王俊俐(北京聯(lián)合大學 北京 100023)

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運動生物化學分析中長跑時體內(nèi)有機代謝變化規(guī)律①

王俊俐
(北京聯(lián)合大學 北京 100023)

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

關(guān)鍵詞:運動生物化學 供能系統(tǒng) 代謝規(guī)律 運動能力

1 問題提出

科學進步引領(lǐng)著體育運動科學的發(fā)展,運動訓練由摸爬滾打的經(jīng)驗式逐步走向以理論為指導,理論實踐相結(jié)合的科學的運動訓練,使大家更加注重對理論的研究。劇烈運動時人們能夠感知身體對能量的需要,能量不足難于支撐運動達到大家所期望的要求,而過早產(chǎn)生疲勞。那么運動中體內(nèi)發(fā)生怎樣一系列物質(zhì)代謝和能量變化,機體又是怎樣與環(huán)境間的物質(zhì)進行著交換,運動生物化學以其作為研究對象,進行了科學闡述,如何消除或延緩運動時產(chǎn)生的疲勞,達到預(yù)期運動目標,包括現(xiàn)代競技體育的激烈競爭中運動員在極限范圍內(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)的儲備等,對運動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

運動生物化學理論告訴人們,運動能夠改善機體的化學組成,比如可增加機體內(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),也是提高運動能力的主要因素,運動促進身體的新陳代謝及能量轉(zhuǎn)換,可以提高機體對運動更高的承受力。

運動激烈的短跑項目,有效促進肌肉中的蛋白質(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。而長跑、越野等長時間的激烈運動中,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。與運動能力有關(guān)的骨骼肌纖維的組成和代謝機能,也可以從生物化學的角度得到解釋,運動過程中能量的供給、轉(zhuǎn)移和利用的能力決定著運動能力高低,運動中能量供應(yīng)的多少,對機體有氧或無氧代謝能力的影響,與運動項目、強度,訓練方法和運動時間都有關(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動起著絕對的作用。不難知道ATP是運動時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存下來,為運動提供能量支撐,但是ATP儲量有限,若消耗之后不及時補充就會影響機體運動。

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體的能源,但在肌肉中的儲量很低,以至當進行劇烈運動時,能夠為身體提供能量的時間僅在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動。這兩項供應(yīng)的能量大約可以維持6～8s左右的時間。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的時間。所以有限的ATP存儲量,在分解時必須通過不斷的再合成來及時補充,而ATP再合成的速率恰恰是影響短時、高強度運動能力的關(guān)鍵。研究表明:ATP的再合成的轉(zhuǎn)換速率,可以通過運動來提高ATP酶的活性,達到提高肌肉中CP的儲量和磷酸肌酸的活性,加快CP促成ADP轉(zhuǎn)化成ATP的速率,以保證在短時間內(nèi)劇烈運動時肌肉能量的供給。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可維持最大強度運動6～8s。所以短跑時運動員以最大的速度跑時也只維持在6 s左右,隨后速度減慢,由此可知除10s以內(nèi)的短跑項目外其他運動僅僅靠這個供能系統(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)乳酸的同時合成了ATP。在這個供能系統(tǒng)中,糖原在無氧狀態(tài)下或氧供應(yīng)不足時產(chǎn)生乳酸,過多的乳酸使肌肉產(chǎn)生酸痛,同時乳酸也會抑制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。當大強度的運動超過6～8 s后,糖酵解過程被激活產(chǎn)生的能量,繼續(xù)為機體提供能源,在30～60s間的運動,糖酵解速率達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,糖酵解是極量運動的重要能量系統(tǒng),在運動中所提供的能量,表現(xiàn)出的肌肉力量和運動強度雖不如磷酸原系統(tǒng),但維持運動時間較長,是30s～2 min之間最大強度運動的主要供能系統(tǒng)。糖酵解供能能力對運動成績有決定性作用,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間的耐力運動的動力源泉。

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,需要的時間長,沒有乳酸堆積的問題。體內(nèi)儲存有較多的糖、脂肪,正常人的脂肪約占體重10%～20%,在較強的攝氧能力的情況下,調(diào)動體內(nèi)脂肪持續(xù)運動1～2 h是沒有問題的。運動強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:當運動強度達到最大攝氧量的75%或者以上時,糖氧化供能所占的比例大,所以此時糖是主要的供能源;隨著運動強度降低至最大攝氧量的65%以下時,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,若運動強度增大,而攝入的氧不足時,脂肪所提供的能量就很少。

2.2.4 供能系統(tǒng)的關(guān)系

運動中能夠提供能量的物質(zhì)有多種,隨著運動情況的不同,各個不同時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動項目。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,細胞內(nèi)所儲存的氧還可供機體中的糖進行有限的有氧氧化。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的沖刺需要瞬時加速,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,短時間大強度的運動,主要依靠ATP-磷酸肌酸供能;長時間低強度的運動,主要是有氧呼吸提供能量;而介于二者之間的中等強度的運動較短時間,則主要由無氧呼吸提供能量。

3 中長跑項目分析

3.1 中長跑三個階段

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

3.1.1 起跑階段

起跑時運動員會以最快的速度搶占有利位置,此時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,肌肉在運動約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)。如果想要運動員在起跑就占據(jù)一定的優(yōu)勢,那就需要最大限度的提高CP的濃度,以達到延長CP供能的時間。在提高CK酶活性的同時,提高運動的爆發(fā)力。

3.1.2 途中跑階段

當將進入途中跑階段機體主要是由糖酵解系統(tǒng)供能的。起始的劇烈運動消耗了磷酸原提供的能量,糖酵解系統(tǒng)啟動,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動強度,運動能力也就下降了。隨著氧供應(yīng)的不斷增加,呼吸均勻心肺功能逐漸增強,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產(chǎn)生乳酸,供能時間較長,可以更好的保持較高的運動強度,充足的氧逐漸消化堆積在肌肉中的乳酸,有氧代謝能力進一步增強,運動員的機體得到恢復,建立新的代謝平衡,運動員繼續(xù)挑戰(zhàn)身體極限。

3.1.3 沖刺階段

進入沖刺階段呼吸加深加大,此時有氧呼吸無氧呼吸都有,當有氧呼吸也不能滿足機體需要,腿部肌肉進行無氧呼吸來補充能量的不足。

中長跑運動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。所以中長跑訓練實質(zhì)是提高機體有氧代謝和無氧代謝能力。

3.2 運動各階段糖攝取

3.2.1 運動前提高糖儲備

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入血液等特點,為了提高運動能力,保障運動時血糖的穩(wěn)定,提高糖的儲備是十分必要的。這就需要運動前適當?shù)难a糖,以保障比賽時快速調(diào)動機體運動能力和長時間運動以及到最后的沖刺力,同時還要保障運動中胃腸等功能的正常運轉(zhuǎn)。

3.2.2 運動中補糖

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

3.2.3 運動后補糖

運動后補糖可以盡快消除疲勞恢復體力,補充肌糖原和肝糖原的合成原料與儲存。運動后補糖越早越好,一般運動完后就可以補,每隔1～2 h連續(xù)補糖,6 h以內(nèi)肌肉中糖原合成最高,所以補糖效果最佳。不管是運動前、中還是運動后補糖復合糖最好,因為葡萄糖的滲透性強,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,當然果糖與葡萄糖搭配使用,更有利于糖的吸收和能量補充。

4 結(jié)語

綜上所述,根據(jù)人體三大供能系統(tǒng)及運動時物質(zhì)和能量代謝規(guī)律,制定訓練計劃,適時補充糖原,提高人的運動能量,可以延緩運動疲勞發(fā)生,最終提高中長跑的運動成績。競技運動員在向生理極限挑戰(zhàn)中,才能有所突破,由此運動生物化學為提高中長跑運動員的供能能力和運動能力的科學訓練提供了科學依據(jù)和理論指導。

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作者簡介：①王俊俐(1962,1—),女,北京人,本科,研究方向:運動生物化學。

DOI:10.16655/j.cnki.2095-2813.2016.03.009

中圖分類號:G822.2

文獻標識碼:A

文章編號:2095-2813(2016)01(c)-0009-03