運動學(xué)教學(xué)課件：運動生理基礎(chǔ)1

運動生理學(xué)康復(fù)治療學(xué)精品課程系列之一、運動生理學(xué)的生物學(xué)基礎(chǔ)2023/5/233生物學(xué)是了解運動后生理變化的基礎(chǔ)。有時某些生理變化非常明確，例如運動中對作功肌提供O2和營養(yǎng)能源，但大量的改變由于其相互作用的機理極為復(fù)雜，至今尚不能完全清楚，例如激素的效應(yīng)等。除此以外，還經(jīng)常見到conditioning這一詞，該詞的直接含義是條件化，然而在康復(fù)治療的實踐中，就很難理解，因此我們就意譯為健化，這樣，deconditioning就可以理解為失健。2023/5/234在本節(jié)中，給出了許多有關(guān)生物學(xué)的名詞解釋，但其中有很多大家已經(jīng)學(xué)過，下面將挑一些與康復(fù)治療密切相關(guān)的名詞解釋給大家講解。2023/5/235能量（energy）所有生物作功其動力常直接由化學(xué)能轉(zhuǎn)變而來，如游泳、跑步等運動中的能量是由食物營養(yǎng)物經(jīng)消化吸收后所提供。所有能量均與活動有關(guān)，因此可理解為與變化相一致的動態(tài)過程，只有當(dāng)出現(xiàn)有變化時才體現(xiàn)其能量存在。如作功量增大，能量必須增高。根據(jù)熱動力學(xué)的第一律這一原理，能量是既不生成亦不被破壞的，僅僅是從一種形式轉(zhuǎn)變成另一形式。2023/5/236三磷酸腺苷（ATP）自然界最具活力的要素。最早在1860年法國Pasteur發(fā)現(xiàn)它但不認(rèn)識它，一直到1929年德國Lohmann發(fā)現(xiàn)在輔酶濾過體中存在一種不穩(wěn)定物質(zhì)，就是它使糖裂解。它由一個腺苷和3個磷酸鹽相結(jié)合，故命名為三磷酸腺苷（adenosinetriphosphate，ATP）。其潛能貯存于磷酸鏈中，稱之為“高能鏈”。ATP是所有生命細(xì)胞各種活動中均需要，并且不論是何種物質(zhì)產(chǎn)生，其結(jié)構(gòu)都是相同的，可以說ATP是生命物質(zhì)燃料之能源。2023/5/237三磷酸腺苷（ATP）2023/5/238離子（ions）是任何原子或原子簇失去或獲得電子后形成的帶電粒子，如一原子的電子數(shù)較質(zhì)子數(shù)少，即帶有正電荷，如H，如原子中的電子數(shù)多于質(zhì)子數(shù)則帶負(fù)電荷如Cl。鹽酸（HCl）可以分解成最簡單的離子形式H和Cl。+--+二、能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和肌功能2023/5/23101．身體內(nèi)的能量轉(zhuǎn)換人體必須不斷以化學(xué)能作為完成各種復(fù)雜功能的能源。在食品營養(yǎng)中的化學(xué)能通過復(fù)雜的酶控制進行的反應(yīng)且一過性地被利用。這種方式可減少熱的喪失，并且提供了在能量轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的強大效能。2023/5/2311ATP能量流（energycurrent）食物中的能量以ATP的高能復(fù)合物為人體提供能量。在ATP分子中的潛能為其后能量交換過程中提供動力。所有ATP水解時均需要ATP酶激活，此時ATP最外的磷酸鹽鍵斷裂，ATP降解為二磷酸腺苷（ADP），在此反應(yīng)中被釋放的磷酸鹽提供了約7.3kcal（30.54KJ）/克分子的游離能,因此ATP亦稱高能磷復(fù)合物。2023/5/2312身體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換規(guī)律（1）能量存在于糖、脂質(zhì)和蛋白的化學(xué)結(jié)構(gòu)中，它不是突然釋放的，而是在復(fù)雜的反應(yīng)中緩慢地釋放。（2）約有40％的營養(yǎng)物潛能以高能復(fù)合物ATP形式存在。（3）磷酸肌酸（CP）與ADP結(jié)合可形成ATP，因此可視CP為能量貯備以較快地重新合成ATP，ATP和CP均為高能磷酸鹽。2023/5/2313（4）磷酸化過程是指能量轉(zhuǎn)換以磷酸鹽聯(lián)接的方式進行，在磷酸化時，ADP和肌酸均不斷再進入循環(huán)以形成ATP和CP。（5）細(xì)胞氧化是在線粒體內(nèi)進行，并包含了電子轉(zhuǎn)移直至最后與O2結(jié)合成H2O。這一結(jié)合是通過能量轉(zhuǎn)移和釋放。（6）在需氧再合成ATP中，O2的最終轉(zhuǎn)歸是在呼吸鏈中與H結(jié)合形成H2O。因此能量轉(zhuǎn)移也是細(xì)胞的主要事件（mainevent）。2023/5/23142．人體在運動中的能量轉(zhuǎn)換在運動過程中，人體需要大量能量，如在劇烈運動中，肌肉中能量消耗可為安靜時的120倍或更多；但在強度較低、持久性運動中，則為安靜時的20～30倍。2023/5/2315能量可從三個不同層次獲?。?）即刻能量ATP－CP系統(tǒng)：如在100m沖刺、25m游泳或舉重時，幾乎毫無例外地在那些參與的肌群中，由貯備高能磷酸鹽ATP和CP提供。約5～12mmol的ATP和15～20mmol的CP/Kg肌肉，如假定某些運動中有20kg肌肉參與運動，則這些量只能維持輕快步行1min，慢跑20～30s，極快跑約6s，如超過這一時限，由于能源耗完，運動能力立刻下降。而任何運動均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此量，為此必須有其他途徑進行能量補充。2023/5/2316（2）短時能量—乳酸系統(tǒng)在劇烈運動中，超過限度后，高能磷酸鹽必須迅速再合成，此時主要通過對貯備糖原（肌糖）的無氧代謝—糖酵解來補充，結(jié)果形成乳酸。這一過程可以迅速通過底物的磷酸化過程提供ATP。由于此時供氧不足，所以糖代謝分解只能形成乳酸。2023/5/2317乳酸并不是在任一水平運動中均產(chǎn)生堆積，在輕至中等強度運動中，生成的乳酸可以很快被氧化，因此O2攝取量增加但血乳酸基本保持穩(wěn)定。當(dāng)運動強度增至個體最大有氧代謝能力的55％時，乳酸開始增高，亦此時開始出現(xiàn)組織缺O(jiān)2，此時的能量主要由糖無氧酵解提供,過多的H＋促使丙酮酸形成乳酸。如此時運動強度仍繼續(xù)很大，則乳酸不斷增加，這一血液中乳酸增高的拐點一般稱之為無氧閾或乳酸閾，通常是在最大吸氧量的55％～65％之間。2023/5/2318不同運動強度下血乳酸濃度改變（與最大吸氧量相對應(yīng)）

2023/5/2319（3）長期的能量—有氧系統(tǒng)有氧代謝反應(yīng)在運動后階段的能量提供極為重要，特別在劇烈運動時間長于2～3min。在慢跑中由于O2供應(yīng)充分，此時細(xì)胞利用O2的能力稱為攝氧能力。攝氧能力常與體形大小相關(guān)，即體形愈大攝（耗）氧愈多，通常為250ml/min（安靜基礎(chǔ)代謝時平均為160～290ml/min），攝氧還隨運動時間延長而增高，如慢跑4min時攝O2量可達(dá)1.6L/min，此時血液中乳酸量不增高。盡管在糖有氧代謝中仍可產(chǎn)生一定量的乳酸但它很快被氧化（進入三羧酸循環(huán)）或由鄰近少活動肌所利用，或進入肝臟進入糖原異生作用。2023/5/23203．最大攝氧量（VO2max/min）隨著運動強度和時間的增加，個體的攝氧能力不斷增高，當(dāng)再進一步增強作功時，攝氧能力不再升高甚至有所降低，這就是達(dá)到了最大攝氧量。衡量VO2max/min的兩個指標(biāo)是：主觀上已筋疲力盡，客觀檢查中CO2呼出遠(yuǎn)超出O2的吸入即呼吸商（RQ），其值超過1.1（正常為0.82）。2023/5/2321影響VO2max/min的因素運動模式：不同肌群參與，其值不同，如活動平板下肢最高，而上肢功率車運動則僅為下肢的70%，游泳則較低。遺傳：到底遺傳對VO2max影響有多少，至今尚有爭議。訓(xùn)練狀態(tài)：通過有效訓(xùn)練后可改善VO2max6％～20％。性別：通常女性低于男性15％～30％，即使在有訓(xùn)練的運動員中其差別仍存在，只是縮小到10％～20％。2023/5/2322身體成分：可有70％的差異，可能更與體表面積、身體質(zhì)塊（bodymass）、瘦體重、肢體容積相關(guān)。年齡：6歲時VO2max大致為1.0L/min，而16歲最高為3.2L/min（女性為14歲達(dá)最高），在14歲時男女相差為25％，至16歲相差可達(dá)50％。相對值在體重校正后男性在6～16歲間基本恒定為53ml/kg/min，女性6歲時52.0ml/kg/min，16歲時降至40.5ml/kg/min。在25歲后無論男女每年下降1％，到55歲時比22歲時下降27％。2023/5/2323肌纖維類別快縮纖維（fast-twitchfiber）或稱Ⅱ型肌纖維，它具有較高糖酵解能力和收縮速率快的特點。慢縮纖維（slow-twitchfiber）即稱Ⅰ型肌纖維，其收縮速度僅為Ⅱ型纖維的一半,由于這些纖維其有較多的線粒體和高濃度的氧化酶，所以可以持續(xù)地進行有氧代謝。2023/5/2324快縮纖維適于需急停急動的運動項目如籃球、足球、曲棍球等，而慢縮纖維則見于中、長距離跑、游泳等耐力性運動項目中。過去認(rèn)為肌纖維類型是先天形成，因為據(jù)單卵孿生子中其分布基本相同，而雙卵孿生子中則呈隨機性。但近年來研究證實，當(dāng)進行相應(yīng)支配神經(jīng)改變后可以發(fā)生肌纖維類型的改變，長期的訓(xùn)練也可改變其類別。2023/5/2325運動單位運動的功能單位稱為運動單位。由脊髓前角運動神經(jīng)元發(fā)出的終末支，與不同數(shù)量、具有相似生化和生理特性的肌纖維相連接形成運動終板。這種由運動神經(jīng)元的終末支及其所支配的肌纖維合稱為運動單位。2023/5/2326⑴運動終板（motorend-plate）亦稱神經(jīng)肌肉聯(lián)接（neuromuscularjunction）即穿入肌肉后的軸索，神經(jīng)纖維末梢在鞘膜下形成若干個較小的軸索分支，其末段即為突觸前末梢，它與肌纖維的內(nèi)膜非?？拷恢苯咏佑|，而是被接頭間隙隔開，分別形成突觸前膜和后膜。當(dāng)神經(jīng)沖動到達(dá)神經(jīng)末梢時，前膜的通透性發(fā)生改變，使膜外的Ca進入神經(jīng)末梢的軸漿中，使軸漿內(nèi)含乙酰膽堿泡集中到前膜附近，并向接頭間隙中釋放乙酰膽堿。在后者刺激下突觸后膜產(chǎn)生去極化，沖動傳導(dǎo)肌肉產(chǎn)生興奮（收縮），同時膽堿脂酶使乙酰膽堿立即分解失活，以準(zhǔn)備迎接下一個興奮沖動。2+

2023/5/2327神經(jīng)肌肉接頭處微解剖結(jié)構(gòu)示意

2023/5/2328（2）運動單位類型I型即緩慢-氧化型(SO),Ⅱa型快速氧化—糖原分解型（FOG）Ⅲb型即快速—糖原分解型（FG）。2023/5/2329不同運動形式對骨骼肌的影響

——見《運動學(xué)》書64頁表格

三．運動對營養(yǎng)物代謝的影響2023/5/2331人體營養(yǎng)素大營養(yǎng)素糖、脂肪和蛋白質(zhì)小營養(yǎng)素維生素、微量元素等2023/5/2332糖類代謝糖是人體組織細(xì)胞的重要組成成分之一，在體內(nèi)的含量雖然較蛋白質(zhì)和脂肪少，但它是人體能量的重要來源。2023/5/2333糖在體內(nèi)的代謝過程食物中的糖經(jīng)消化道分解血液一部分到肝臟，合成肝糖原一部分到肌肉，合成肌糖原一部分被組織直接氧化利用2023/5/2334

肌糖原是運動中的主要能源，隨著運動方式、運動強度、時間、飲食條件、訓(xùn)練水平和周圍環(huán)境不同而變化，運動強度越大，肌糖原利用越多。肌糖原是維持肌肉作功的主要能源，至少在開始的40～60min運動中如此。以后當(dāng)肌糖原分解減少時，肌肉攝取和利用葡萄糖（可從肝糖原分解或糖原異生而來）逐漸成為愈來愈重要的能源。在70%～80%VO2max強度下持續(xù)運動1～2h，可幾乎完全用盡肌糖原而出現(xiàn)衰竭。

2023/5/2335脂肪代謝脂肪是一種含能量最多的物質(zhì)，在體內(nèi)氧化釋放能量，是人體運動時重要的供能物質(zhì)。脂肪是構(gòu)成細(xì)胞的組成成分。脂肪大部分是貯存在皮下結(jié)締組織、內(nèi)臟器官周圍和大網(wǎng)膜等處。2023/5/2336脂肪的體內(nèi)代謝過程以儲存性脂肪的形式存留起來。參與構(gòu)成人體組織。再分解為甘油和脂肪酸等，然后直接氧化成二氧化碳和水，或轉(zhuǎn)變?yōu)楦翁窃?。被各種腺體利用生成其特殊的分泌物，如外分泌腺產(chǎn)生的乳汁、皮脂，內(nèi)分泌腺分泌的類固醇激素等。2023/5/2337蛋白代謝蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)，是建造、修補和再生組織的主要材料，在耐力型運動中蛋白在能量底物中亦具有重要作用。四．運動對呼吸系統(tǒng)的影響2023/5/2339肺泡人體肺泡約有三十億個，如把每一肺泡張開可達(dá)60～80m，約為人體表面積的35倍以上。肺泡極薄且有彈性的肺泡壁使肺和血管中的氣體交換成為可能。肺泡比身體其他器官有更豐富的血流供應(yīng)，無數(shù)毛細(xì)血管與肺泡密切相依，使氣體極容易在肺泡和血管之間進行彌散。肺泡通氣的主要功能即在于無論在安靜或運動時，維持最佳的體內(nèi)血O和CO濃度。2222023/5/2340Valsalva效應(yīng)人在深吸氣后，如果關(guān)閉聲門，用力收縮呼氣肌，此時胸腔內(nèi)壓力可高達(dá)150mmHg以上，這時立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)反應(yīng)：即血壓迅速升高，以使血液從心臟進入血管內(nèi)，同時靜脈內(nèi)壓較低易受壓而使血流進入心臟減少，進而排出量減少，緊接著出現(xiàn)血壓下降，使腦血供減少產(chǎn)生頭暈，甚至昏倒，這一現(xiàn)象稱為Valsalva效應(yīng)。2023/5/2341肺通氣指標(biāo)用力肺活量（FVC）：在一次呼吸中，從最大吸氣至最大呼氣即為用力肺活量，它由潮氣量、補呼氣量、補吸氣量組成。（正常健康年輕男性為4～5L，女性為3～4L，運動員最高可達(dá)8.1L）。潮氣量（TV）：在平靜吸和呼氣時，肺進出氣量。補呼氣量：在平靜呼出氣后再用力呼氣，此時呼出的氣體為補呼氣量，也稱呼氣儲備量（ERV）補吸氣量：在平靜吸氣后，如果再用力吸氣，此時吸入的氣體為補吸氣量，或稱吸氣儲備量（IRV）。殘余肺量（RLV）：在深呼氣后仍有部分氣體殘留肺內(nèi)，這部分氣量稱為殘余氣量。2023/5/2342肺容量的各項指標(biāo)

2023/5/2343解剖死腔在呼吸中，有部分氣體雖然進入器官內(nèi)，但并未進入肺泡內(nèi)進行氣體交換，這一部分不進入肺泡進行氣體交換的氣體量，即從鼻、口腔、氣管和部分支氣管（在呼吸性細(xì)支氣管以上）的容量稱之為解剖死腔量。在健康人中，解剖死腔量平均為150～250ml，約為TV的30%。由于解剖死腔的存在，使在不同呼吸頻率和深度時即使肺通氣量相同，可出現(xiàn)不同的肺泡通氣量。2023/5/2344通氣-血流比（V/Q）通氣/血流比是指每分肺泡通氣量與每分肺血流量之比，該比值影響氣體交換。當(dāng)比值增大時，表明生理無效腔增大，說明未能很好利用肺通氣。當(dāng)比值減小時，表明發(fā)生了功能性短路，說明未能很好利用肺血流。正常人安靜時，肺總的通氣/血流比值為0.84，但各局部的并不相同，肺尖部的通氣/血流比增大，可達(dá)了以上，肺下部則減小，約0.6。2023/5/2345氣體交換O2的供應(yīng)取決于大氣中的O2濃度及其分壓大氣中的氣體組成比較恒定，即20.93%O2，79.04%N3，0.03%CO2以及少量水蒸氣。在一混合氣體中，一個大氣壓為760mmHg，不同的氣體分子含量具有自己的分壓，例如N3為600mmHg，O2為150mmHg，CO2為0.2mmHg。2023/5/2346肺泡氣與吸入的濕潤氣體不同，干燥的大氣在吸入人體經(jīng)過鼻，咽喉，氣管的濕潤作用，其壓力實際為760－47mmHg=713mmHg，且CO2已從血管進入肺泡，因此各氣體含量是N380.0%，O214.5%，CO25.5%，這一分壓與血液內(nèi)和大氣中氣體交換分壓存在明顯差別，氣體即從分壓高處向低處轉(zhuǎn)移，完成肺泡和血液內(nèi)氣體的交換。2023/5/2347安靜時體內(nèi)氣體交換的壓力梯度2023/5/2348O2在血液中以兩種形式存在物理溶解于血液中，這種形式極少，僅有0.3ml溶解于血液中。其他均與血紅蛋白（Hb）結(jié)合，達(dá)到轉(zhuǎn)運的目的。2023/5/2349CO2轉(zhuǎn)運：當(dāng)細(xì)胞中產(chǎn)生CO2時，它會通過彌散進入血液，然后通過靜脈至肺。少量溶解在血漿中（約5%）。另外約20%與Hb結(jié)合，反應(yīng)的方程式為：（CO2+HbNH→HbNHCOOH）（氨基甲酰血紅蛋白）。大量的二氧化碳與水結(jié)合（60%～80%，CO2+H2O→H2CO3）。2023/5/2350氧合血紅蛋白分離曲線2023/5/2351運動影響（1）運動中攝氧量的變化，主要受三個方面生理因素的影響：①人體直接從大氣獲取O2的通氣功能。②血液循環(huán)運載氣體的功能。③組織對O2的攝取利用功能。2023/5/2352通常人體通氣功能有相當(dāng)大的容量范圍。在需O2極大的運動情況下，呼出氣體中剩余的O2量還是很大的，因此通氣能力對攝O2量的限制并不顯著。而血液運載氣體和組織對O2的攝取則受心輸出量、組織內(nèi)血管網(wǎng)的開放程度和血液有效成分的限制，它們的容量范圍相對較小，因而在很大程度上制約著攝氧量的增大，也即制約著運動能力。2023/5/2353“穩(wěn)定狀態(tài)”（steadystates）：在輕或中等強度運動中，只要運動強度不變，攝氧量能夠滿足需氧量，即能量消耗恒定時，攝氧量便能保持在一定水平的穩(wěn)態(tài)。2023/5/2354進入工作狀態(tài)在運動剛開始的短時間里，因呼吸、循環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)比運動系統(tǒng)遲緩，O2在體內(nèi)的運輸滯后，致使攝氧量水平不能立即到位滿足身體的需氧量，而是呈指數(shù)函數(shù)曲線樣逐漸上升，運動過程的這個時期我們稱為進入工作狀態(tài)。舉例：中長跑開始階段出現(xiàn)的“拐點”2023/5/2355“進入工作狀態(tài)”這一階段的攝氧量與“穩(wěn)定狀態(tài)”推斷的需氧量相比，其不足部分即無氧供能部分，我們傳統(tǒng)上稱為“氧虧”（oxygendeficit）2023/5/2356當(dāng)運動結(jié)束進入恢復(fù)期時，攝氧量也并非從高水平立即降至安靜時的水平，而是逐漸移行到安靜水平。這一超過安靜水平多消耗的O2，傳統(tǒng)上被稱為“氧債”（oxygendebt），并認(rèn)為“氧債”與總的“氧虧”等量。2023/5/2357（2）最大攝氧量概念：隨著運動強度和時間的增加，個體的攝氧能力不斷增高，當(dāng)再進一步增強作功時，攝氧能力不再升高甚至有所降低，這就是達(dá)到了最大攝氧量。強度逐級加大的運動實驗中，若人體已經(jīng)達(dá)到最大攝氧量后，運動強度繼續(xù)加大，則會導(dǎo)致乳酸大量積聚，呼吸商可超過1.10，H+濃度升高，乳酸被緩沖物中和，分解排出更多CO2。2023/5/2358呼吸的指標(biāo)安靜大運動量后呼吸頻率(f)10次/min50次/min潮氣量(VT)0.6L/min3.2L/min每分通氣量(VE)6L160L吸氣量(VO2)0.25L4.57L二氧化碳