,提高人的運(yùn)動(dòng)能量,可以延緩運(yùn)動(dòng)疲勞發(fā)生,最終提高中長跑的運(yùn)動(dòng)成績。競技運(yùn)動(dòng)員在向生理極限挑戰(zhàn)中,才能有所突破,由此運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)為提高中長跑運(yùn)動(dòng)員的供能能力和運(yùn)動(dòng)能力的科學(xué)訓(xùn)練提供了科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

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作者簡介：①王俊俐(1962,1—),女,北京人,本科,研究方向:運(yùn)動(dòng)生物化學(xué)。

DOI:10.16655/j.cnki.2095-2813.2016.03.009

中圖分類號:G822.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:2095-2813(2016)01(c)-0009-03