Microsoft PowerPoint - Ch02 運動與能源

第 二 章 運 動 與 能 源 能 (energy) 能 是 作 功 的 本 錢 (the capacity to perform work), 也 就 是 功 的 推 動 者 任 何 生 命 現 象 的 運 作, 皆 需 能 來 完 成 能 計 有 機 械 能 化 學 能 熱 能 光 能 電 能 與 核 能 等 六 種 形 態, 可 以 互 相 轉 換, 且 遵 循 著 能 量 不 滅 定 律 人 類 體 內 的 能 究 竟 由 那 裡 來 的 呢? 我 們 所 吃 的 食 物, 與 能 的 產 生, 究 竟 又 有 什 麼 關 係 呢? 2008/9/15 2 ATP( 腺 嘌 呤 核 咁 三 磷 酸 ) 飲 食 的 最 終 目 的 是 要 產 生 即 時 能 源 腺 嘌 呤 核 咁 三 磷 酸, 即 ATP(adenosine triphosphates), 是 由 複 雜 的 腺 嘌 呤 核 咁 (adenosine) 及 三 個 磷 團 組 成 的 化 學 成 分, 是 無 可 替 代 的 即 時 能 源, 馬 上 可 用 的 能 之 來 源 每 一 公 斤 骨 骼 肌 含 4-6mM 的 ATP ATP 分 解 成 腺 嘌 呤 核 咁 二 磷 酸 (ADP,adenosine diphosphates) 時, 可 釋 放 出 7-12 大 卡 的 熱 能 產 生 ATP 的 管 道 很 多, 可 滿 足 一 天 24 小 時 的 日 常 活 動 以 及 激 烈 運 動 的 需 要 2008/9/15 3 P P ATP 結 構 圖 P 2008/9/15 4 C 2 N C ATP 結 構 圖 N 2 C N C C N N C 醣 的 無 氧 分 解 提 供 ATP 管 道 磷 化 物 系 統 ; 乳 酸 系 統 ; 有 氧 系 統 此 三 個 系 統, 目 標 一 致 地, 製 造 ATP, 供 人 類 安 靜 與 運 動 時 使 用 2008/9/15 6 1

磷 化 物 系 統 磷 化 物 系 統 每 當 ATP 三 個 磷 團 一 個 個 斷 鍵 分 離, 分 解 成 ADP 游 離 磷, 同 時 釋 放 7-12 大 卡 熱 能 分 解 後, 必 須 藉 由 CP 分 解 成 creatine 游 離 磷 並 釋 放 出 能, 使 ADP 復 原 成 ATP, 以 便 再 度 被 使 用 其 後,ATP 再 分 解, 提 供 能 量, 供 肌 肉 收 縮 之 用 人 體 總 合 ATP 與 CP 的 能 量, 不 過 5.7-6.9 大 卡 的 能 這 些 提 供 瞬 發 動 作 所 需 的 能, 僅 能 維 持 激 烈 運 動 數 秒 磷 化 物 系 統 主 要 支 撐 人 類 爆 發 性 運 動 之 能 2008/9/15 7 磷 化 物 系 統 ATPase ATP + 2 ADP + P i 7.3 Kcal/mole CK CP + ADP ATP + C 運 動 後, 可 發 現 肌 中 磷 化 物 大 幅 下 降, 氧 消 耗 不 多, 因 此 乳 酸 的 堆 積 量 相 當 有 限 2008/9/15 8 乳 酸 系 統 乳 酸 系 統 是 糖 類 在 無 氧 介 入 的 情 況 下, 分 解 成 乳 酸, 同 時 產 生 少 量 ATP 的 能 量 提 供 系 統, 此 系 統 因 最 終 之 代 謝 產 物 為 乳 酸 而 得 名 平 日 攝 取 的 糖 類, 最 後 皆 分 解 成 葡 萄 糖 葡 萄 糖 除 血 中 保 留 一 部 分, 稱 為 血 糖 外, 以 肝 糖 形 式, 存 於 肝 臟 與 肌 肉 之 中 肝 糖 可 以 說 是 成 串 的 葡 萄 糖 聚 合 物, 先 分 解 成 葡 萄 糖, 再 循 葡 萄 糖 的 產 能 路 徑 產 生 ATP 2008/9/15 9 每 一 分 子 的 葡 萄 糖 原 本 可 產 生 38 分 子 的 ATP, 有 時 運 動 稍 激 烈, 體 內 會 有 氧 供 給 不 濟 的 現 象 或 原 本 不 致 缺 氧, 只 是 身 體 組 織 尚 未 準 備 就 緒, 運 動 開 始 後 兩 三 分 鐘 總 會 有 一 時 性 供 氧 不 足 的 情 況 遇 這 些 情 況, 葡 萄 糖 可 說 是 提 前 告 終, 由 丙 酮 酸 變 成 乳 酸 如 果 氧 氣 足 夠, 可 以 分 解 出 38 分 子 的 ATP 的 葡 萄 糖, 因 氧 供 應 不 濟, 只 產 生 2 分 子 的 ATP, 供 肌 肉 收 縮 之 用 雖 然 乳 酸 系 統 不 十 分 理 想, 但 至 少 提 供 人 類 在 沒 有 氧 氣 介 入 的 情 況 下, 維 繫 生 命 C C C 丙 酮 酸 NAD + NAD C C C 乳 酸 支 鏈 胺 基 酸 (branched-chain amino acids;bcaa) 是 指 三 種 必 需 胺 基 酸 - 白 胺 酸 (leucine) 異 白 胺 酸 (isoleucine) 與 纈 胺 酸 (valine), 也 是 能 提 供 能 源 的 胺 碁 酸 一 般 建 議 的 安 全 增 補 劑 量 為 每 天 5 至 20 克, 而 每 日 飲 食 建 議 攝 取 量 (Recommended Dietary Allowance; RDA) 則 是 3 克 / 天 丙 酮 酸 與 乳 酸 的 關 係 2008/9/15 12 2

有 氧 系 統 BCAA 可 能 可 供 作 運 動 能 源 之 用, 進 而 節 省 肌 肉 肝 醣 的 使 用, 並 預 防 或 降 低 體 內 蛋 白 質 的 分 解 BCAA 可 能 可 以 預 防 神 經 細 胞 內 血 清 素 (serotonin) 濃 度 的 增 加, 進 而 達 到 延 緩 中 樞 疲 勞 的 效 果 有 氧 系 統 顧 名 思 意, 此 系 統 有 氧 氣 的 介 入 有 氧 系 統 有 三 個 管 道, 提 供 ATP 2008/9/15 13 糖 的 有 氧 分 解 葡 萄 糖 在 氧 氣 充 足 情 況 下, 丙 酮 酸 繼 續 分 解 進 入 克 勞 伯 環 (Kreb cycle) 與 電 子 傳 送 系 統 (electrical transport system) 克 勞 伯 環 產 生 2 個 ATP, 電 子 傳 送 系 統 隨 後 又 產 生 34 個 分 子 的 ATP, 總 共 連 不 需 氧 也 會 產 生 的 2 個 分 子 的 ATP, 一 共 產 生 38 分 子 的 ATP 如 果 ( 如 活 動 時 ) 使 用 的 能 全 由 糖 類 的 有 氧 分 解 來 提 供, 呼 吸 交 換 率 (respiratory exchange ratio; 排 出 C2 與 使 用 2 的 比 ) 為 1.0 6C 2 +C 6 12 6 6C 2 +6 2 +38ATP 呼 吸 交 換 率 (RER) = VC 2 /V 2 =6/6=1.0 2008/9/15 15 糖 類 的 有 氧 分 解 Metabolic Process Glycolysis Pyruvic acid to acetyl- CoA Krebs cycle Grand Total Aerobic ATP Tally igh-energy Products 2 ATP 2 NAD 2 NAD 2 GTP 6 NAD 2 FAD ATP from xidative Phosphorylation 6 6 18 4 ATP Subtotal 2 (if anaerobic) 8 (if aerobic) 14 16 34 38 38 醣 的 有 氧 分 解 ( 克 勞 伯 環 ) 2008/9/15 18 3

Formation of ATP in the Electron Transport Chain 70 公 斤 的 人 的 食 物 燃 料 的 含 量 體 內 總 量 所 含 能 量 全 體 內 能 量 kg kcal/g Kcal % 脂 肪 15.6 9 140,000 78 蛋 白 質 9.5 4 38,000 21 糖 類 0.5 4 2,000 1 2008/9/15 19 2008/9/15 20 脂 肪 的 有 氧 分 解 脂 肪 儲 存 的 能 量 比 糖 類 多 身 體 內 存 在 的 大 量 的 脂 肪 幾 乎 是 取 之 不 盡 脂 肪 的 能 量 提 供, 以 棕 櫚 酸 (palmitic acid) 為 例, 每 一 分 子 分 解 可 產 生 129 分 子 的 ATP 如 果 使 用 的 能 全 由 脂 肪 提 供, 呼 吸 交 換 率 為 0.70 C 16 32 2 +23 2 16C 2 +16 2 +129ATP ( 棕 櫚 酸 ) 呼 吸 交 換 率 (RER)= VC 2 /V 2 =16/23=0.70 2008/9/15 21 蛋 白 質 的 有 氧 分 解 蛋 白 質 與 脂 肪 可 轉 化 為 葡 萄 糖, 稱 糖 質 新 生 (gluconeogenesis), 蛋 白 質 也 可 轉 化 成 脂 肪 酸, 稱 脂 質 新 生 (lipogenesis) 雖 然 蛋 白 質 不 是 運 動 的 主 要 能 量 來 源, 但 是 長 時 間 的 衰 竭 運 動, 蛋 白 質 ( 胺 基 酸 ) 的 產 能, 可 能 達 總 能 量 消 耗 的 5-10% 蛋 白 質 (albumin) 氧 化 之 結 果, 如 下 式 : C 72 112 N 2 22S+77 2 63C 2 +38 2 +S 3 +9 C(N 2 ) 2 呼 吸 交 換 率 (RER)= 63C 2 /77 2 =63/77=0.82 2008/9/15 22 食 物 燃 料 的 進 入 代 謝 路 徑 糖 類 脂 肪 與 蛋 白 質 在 體 內 消 化 後, 分 別 變 成 葡 萄 糖, 脂 肪 酸 甘 油 與 胺 基 酸 甘 油 首 先 加 入 糖 解 反 應, 胺 基 酸 也 在 丙 酮 酸 與 克 勞 伯 環 加 入 糖 分 解 的 路 徑, 脂 肪 酸 在 Acetyl coenzyme A 與 Coenzyme-2 加 入 氧 化 的 磷 酸 反 應, 繼 續 產 生 能 量 蛋 白 質 與 糖 類 皆 有 管 道 轉 化 成 脂 肪 酸 與 甘 油, 最 後 變 成 脂 肪 堆 積 於 人 體 糖 類 脂 肪 與 蛋 白 質 代 謝 關 係 能 量 完 全 來 自 糖 類 時, 呼 吸 交 換 率 為 1.0, 完 全 來 自 脂 肪 時, 呼 吸 交 換 率 下 降 成 0.7 Zuntz 提 出 非 蛋 白 呼 吸 商 的 對 照 表 在 安 靜 與 能 夠 成 立 穩 定 狀 態 的 運 動 時 之 能 量 消 耗, 可 由 此 表 計 算 代 謝 之 糖 類 與 脂 肪 提 供 能 量 的 百 分 率 也 可 查 出 在 該 呼 吸 交 換 率 時 能 量 由 糖 類 與 脂 肪 產 生 所 佔 卡 路 里 的 比 率 以 及 每 消 耗 一 升 氧 代 謝 糖 類 與 脂 肪 的 克 數 2008/9/15 23 2008/9/15 24 4

與 氧 氣 攝 取 有 關 的 生 理 作 用 醣 類 脂 肪 與 蛋 白 質 代 謝 路 徑 的 關 係 2008/9/15 26 有 氧 系 統 2008/9/15 27 2008/9/15 28 食 物 氧 與 ATP 的 關 係 能 產 生 能 量 的 食 物, 計 糖 類 脂 肪 與 蛋 白 質 三 類 氧 氣 是 大 氣 的 主 要 成 分 之 一 空 氣 中 氧 氣 含 20.93% 呼 吸 的 目 的 在 利 用 氧, 燃 燒 食 物, 分 解 成 葡 萄 糖 脂 肪 酸 與 胺 基 酸, 再 由 葡 萄 糖 脂 肪 酸 與 胺 基 酸 產 生 ATP, 供 活 動 之 用 萬 一 氧 供 應 不 濟 時, 組 織 只 好 限 制 在 無 氧 的 代 謝 安 靜 時, 每 分 鐘 約 需 氧 0.3 升 而 已 運 動 越 激 烈, 能 消 耗 越 多, 至 最 激 烈 的 運 動, 能 消 耗 達 極 限, 氧 消 耗 量 達 此 人 的 最 大 限 度, 稱 最 大 氧 攝 取 量 (V 2max ), 每 分 鐘 達 3-5 公 升 活 動 量 大 的 人, 消 耗 能 量 多, 必 需 在 飲 食 方 面 多 攝 取, 才 能 平 衡 活 動 的 能 量 消 耗 從 運 動 生 理 學 觀 點, 氧 的 消 耗, 就 相 當 於 能 的 產 生 氧 的 消 耗 越 多, 代 表 能 的 使 用 越 多 2008/9/15 29 5

氧 之 有 無 與 活 動 強 度 與 活 動 者 的 攝 氧 能 力 之 相 對 關 係 有 關 糖 類 脂 肪 或 胺 基 酸, 於 活 動 進 行 中, 提 供 能 量 所 佔 比 例 的 多 寡, 也 與 運 動 的 激 烈 程 度 有 關 : 運 動 越 激 烈, 越 偏 於 糖 類 的 無 氧 分 解, 越 緩 和, 變 成 糖 類 與 脂 肪 的 有 氧 分 解 每 一 升 氧 消 耗, 相 當 於 5 大 卡 熱 能 之 使 用 運 動 項 目 與 能 量 系 統, 參 考 能 量 連 續 標 尺 圖 能 量 分 類 法 磷 化 物 磷 化 - 醣 無 氧 醣 無 氧 醣 無 氧 - 有 氧 有 氧 舉 重 投 擲 跳 高 跳 遠 撐 竿 跳 短 距 離 自 由 車 高 爾 夫 100 公 尺 跑 2 0 0 公 尺 跑 50 公 尺 自 由 式 游 泳 短 距 離 滑 冰 籃 球 排 球 足 球 壘 球 角 力 柔 道 體 操 羽 球 400 公 尺 跑 100 公 尺 游 泳 一 公 里 自 由 車 800 公 尺 跑 1500 公 尺 跑 200 公 尺 游 泳 400 公 尺 游 泳 運 動 項 目 的 能 量 代 謝 分 類 圖 ( 馮 煒 權,1987) 3000 公 尺 跑 5000 公 尺 跑 馬 拉 松 1500 公 尺 游 泳 越 野 滑 雪 公 路 自 由 車 公 路 競 走 2008/9/15 32 各 運 動 專 項 所 需 的 能 量 系 統 運 動 後 的 恢 復 2008/9/15 33 2008/9/15 34 運 動 後 過 耗 氧 量 (EPC) 負 荷 攝 氧 量 曲 線 運 動 後 過 耗 氧 量 是 指 運 動 者 在 恢 復 期, 高 過 同 時 間 安 靜 水 準 的 氧 消 耗 量, 過 耗 氧 量 就 相 當 於 過 去 習 慣 稱 呼 的 氧 債 (oxygen debt) 是 評 量 選 手 無 氧 代 謝 能 量 的 生 理 指 標 之 一 非 乳 酸 氧 債 (alactacid): 用 來 恢 復 磷 化 物 乳 酸 性 氧 債 (lactacid): 用 來 處 理 乳 酸 多 位 學 者 因 運 動 後 多 消 耗 的 氧, 不 祇 是 恢 復 運 動 中 借 來, 或 用 於 轉 化 乳 酸 為 丙 酮 酸 之 用 而 已, 譬 如 : 運 動 後 呼 吸 與 心 跳 急 促, 體 溫 也 增 加, 呼 吸 肌 心 肌 與 其 他 組 織 氧 消 耗 量 增 加 而 建 議 改 用 恢 復 期 耗 氧 量 或 運 動 後 過 耗 氧 量 2008/9/15 35 運 動 前 後 攝 氧 量 的 升 降 (A 氧 部 分 ;B 運 動 後 過 攝 氧 量 ) 6

The xygen Deficit Differences in V 2 Between Trained and Untrained Subjects 2008/9/15 37 2008/9/15 38 xygen debt Recovery From Exercise: Metabolic Responses Elevated V 2 for several minutes immediately following exercise Excess post-exercise oxygen consumption (EPC) Fast portion of 2 debt Resynthesis of stored PC Replacing muscle and blood 2 stores Slow portion of 2 debt Elevated body temperature and catecholamines Conversion of lactic acid to glucose (gluconeogenesis) xygen Deficit and Debt During Light-Moderate and eavy Exercise 2008/9/15 39 2008/9/15 40 恢 復 型 態 與 恢 復 速 率 隨 尿 或 汗 排 出 體 外 乳 酸 的 清 除 研 究 結 果 顯 示 尿 或 汗 中 含 有 乳 酸, 不 過 其 量 相 當 有 限 轉 化 成 葡 萄 糖 或 肝 糖 動 態 恢 復 可 更 迅 速 地 清 除 血 乳 酸 (Powers & owley) 利 用 ATP, 乳 酸 可 在 肝 臟 中 再 轉 化 成 肝 糖 與 葡 萄 糖, 或 在 肌 肉 中 再 轉 化 成 肝 糖 不 過, 其 轉 化 成 肝 糖 的 速 率 費 時, 運 動 後 葡 萄 糖 的 變 化 又 不 大, 可 知 此 管 道 也 相 當 有 限 2008/9/15 42 7

轉 化 成 蛋 白 質 在 體 內, 糖 類 及 其 代 謝 產 物 乳 酸, 可 經 過 化 學 途 徑, 轉 化 成 蛋 白 質, 研 究 結 果 顯 示 透 過 此 管 道 處 理 的 乳 酸 還 是 不 多 氧 化 成 二 氧 化 碳 與 水 運 動 後 乳 酸 可 做 為 肌 肉 的 代 謝 燃 料 骨 骼 肌 心 肌 腦 肝 和 腎 都 有 利 用 乳 酸 做 為 代 謝 燃 料 的 能 力 恢 復 期, 有 了 氧, 乳 酸 先 轉 化 為 丙 酮 酸, 然 後 在 克 勞 伯 環 與 電 子 傳 送 系 統 分 別 轉 化 成 二 氧 化 碳 與 水 研 究 顯 示, 慢 縮 肌 纖 維 比 快 縮 肌 纖 維 更 能 氧 化 乳 酸 動 態 休 息 又 比 靜 態 休 息 轉 化 乳 酸 成 蛋 白 質 的 功 能 佳 動 態 恢 復 中, 提 昇 的 血 流 可 以 將 乳 酸 帶 到 活 動 的 骨 骼 肌, 且 活 動 的 骨 骼 肌 代 謝 率 提 昇 ( 恢 復 期 緩 和 的 運 動 優 先 使 用 慢 縮 肌 纖 維 ) The Cori Cycle: Lactate As a Fuel Source 能 源 燃 料 的 復 原 運 動 結 束 後, 除 了 乳 酸 代 謝 轉 化 為 能 源 或 儲 備 以 供 隨 後 再 利 用 外, 其 他 能 源 物 質 一 一 再 合 成 一 般 上, 產 生 或 發 生 得 快 的 物 質 往 往 恢 復 得 快, 反 之 亦 同 2008/9/15 45 2008/9/15 46 恢 復 期 能 源 與 相 關 物 質 的 恢 復 能 量 系 統 在 訓 練 上 的 應 用 磷 化 物 的 恢 復 2-3 分 鐘 快 過 耗 氧 量 的 消 失 3-6 分 鐘 慢 過 耗 氧 量 的 消 失 30-60 分 鐘 肌 肝 糖 的 恢 復 ( 靜 態 休 息 ) 10-46 小 時 ( 動 態 休 息 ) 5-24 小 時 2008/9/15 47 2008/9/15 48 8

比 賽 上 的 應 用 由 能 量 系 統 的 概 念, 瞭 解 運 動 強 度 影 響 運 動 中 使 用 的 能 量 代 謝 系 統, 同 樣 跑 800 公 尺, 以 六 分 鐘 跑 完 之 慢 跑 時, 能 量 來 源 屬 有 氧 代 謝 系 統, 以 兩 分 鐘 跑 完 之 衝 刺 時, 能 量 來 源 偏 重 在 乳 酸 系 統 由 於 乳 酸 堆 積 會 限 制 無 氧 代 謝 的 進 行, 因 此 在 配 速 上, 與 其 出 發 後 拼 命 衝 刺 堆 積 大 量 乳 酸, 後 段 有 氣 無 力, 不 如 好 好 配 速, 最 後 一 百 多 公 尺 再 來 衝 刺, 對 成 績 之 表 現 較 為 有 利 2008/9/15 49 訓 練 上 的 應 用 各 運 動 項 目 都 有 它 們 歸 屬 的 能 量 系 統, 換 句 話 說, 運 動 比 賽 時 的 代 謝 路 徑 各 不 相 同 在 平 時 訓 練 上, 自 然 應 該 因 能 量 系 統 的 不 同, 而 有 所 調 整 磷 化 物 系 統 的 項 目, 以 肌 肉 力 量 與 肌 耐 力 訓 練 最 為 重 要 ; 有 氧 系 統 的 項 目, 心 肺 功 能 的 良 莠 關 係 成 績 表 現, 因 此, 心 肺 耐 力 的 鍛 鍊 不 得 偏 廢 乳 酸 系 統 的 項 目, 則 有 氧 與 無 氧 系 統 皆 應 兼 顧, 平 常 訓 練 之 處 方, 盡 量 針 對 乳 酸 系 統, 強 逼 身 體 以 此 系 統 作 為 能 量 供 給 路 徑 的 訓 練 它, 比 賽 時, 才 能 在 此 系 統 好 好 發 揮 2008/9/15 50 攝 食 上 的 應 用 三 大 能 量 系 統 中, 磷 化 物 系 統 使 用 的 能 源 是 肌 肉 中 的 磷 酸 肌 素, 關 鍵 在 於 肌 肉 的 量, 平 日 攝 取 夠 量 的 蛋 白 質, 並 注 重 肌 力 鍛 鍊 即 可 乳 酸 系 統 主 要 的 能 源 是 葡 萄 糖 與 肝 糖, 原 始 來 源 是 碳 水 化 合 物, 因 此 此 類 項 目 的 選 手, 在 攝 食 方 面, 應 首 重 碳 水 化 合 物 的 補 充, 運 動 與 運 動 之 間, 也 應 注 意 碳 水 化 合 物 的 補 給, 免 得 肌 肉 中 糖 類 不 足 引 起 肌 疲 勞 的 累 積, 影 響 運 動 能 力 的 發 揮 有 氧 系 統 的 能 源 食 物, 雖 然 糖 類 脂 肪 與 蛋 白 質 皆 有, 不 過 由 於 此 系 統 的 運 動 項 目 中, 糖 類 的 有 氧 分 解, 佔 使 用 能 源 之 大 宗, 因 此, 食 物 還 是 以 碳 水 化 合 物 為 主 Lactate Threshold( 乳 酸 閾 值 ) The point at which blood lactic acid suddenly rises during incremental exercise Also called the anaerobic threshold (AT, 無 氧 閾 值 ) 4 mmol/l 個 體 無 氧 閾 值 (IAT, individual anaerobic threshold) Practical uses in prediction of performance and as a marker of exercise intensity 2008/9/15 51 2008/9/15 52 Identification of the Lactate Threshold Mechanisms to Explain the Lactate Threshold 2008/9/15 53 2008/9/15 54 9

ther Mechanisms for the Lactate Threshold Effect of ydrogen Shuttle and LD on Lactate Threshold Failure of the mitochondrial hydrogen shuttle to keep pace with glycolysis Excess NAD in sarcoplasm favors conversion of pyruvic acid to lactic acid Type of LD Enzyme that converts pyruvic acid to lactic acid LD in fast-twitch fibers favors formation of lactic acid 2008/9/15 55 2008/9/15 56 10