史仍飞
人体能源物质是怎样利用的? 精选
2020-8-31 22:16
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人体能源物质是怎样利用的?

史仍飞/文 

今天我们关注运动、营养、减肥和健康时,总是躲不开的关键词是能量(卡路里)。能量对于我们是那么重要,可又是那么遥远。遥远的是不知道人体各器官是如何储存和消耗能源物质?不知道在运动时,是先利用糖,还是脂肪作为燃料。嗯,这也不能怪我们,毕竟生物细胞已经存在几十亿岁了,而我们的科学认知才只有有限的年月,甚至可以忽略。

人同其它机动车辆一样,只要工作就要消耗能源物质;人又不同于机动车,所需的能源不是单一的品种,而是从每天的不同食物中汲取里面的糖、脂肪、蛋白质等能源物质,然后由这些能源物质再转变合成ATP(三磷酸腺苷),从而满足一切生理活动的需要。

人体能源物质如何储存的?

人体生命过程所需要的能量主要来自每天所吃的食物,经过一系列的代谢储存在人体内满足生命活动的需要。分别是磷酸肌酸、糖原、脂肪、氨基酸等能源物质。其中磷酸肌酸主要储存在肌细胞中,相对含量很少,仅能维持极短的时间。储存量相对较多的是糖,主要以肌糖原、肝糖原的形式,包括循环系统中的葡萄糖 ,合计在一起也只有500g左右。就是这部分储存的糖对于我们的健康非常重要,它是最有效的能源物质,缺氧的时间咱们可以利用它供能,在有氧的时间我们也可以利用它提供能量。唯一不利的是储量仍不是太多,这可能造物主就是这样设计的。就像磷酸肌酸一样,若储存多了就会增加肌肉质量;当积累较多的糖原时,机体会进一步集聚更多的水分,最终都会导致体重的增加,不利于运动的速度等素质。

储存最多的能源物质是脂肪,主要分布于皮下脂肪组织、内脏周围,脂肪储存的多寡受个体遗传、生活方式、体力活动、膳食营养等因素的影响。但脂肪只能在有氧情况下提供能量。

蛋白质可以提供能量,但人体内并没有多余的以能源物质形式储存的蛋白质。

 卡路里究竟是何物?

卡路里(calorie),简称卡,缩写为cal,由英文音译而来,是一种热量单位。其定义为在1个大气压下,将1克水提升1摄氏度所需要的热量;卡路里被广泛使用在营养计量和健身手册上,国际标准的能量单位是焦耳(joule)。

关于能量及能源物质,我们大众最熟悉的概念就是卡路里。能源物质糖、脂肪、蛋白质在氧化分解生成的能量(卡路里),其中一部分能量在体内转变成高能化合物三磷酸腺苷(ATP),是生物释放,储存和利用能量的媒介,是生物界直接的供能物质;另一部分能量以热量的形式散失(维持体温、或是通过不同途径散失掉,如汗液)。如果这部分不做功的能量能用于转化成电能该多好呀,比如发明一个人体生化充电电池之类,其价值可能是不可估量的。

不同生活状况下能量是如何利用的?

安静状态下,人类进化到今天,机体主要是以有氧代谢的方式提供能量,但由于不同器官及功能的适应,有些组织细胞仍然通过无氧代谢方式维持供能,比如红细胞。

不同器官利用的能源物质略有差异。正常情况下,人体大脑占基础代谢率的20%;这一代谢系统几乎完全依赖葡萄糖的有氧代谢,但在饥饿缺糖的情况下,也会利用脂肪酸代谢的酮体作能源物质。而心脏优先燃烧脂肪酸、乳酸和葡萄糖,甚至可以利用一些氨基酸。

哺乳动物快肌纤维主要以葡萄糖(或糖原)为能源物质,以无氧糖酵解供能,有氧氧化代谢率相对较低;相反,氧化型慢肌纤维则优先代谢脂肪酸,但也可以利用葡萄糖。

运动状况下,机体的代谢围绕骨骼肌的供能产生适应性变化,此阶段代谢率根据运动负荷的可提高至20倍左右,而消化系统及内脏器官代谢率也会相对下降。下表数据为剧烈运动与安静状态下,不同器官相对氧消耗率。

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作为主要能源物质的糖和脂肪能用多久?

糖原似乎是高强度有氧运动的最佳燃料,但由于储量有限,这一过程的持续时间也有限,研究认为体内的肌糖原只能满足高强度有氧运动的时间为20~30分钟,理论上体内的糖可满足有氧运动1.5小时左右;而脂肪作为能源物质,还没有发现运动中脂肪被消耗殆尽的情况,也就是说可以持续无限长的时间(在脂肪没有耗尽之前,人可能早已经因为脱水、体温升高等因素而力竭了)。

而在持续两到三个小时或更长时间的运动中,如何调节糖和脂肪的供能比例,对于提高运动能力尤其重要。比如马拉松比赛项目。

如何知晓机体供能的物质来源,需要了解一个概念,呼吸商(指生物体在同一时间内,释放二氧化碳与吸收氧气的体积之比)。对于运动中利用能源物质有重要的意义,当糖分解时,呼吸商为1,当脂肪分解时,呼吸商为0.7。如何最大程度提高成绩,就要充分利用糖原,并调动脂肪的供能。当呼吸商(RQ)值约为0.9,表明约65%的O2消耗是由糖原氧化引起的,而其余的主要是脂肪酸代谢。事实上,这一比率可能会随着运动时间的延长而不断下降,表明有氧工作时间越长,脂肪代谢对整体能量生产的贡献就越大。

肌肉选择何种能源物质,主要依赖于机体的供氧情况,当氧供应充足时,骨骼肌(慢肌)主要利用脂肪酸提供能量,而氧相对缺乏时,糖利用会增加。在运动减脂的过程中,机体不是先把糖消耗完,再利用脂肪的,而是看不同器官的代谢特点,以及相对的供氧情况。

在前述也讲到,人体的细胞比我们人本身要聪明的多,它知道该如何更经济地选择能源物质,也会随着我们机体运动能力的改善而调整能源物质的利用。 如当身体熟悉了一种运动,便会适应,运动所需的体能消耗也会逐渐减少。这样的情况下,消耗少了减肥效果自然降低。经常转换运动类型,可避免身体因习惯而“偷懒”,以达到最佳的运动效果。

在减肥面前,我们还有希望吗?

现今的生活中,食品工业化仍在无限的扩张,获取高热能的食物比以往任何年代都容易的多;另一方面,高科技、人工智能等在持续性剥夺我们的体力活动。更为天真的是,我们总是高估了运动中的能量消耗,而低估了食物中的卡路里。

今天想抗拒舌尖上的美食、饕餮大餐的诱惑并不那么容易,还有普遍少动、静态的工作生活方式又让肥胖问题雪上加霜。

 

主要参考文献

1.  PETER W. HOCHACHKA,GEORGE N. SOMERO. Biochemical Adaptation. Princeton University Press,Princeton, New Jersey 1984.

2.  史仍飞,孙鹏,冯钰主编,人体代谢与运动营养[M]  人民体育出版社,北京,2018.

 


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