摘要：该文通过对运动生物化学理论的深入研究, 浅析人体内三大供能系统的能量供应, 及运动时物质和能量代谢规律。从运动生物化学角度阐述中长跑运动能量供应及代谢规律, 目的在于为提高中长跑运动员的能量供给能力和运动能力科学训练提供理论依据和指导。
关键词：运动生物化学; 供能系统; 代谢规律; 运动能力;
1 问题提出
科学进步引领着体育运动科学的发展, 运动训练由摸爬滚打的经验式逐步走向以理论为指导, 理论实践相结合的科学的运动训练, 使大家更加注重对理论的研究。剧烈运动时人们能够感知身体对能量的需要, 能量不足难于支撑运动达到大家所期望的要求, 而过早产生疲劳。那么运动中体内发生怎样一系列物质代谢和能量变化, 机体又是怎样与环境间的物质进行着交换, 运动生物化学以其作为研究对象, 进行了科学阐述, 如何消除或延缓运动时产生的疲劳, 达到预期运动目标, 包括现代竞技体育的激烈竞争中运动员在极限范围内怎样才能最大限度的发挥自己的潜能, 增加体内能量物质的储备等, 对运动员成绩的提高都有着至关重要的作用。
2 研究方法
2.1 理论研究
运动生物化学理论告诉人们, 运动能够改善机体的化学组成, 比如可增加机体内的糖量、蛋白质数量, 也可以减少体内脂肪, 而糖、蛋白质和脂肪是提高身体素质的物质基础, 也是提高运动能力的主要因素, 运动促进身体的新陈代谢及能量转换, 可以提高机体对运动更高的承受力。
运动激烈的短跑项目, 有效促进肌肉中的蛋白质、磷酸肌酸CP增多, 激发无氧代谢酶活性, 改善无氧代谢能量供应过程, 使乳酸调节能力得到加强。而长跑、越野等长时间的激烈运动中, 肌肉糖量增多, 有氧代谢酶的活性和脂肪代谢能力及有氧代谢能量供给过程得到提高。与运动能力有关的骨骼肌纤维的组成和代谢机能, 也可以从生物化学的角度得到解释, 运动过程中能量的供给、转移和利用的能力决定着运动能力高低, 运动中能量供应的多少, 对机体有氧或无氧代谢能力的影响, 与运动项目、强度, 训练方法和运动时间都有关系。三磷酸腺苷 (ATP) 、二磷酸腺苷 (ADP) 、磷酸肌酸 (CP) 等高能磷酸化合物对运动起着绝对的作用。不难知道ATP是运动时肌肉收缩的唯一直接能源, CP是使ADP迅速再合成为ATP的间接能源, 通过水解ATP释放出能量, ADP则经过磷酸化作用后转化为高能磷酸化合物储存下来, 为运动提供能量支撑, 但是ATP储量有限, 若消耗之后不及时补充就会影响机体运动。
2.2 人体三大供能系统
ATP-磷酸肌酸供能系统、糖酵解 (无氧呼吸) 供能系统和有氧氧化供能系统是人体内三大供能系统。
2.2.1 ATP-磷酸肌酸供能系统
人们已经知道ATP是唯一能直接供给机体的能源, 但在肌肉中的储量很低, 以至当进行剧烈运动时, 能够为身体提供能量的时间仅在1~3 s, 之后的能量就要依靠磷酸肌酸水解后产生的能量转移给ADP再生成ATP。体内少量的磷酸肌酸所提供的能量也仅能维持几秒的运动。这两项供应的能量大约可以维持6~8 s左右的时间。接下的ATP由糖的无氧酵解合成。无氧酵解系统产生的能量可以维持2~3 min的时间。所以有限的ATP存储量, 在分解时必须通过不断的再合成来及时补充, 而ATP再合成的速率恰恰是影响短时、高强度运动能力的关键。研究表明:ATP的再合成的转换速率, 可以通过运动来提高ATP酶的活性, 达到提高肌肉中CP的储量和磷酸肌酸的活性, 加快CP促成ADP转化成ATP的速率, 以保证在短时间内剧烈运动时肌肉能量的供给。磷酸原系统的最大输出功率每千克湿肌0.48~0.9 mmol/s~P, 肌肉中原有的ATP可维持最大强度运动6~8 s。所以短跑时运动员以最大的速度跑时也只维持在6 s左右, 随后速度减慢, 由此可知除10 s以内的短跑项目外其他运动仅仅靠这个供能系统提供能量是不够的, 还必须从其他供能系统得到能量。
2.2.2 糖酵解供能系统
第二大系统糖酵解系统, 它是由一系列酶催化生产乳酸的同时合成了ATP。在这个供能系统中, 糖原在无氧状态下或氧供应不足时产生乳酸, 过多的乳酸使肌肉产生酸痛, 同时乳酸也会抑制ATP的再合成, 若氧充分乳酸还可再被氧化, 最终分解为水和二氧化碳。当大强度的运动超过6~8 s后, 糖酵解过程被激活产生的能量, 继续为机体提供能源, 在30~60 s间的运动, 糖酵解速率达到最大输出功为每千克湿肌0.33 mmol/s~P, 约是磷酸原系统的一半, 糖酵解是极量运动的重要能量系统, 在运动中所提供的能量, 表现出的肌肉力量和运动强度虽不如磷酸原系统, 但维持运动时间较长, 是30 s~2 min之间最大强度运动的主要供能系统。糖酵解供能能力对运动成绩有决定性作用, 是竞技技能充分发挥的先决条件。由于无氧呼吸产生的乳酸导致肌肉酸痛影响速度的提升, 所以有氧呼吸释放的能量是长时间的耐力运动的动力源泉。
2.2.3 有氧氧化系统
有氧代谢是人体能量代谢中最基本的方式。血红蛋白运送氧气, 氧化磷酸化作用合成大量的ATP。这一过程消耗大量氧, 故称之有氧氧化系统。有氧供能速度比无氧供能速度慢, 反应的产物是CO2和H2O, 所以它的反应充分完全, 需要的时间长, 没有乳酸堆积的问题。体内储存有较多的糖、脂肪, 正常人的脂肪约占体重10%~20%, 在较强的摄氧能力的情况下, 调动体内脂肪持续运动1~2 h是没有问题的。运动强度决定着糖和脂肪酸的有氧氧化过程中供能的多少, 有资料显示:当运动强度达到最大摄氧量的75%或者以上时, 糖氧化供能所占的比例大, 所以此时糖是主要的供能源;随着运动强度降低至最大摄氧量的65%以下时, 脂肪供能的比例大大超过糖氧化所提供的能量而成为主要的供能源。有氧是体内脂肪酸氧化的必要条件, 若运动强度增大, 而摄入的氧不足时, 脂肪所提供的能量就很少。
2.2.4 供能系统的关系
运动中能够提供能量的物质有多种, 随着运动情况的不同, 各个不同时间所利用的能量物质顺序, 以及所占比例都有所不同。例如属于极量强度的100 m跑, 磷酸原最先提供能量, 输出功率大, 速度提高的快, 所以是以磷酸原供能为主的运动项目。数秒钟之后肌肉乳酸浓度升高了, 糖酵解系统开始供能, 细胞内所储存的氧还可供机体中的糖进行有限的有氧氧化。以有氧代谢为主的马拉松跑, 开始的能量就是磷酸原首先供给的, 途中的加速跑及终点的冲刺需要瞬时加速, 仍然要通过输出功率较高的糖酵解供能完成。各系统输出功率由大到小顺序依次为:磷酸原系统>糖酵解系统>糖有氧氧化>脂肪酸有氧氧化。
综上所述, 短时间大强度的运动, 主要依靠ATP-磷酸肌酸供能;长时间低强度的运动, 主要是有氧呼吸提供能量;而介于二者之间的中等强度的运动较短时间, 则主要由无氧呼吸提供能量。
3 中长跑项目分析
3.1 中长跑三个阶段
以亚极量强度的比赛项目800 m为例, 由起跑、途中跑和冲刺三个阶段构成。
3.1.1 起跑阶段
起跑时运动员会以最快的速度抢占有利位置, 此时启用的是磷酸原供能系统, 以最快的供能速度和最大功率输出, 肌肉在运动约1~3 s后由CP在肌酸激酶 (CK) 的催化下, 将ADP再合成为ATP维持6~8 s的供能, 是供能最快的供能系统。如果想要运动员在起跑就占据一定的优势, 那就需要最大限度的提高CP的浓度, 以达到延长CP供能的时间。在提高CK酶活性的同时, 提高运动的爆发力。
3.1.2 途中跑阶段
当将进入途中跑阶段机体主要是由糖酵解系统供能的。起始的剧烈运动消耗了磷酸原提供的能量, 糖酵解系统启动, 急促的呼吸造成氧的不足, 在无氧条件下糖分解提供能量同时生成乳酸, 造成肌肉酸疼。过多的乳酸使体内平衡破坏, 降低代谢水平, 以致难以保持较高的运动强度, 运动能力也就下降了。随着氧供应的不断增加, 呼吸均匀心肺功能逐渐增强, 有氧氧化供能开始, 糖、脂肪在氧供应充足的条件下, 开始提供能量, 糖在有氧条件下分解不会产生乳酸, 供能时间较长, 可以更好的保持较高的运动强度, 充足的氧逐渐消化堆积在肌肉中的乳酸, 有氧代谢能力进一步增强, 运动员的机体得到恢复, 建立新的代谢平衡, 运动员继续挑战身体极限。
3.1.3 冲刺阶段
进入冲刺阶段呼吸加深加大, 此时有氧呼吸无氧呼吸都有, 当有氧呼吸也不能满足机体需要, 腿部肌肉进行无氧呼吸来补充能量的不足。
中长跑运动的能量主要是糖酵解供能系统和有氧氧化系统提供的, 既有氧代谢和无氧代谢, 有氧代谢为主的能量代谢过程。所以中长跑训练实质是提高机体有氧代谢和无氧代谢能力。
3.2 运动各阶段糖摄取
3.2.1 运动前提高糖储备
糖类是人体主要能源物质, 较其他物质有吸收速度快, 食后迅速消化吸收进入血液等特点, 为了提高运动能力, 保障运动时血糖的稳定, 提高糖的储备是十分必要的。这就需要运动前适当的补糖, 以保障比赛时快速调动机体运动能力和长时间运动以及到最后的冲刺力, 同时还要保障运动中胃肠等功能的正常运转。
3.2.2 运动中补糖
运动过程中适当摄入糖, 除了可以保持血糖浓度外, 还可以提高摄氧能力, 增强有氧代谢, 减少蛋白质的消耗, 同时帮助消除产生的乳酸, 很好的维持能量的平衡, 亦可达到推迟疲劳的过早产生。
4 结语
综上所述, 根据人体三大供能系统及运动时物质和能量代谢规律, 制定训练计划, 适时补充糖原, 提高人的运动能量, 可以延缓运动疲劳发生, 最终提高中长跑的运动成绩。竞技运动员在向生理极限挑战中, 才能有所突破, 由此运动生物化学为提高中长跑运动员的供能能力和运动能力的科学训练提供了科学依据和理论指导。
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