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運動時供能物質的消耗和恢復過程------------超量恢復學說

不同運動項目的疲勞存在一定規律性,短時間最大強度運動的疲勞是由於細胞內的代謝變化導致ATP轉換速率下降或一部份運動單位不能參加收縮所致.長時間中等強度運動疲勞往往與能源儲備動用過程受抑制有關.靜力性運動疲勞和短時間最大強度運動時疲勞相似,但中樞性和肌細胞上的疲勞更明顯. 運動時和運動後供能物質量的變化,是消耗和恢復過程保持平衡的結果.運動時以消耗為主,恢復過程跟不上消耗過程,表現為能源物質數量下降;運動後休息期,以恢復過程為主,消耗過程下降,因此,能源物質逐漸恢復,達到或超過原來水平.研究運動時和運動後休息期供能物質變化與運動能力的關係時,不可避免地要涉及到兩個基本問題.即一,供能物質數量變化的規律;二,供能物質數量變化與代謝調節,身體機能相適應的變化規律,這兩個問題是密切相連,但又有其不同的研究領域.關於對運動時供能物質的消耗和恢復過程的超量恢復學說的研究始於1950蘇聯的科學家,她以不同電剌激頻率使青蛙肌肉收縮相同次數後,在不同時間測定肌糖原含量的變化.証明了:一,在適宜的剌激強度下肌肉收縮肌糖原消耗剌激強度增大而增加;二,在恢復期中有一個階段會出現被消耗的物質超過原來數量的數量階段,稱為超量恢復;三,超量恢復和消耗過程有關,在一定范圍內,消耗越多,超量恢復越明顯.隨後,蘇聯許多運動生化工作者對肌肉中磷酸肌酸,肌肉蛋白質,肌紅蛋白,磷脂,酶活性的超量恢復過程進行研究,証明了超量恢復過程的客觀存在并且不同的物質超量恢復速度不同,如磷肌酸超量恢復比肌糖原早.因此,蘇聯在運動生化的研究中提出了:一,運動時消耗物質數量的超量恢復原理;二,運動後恢復期中消耗的物質恢復異時性原理,超量恢復的基本根據物質的消耗恢復過程的規律,在訓練可供應用有如下幾方面:一,訓練課中休息間歇的掌握.二,訓練期中休息間歇的掌握.三,肌糖原的超量恢復糖原填充法.

在 1929 年,德國化學家羅曼 (K. Lohmann) 首先發現 ATP化學分子。幾年之後,ATP 的化學結構被決定。1948 年,英國科學家托德 (Alexander Todd) 化學合成 ATP(托德是 1957 年諾貝爾獎化學獎得主)。在 1939 至 1941 年期間,利普曼 (Fritz Lipmann) 證實 ATP 是細胞內所有生物化學能量的運儲者(利普曼是 1953 年諾貝爾獎得主),並且證實其能量是儲藏於高能磷酸化學鍵 (energy-rich phosphate bonds)。在所有的生物中,從細菌、黴菌一直到高等動、植物,包括人類在內,ATP 都是扮演能量的運儲者,ATP 的形成是藉著生物細胞內養分的燃燒所形成,而後 ATP 被生物體用於合成細胞物質、肌肉收縮、神經信息傳遞及其他多種生理反應,所以 ATP 被稱為細胞的能量貨幣 (energy currency) ,也就是說凡是需要能量,就必須使用 ATP。

  由上圖可以了解 ATP 是由一個核酸連結三個磷酸根而成,當 ATP 的最外一個磷酸根 (γ-phosphate) 被水解形成 ADP 及一個磷酸根時,能量就會釋出,而用於生物體內的各種化學反應;反之,能量也可以用於將 ADP 及磷酸根結合形成 ATP,至於 ATP 如何形成及 ATP 如何被消耗,正是今年三位得獎者及其他科學家共同努力而得到答案。


肌肉收縮與能量的關係

骨格肌肉纖維細胞內的ATP(三磷酸腺苷)被分解為ADP(磷酸腺苷)時,所產生的能量使肌肉收縮。ATP→ADP被分解而產生的ADP吸收能量後再合成變回ATP、再被利用。以上兩個過程連續不斷地循環下去。ADP→ATP ADP→ATP再合成所需要的能量為如下三類   為肌肉中的肌酸酐被分解時產生的能量(ATP-CP系)   肝糖原被分解時產生的能量(乳酸系)   肝糖原、脂肪被分解時產生的能量(TCA回路系)等   ADP→ATP再合成時的兩種途徑  

○ADP吸收分解肌肉中存在的肌酸酐、肝糖原時所產生的能量,然後再合成為ATP。 ●ADP吸收由血液輸送的肌酸酐、脂肪分解時產生的能量,然後再合成為ATP。

○前者「短時間大量合成ATP,引發出很大的力氣」。被稱為無氧性能量供應過程。這種途徑有ATP-CP系※1和乳酸系※2。 ●後者「持續合成少量的ATP,引發出較小的力氣」。被稱為有氧性能量供應過程。這種途徑為TCA回路系※3。

在此分別說明以上三種系 ※1 ATP-CP系 所貯藏的 ATP被分解為ADP發出較大力氣時,ATP很快就被消耗掉,此時ADP吸收所貯藏的CP分解過程中產生的能量,再合成為ATP。ATP又迅速被分解為 ADP,產生肌肉收縮所需的能量。這種循環過程稱作ATP-CP系。這個過程不需要氧氣。所貯藏的CP被消耗掉後,ATP的再合成仃止,肌肉收縮也仃止。 舉個例:體重為60kg的成人,ATP-CP系的能量約存有6,000卡,肌肉輸出較大能量時,ATP-CP系的能量約8秒就供應結束。

※2 乳酸系所貯藏的CP被消耗掉後,ATP的再合成仃止,肌肉收縮也仃止。一般認為ATP-CP系的能量約持續8秒就供應結束。實際上雖然輸出了較大力氣,ATP- CP系的能量將會持續至約33秒。其因是除了ATP-CP系外尚有其他能量的來源。它是所貯藏的肌肉糖原被分解時所產生的能量,該能量繼續完全ADP→ ATP循環。氧氣不參於這個過程,但是產生副產物乳酸,因此稱為乳酸系。乳酸妨礙肌肉收縮,在肌肉裡蓄儲了一定量的乳酸時肌肉仃止收縮。 無氧性運動有:100~400米跑步,擺動球棒、球棒、100米游泳、500米滑冰、舉重、瞬間跳躍等運動。

※3 TCA回路系肌肉所發出的力氣小時,足夠的氧氣被輸送到肌肉纖維細胞裡,分解肝糖原、脂肪時所產生的能量被ADP吸收,再合成ATP。此時,肝糖原、脂肪被分解為二氧化碳和水,這些物質被排泄在體外,因此不會妨礙肌肉的收縮。這種能源的供應稱為TCA回路系(Tri-Carbo-hydrate Acid)。 TCA回路系 所能供應的能量比起無氧性的少,因此肌肉所發出的力氣較弱。但是只要有足夠的氧氣、肝糖原、脂肪時ADP→ ATP循環將繼續下去,肌肉將持續收縮。 有氧運動有:1,500米馬拉遜、越野滑雪、步行、散步、騎自行車等。

使盡全力跑步後「哈-哈-....」這種喘氣現象將持續一段時間,然後逐漸回復到正常呼吸。所進行的運動越劇烈,「哈-哈-....」喘氣現象持續的時間越長,回復的時間也越慢。這種運動的能源供應為 ATP-CP系。 慢走時幾乎不會產生喘氣,這種運動的能源供應為TCA回路系。

為什麼會發生「哈-哈-....」喘氣呢?以ATP-CP系、乳酸系運動後,為了使ATP、CP的貯藏量恢復到正常量,另外,需要迅速排出掉貯蓄在肌肉內的乳酸需要比平時多得多的的氧氣,因此劇烈運動後發生「哈-哈-....」喘氣現象,這種劇烈運動後氧氣的大量攝取現象被稱為氧氣負債(無氧運動)。 ○3秒鐘就結束的用盡全身氣力的運動: 主要產生ATP-CP系能源供應。為了使ATP、CP的貯藏量恢復到正常量,運動後要有某種程度的氧氣負債。 ○10秒~1分鐘左右就結束的用盡全身氣力的運動: 主要產生ATP-CP系、乳酸系能源供應。為了迅速排出掉貯蓄在肌肉內的乳酸並回復正常,運動後要有某種程度的氧氣負債,其量比前述者(ATP-CP系)多。 ○1分~3分接近於用全身氣力的運動: 乳酸系加上TCA回路系能源供應。為了恢復正常運動後要有某種程度的氧氣負債。 ○持續3分鐘以上的運動:TCA回路系能源供應。所貯藏的糖原、CP等的消耗及乳酸的貯蓄少,運動後氧氣負債少。再次進行這種程度的運動時,會引發ATP-CP系能源供應,由於有足夠的氧氣供應,馬上開始TCA回路系的能源供應

在每次訓練課中,運動員身體的恢復不可能達到完全恢復或超量恢復. 如何選擇最適宜的休息間歇時間,以保證完成訓練任務,又取得良好的訓練效果,是訓練課中值得注意的問題,目前研究較為清楚的是磷酸原(ATP CP)的恢復.在運動時消耗了的ATP和CP大部份在2~3分鐘內恢復.但是,一次最大量的ATP和CP消耗的練習,休息2~3分鐘時間太長了,在訓練中當恢復原數量二份之一時,就可以維持預定的運動強度,因此就選擇恢復期中從合成運動時用去數量的1/2所需的時間(半時反應);如果在運動肌中產生大量的乳酸,則選擇透過肌膜最大的氫離子1/2的時間,作為適宜間歇休息的最適宜時間,目前研究結果認為: --10秒全力運動的半時反應時間為20~30秒,因此,最適宜的休息間歇不應短於30秒. --30秒全力運動的半時反應為60秒,因此,最適宜的休息間歇為60秒左右. --1分鐘全力運動後,半時反應約為3~4分鐘,因此,休息時間要長達4~5分鐘. --最大乳酸產生的成組練習(如:MAX.HRX10秒X4組)後,血乳酸消除的最佳半時反應應為十五分鐘左右.

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