第一节　能量代谢系统与运动

新陈代谢包括物质代谢和能量代谢两个方面，是人体生命活动的基本过程。人体在进行物质代谢的同时伴随着能量释放、转移和利用。人体在活动中的能量是通过对食物所含的糖、脂肪、蛋白质等物质的消化、吸收获得的。所有能量均与活动有关，活动量越大，所需能量越多。三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）是人体实现多种生理活动的能源，是骨骼肌运动的直接能源，体内ATP的再生能力直接影响运动能力。不同强度的运动，在体内的能量代谢特点也各不相同。因此，在对患者进行运动治疗时，治疗师应根据运动时物质代谢和能量代谢的特点，针对性地选择运动时间、运动强度、运动类型来帮助患者提高活动能力。

一、基础代谢

基础代谢（basal metabolism，BM）是指人体在清醒、静卧、空腹和20～25℃的环境温度下的能量代谢率，是维持最基本生命活动需要所消耗的最低限度的能量。基础代谢率随着性别、年龄等不同而出现生理变动。一般来说，男子的平均基础代谢率比女子高，幼儿比成年人高，年龄越大，基础代谢率越低。基础代谢率以每小时每平方米表面体积的产热量来表示，单位为kJ/（h·m2）。人体的体表面积（S）可应用许文生公式计算，即S（m2）=0.0061×身高（cm）+0.0128×体重（kg）-0.1529。我国正常人的基础代谢率平均值见表3-1-1。

一般来说，基础代谢率的实际数值与正常的平均值相差10%～15%都属于正常。超过正常值20%时，才能算病理状态。甲状腺功能减退时，基础代谢率比正常标准低20%～40%；甲状腺功能亢进时，基础代谢率比正常标准高25%～80%；其他如肾上腺皮质和垂体功能低下时，基础代谢率也会降低。

二、运动时的能量消耗与能量供应

骨骼肌的收缩与舒张活动对于能量代谢的影响最为显著。机体的能耗量与肌肉活动的强度成正比关系，运动强度越大、持续时间越长，能耗量就越大。剧烈运动时，能耗量可达安静时的10～20倍，甚至更高。能量代谢水平可以反映运动强度，常用代谢当量（metabolic equivalent of energy，MET）表示。1MET的活动强度大约与健康成人安静时坐位的代谢率相当，即1MET=3.5mL/（kg·min）。根据活动时的耗氧量可推算出相应的METs，故METs值可表示运动强度，可用于指导患者的各种活动和康复训练。常见身体活动的能量消耗见表3-1-2。

三、有氧氧化供能与无氧氧化供能

人体必须不断地从食物中获取的能量。由ATP的高能化学能提供能量，可完成各种复杂的功能活动；由ATP降解产生的能量可为肌肉提供能源基础。运动时人体内的能量供应是一个连续过程。其特点是运动强度和运动时间必须与ATP的消耗和再合成之间的速率保持匹配，否则运动就不能连续进行。运动强度越大，消耗ATP就越快，比值下降越明显；反之，则比值保持正常。运动强度可直接影响启动何种能源物质参与ATP再合成，而运动持续时间则取决于不同供能系统能量输出功率的最大潜力和储量。运动时的能量供应涉及两个分解代谢与三个供能系统。以无氧分解合成ATP的称为无氧代谢供能，以有氧分解合成ATP的称为有氧代谢供能。在无氧代谢供能中，又分为磷酸原供能和糖酵解供能两大供能系统。因此，通常将运动时的能量代谢分为三大供能系统，即磷酸原供能系统、糖酵解供能系统和有氧代谢供能系统。

（一）长时间能量——有氧代谢供能

1.定义　在供氧充足的条件下，糖、脂肪与蛋白质等彻底氧化生成CO2和H2O。同时，释放能量供ADP磷酸化合成ATP，这一供能系统称为有氧代谢供能系统。当运动中氧的供应能满足人体对氧的需要时，运动所需的ATP则主要由糖、脂肪的有氧氧化来提供。

2.供能特点　限制该系统供能过程中的主要因素是氧和能源物质的储量。从储能数量而言，人体脂肪储量可满足绝大多数的耐力运动。有氧氧化可较长时间地提供能量，从而能维持较长的工作时间，是长时间耐力运动时的主要供能系统。线粒体是细胞有氧氧化的场所，因此，细胞中线粒体的容积密度决定有氧氧化能力。此外，人体有氧氧化能力的高低还与人体运输氧系统能力的高低有关。

3.供能速度　由于糖氧化分解时所需的氧气比脂肪少，氧化分解供能的速率比脂肪快，所以，糖氧化供能的输出功率比脂肪大，是脂肪的2倍。对长时间亚极量运动而言，糖的储量对运动能力有较大的影响。

4.运动与康复　长期规律的有氧运动，如步行、慢跑、爬山、自行车、游泳、太极拳、健身操等，可有效增强心肺功能，改善运动系统、神经系统、消化系统及泌尿系统等的功能，预防骨质疏松，提高机体免疫力，加速机体康复。这对于防止疾病发生、发展具有重要意义。

（二）无氧代谢供能

1.磷酸原（ATP-CP）供能系统——即刻能量

（1）定义：磷酸原（ATP-CP）供能系统又称非乳酸供能系统，它由细胞内ATP和CP这两种高能磷酸化合物所构成。当ATP分解放能后，CP立刻分解放能以补充ATP的再合成，由于这一过程十分迅速，不需要氧气也不会产生乳酸。

（2）供能特点：ATP是肌肉工作时的唯一直接能源，ATP在骨骼肌中储量少。人体运动时，在ATP消耗的同时CP迅速分解，把高能磷酸基团转给ADP，使ADP磷酸化合成ATP，以维持ATP浓度的相对稳定。人体中磷酸原系统供能的绝对值虽然不大，能维持的时间也很短，在三个功能系统中，其能量输出功率最高，主要用于能量的快速可用性，为几秒内完成的活动提供直接能源，是速度与力量项目的主要供能系统。研究证明，运动员的磷酸原系统供能能力强于一般人，因此在进行相同强度的短时剧烈活动时，运动员血乳酸的出现晚于一般人。

（3）供能速度：磷酸原供能系统在运动时最早启动，最快被利用，为激活糖酵解等系统供能提供过渡时间。所以，在短时间激烈运动中，磷酸原供能系统起着非常重要的作用。ATP、CP在骨骼肌中储量少，供能时间短，最大强度运动时，供能为6～10s。如超过这一时限，由于能量消耗殆尽，运动能力即刻下降。然而大部分活动均远超这一时限，因此为维持活动，必须由其他途径补充能量。

（4）运动与康复：这一系统供能能力的强弱，主要和绝对速度有关，如果要提高短距离跑（50m、100m、200m等）的绝对速度，就要提高磷酸原系统的供能能力。其训练方法为间歇训练法，即以持续10s以内的全力运动进行重复练习，中间休息30s以上。如果间歇时间少于30s，由于磷酸原供能系统恢复不足，会产生乳酸积累。

随着人们生活水平的不断提高，越来越多的人认识到运动与健康的重要性。但在运动之前应进行必要的体格检查，排除相关器质性病变的存在。如不遵循运动训练的原则，贸然进行短时间、大强度的剧烈运动，就有可能出现肢体血管大量扩张、心脏冠状动脉发生一过性供血不足、血管内膜出血、间质出血或粥样硬化物破裂堵塞冠状动脉等症状，引起心肌缺氧、坏死，导致运动性猝死。

2.乳酸能系统——短时能量

（1）定义：乳酸能系统又称糖酵解供能系统，即糖经无氧分解生成乳酸的同时释放能量，使ADP磷酸化合成ATP，它是机体处于缺氧状态下的主要能量来源。机体乳酸能系统的能力可由机体负乳酸氧债的能力来衡量。血乳酸水平是衡量乳酸能系统能力最常用的指标。

（2）供能特点：在剧烈运动时，由于机体缺氧，造成细胞质中丙酮酸和NADH+H+的大量堆积，在乳酸脱氢酶的催化作用下，还原生成乳酸。随着运动时间的延长，乳酸生成及堆积增加，内环境pH不断下降，反过来抑制磷酸果糖激酶等酶的活性，抑制糖酵解。所以，在1～3min内以最大速度完成的活动，主要依靠乳酸能系统提供能量。乳酸能系统是人体在暂时缺氧的情况下的快速供能途径。人体肌肉和血液中乳酸堆积到高水平时，肌肉产生暂时性疲劳，而且可能是疲劳提前出现的主要原因。人体进行大强度运动时，血液中的乳酸不断堆积，在此过程中会出现一个乳酸增高的拐点，一般称为无氧阈或乳酸阈。此拐点通常出现在最大摄氧量的55%～65%，高水平运动员则可达85%～90%。

（3）供能速度：糖酵解系统远比ATP—CP供能系统复杂得多，在糖原分解成乳酸的过程中需要10～12个酶促反应，所有的酶促反应都是在细胞质中进行的。糖酵解系统不能产生大量ATP，且维持时间短，但合成ATP的速率较有氧代谢供能快，输出功率约为磷酸原供能的一半。

（4）运动与康复：训练乳酸能系统供能能力较好的方法是间歇训练，即全速（或接近全速）跑30～60s，间歇休息2～3min。这种训练可使血乳酸达到最高水平，提高机体对高血乳酸的耐受力，从而提高乳酸能系统的供能能力。运动训练必须遵守循序渐进的原则，不可骤然加大运动量，要充分恢复后才可参加剧烈的运动和比赛。要避免在运动时剧烈咳嗽，否则容易导致呼吸道感染、自发性气胸等。

四、训练与能量利用的节省化

通过运动训练，不仅可以提高人体的功能潜力，而且还可以使运动时能量供应出现节省化。它表现在经过系统训练后，完成同样的运动负荷时，有训练者消耗的能量较少。其主要原因是：①训练改进了动作技能，提高了动作自动化程度，使动作更加协调自如；②运动训练提高了呼吸、循环系统功能水平，减少了供能器官本身的能量消耗。如在完成相同强度的运动负荷时，有训练者较无训练者的心率和呼吸频率均低，心脏及呼吸器官的能量消耗也随之减少。

能量利用的节省化在运动实践中具有重要意义。从能量消耗的观点看，能量利用越节省，运动效率越高。

（胡　翔）