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健康體能

2017-11-17 10:28:46

設計有效的運動計劃前,先搞懂能量系統

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雖然大多數人都知道,有氧運動對心臟有好處,阻力訓練有助於肌肉增加,但大多數人並不完全了解這些不同類型與強度的運動其實在我們的體內引起了非常不同的反應。了解身體在不同運動下使用能量的狀況,對於設計有效的訓練計劃至關重要。

 

本篇,我們將重點了解能量系統,即-身體如何利用脂肪,碳水化合物和蛋白質來產生能量,以及這些能量系統在不同運動中的相互關係。看完後將讓你更了解身體如何將你所吃的食物轉化為可用的能量,以及如何利用特定的能量系統來幫助你實現個人健康和健身目標。

 

能量系統概述

在哺乳動物肌肉細胞中,有三大基本能量系統:

(1)磷酸肌酸(phosphagen)系統;也稱為CP或即時能量系統

(2)醣解(glycolytic)系統;又稱為乳酸系統

(3)線粒體呼吸(mitochondrial respiration);又名有氧系統

 

磷酸系統與醣解系統都屬於無氧代謝,在肌細胞肌漿中進行。而線粒體呼吸系統為有氧代謝,在肌細胞的線粒體中進行。不管使用什麼能量系統,最終的結果是三磷酸腺苷(adenosine triphosphate; ATP)的產出,ATP是任何肌肉收縮所涉及的生化反應都必需的。

 

活動的強度和持續時間決定了哪些食物被分解,以及哪個能量系統占主導地位。要牢記,沒有一個能量系統是單獨行動的,而是根據活動強度和持續時間而產生相對的貢獻比例。例如:進行百米衝刺的能量供應為磷酸肌酸、無氧醣酵解及有氧系統分別占了95%、3%、2%;而42公里的馬拉松,三者的比例則轉變成5%、5%、90%。

 



1. 磷酸肌酸系統

磷酸肌酸系統在持續約5至10秒、用盡全力的運動中最活躍,例如百米的衝刺、跳躍、舉重、揮棒擊球、揮拳或任何其他需要在短時間內發揮最大能量突發的活動。該系統依賴於儲存在肌肉中的ATP以及磷酸肌酸(phosphocreatine,PC)來提供即時能量。其他持續時間超過10秒的最大強度運動,皆需要其他能量系統的幫助。


磷酸肌酸系統也是人體製造ATP最快速的方式,當肌肉細胞內的ATP被分解,同時間原本儲存在肌肉細胞內的磷酸肌酸(PC)會藉由肌酸激酶(Creatine Kinase)的催化分解為肌酸及磷酸,同時也會釋放出能量,而這過程產生的能量則可以幫助二磷酸腺苷(ADP)重新合成為ATP。

 

PC → P + C + 能量

能量 + ADP + P → ATP

 

2. 醣解系統

除了磷酸肌酸系統外,人體還可以在沒有氧氣的情況下,借助醣解能量系統來產生ATP供肌肉活動之用。雖然醣解能量系統所提供的能量非常有限,但其重要性也和磷酸肌酸系統一樣,就是能夠在很短的時間內提供能量作為肌肉活動之用,特別是當磷酸肌酸系統的供能效率大幅下降時,就有賴醣解能量系統繼續提供能量作為活動之用。

 

醣解能量系統是肌肉細胞中ATP與PC將耗盡且運動需持續進行時啟動的能量系統。由於醣解能量系統與磷酸鹽系統過程中都不需氧氣的參與,因此兩者又合稱為無氧系統。醣解能量系統涉及將葡萄糖部分分解成稱為丙酮酸(Pyruvic Acid)的分子,在該分解過程中,產生少量的能量。當氧氣需求超過供氧量時,丙酮酸轉化成乳酸鹽(Lactate)。在這情況下,醣解通常被稱為“快速”或“無氧” 醣解。無氧醣解是中等至高強度運動持續約1-2分鐘的總能量需求的關鍵因素。雖然這個系統可以提供快速的能量來源,但它的速度只是磷酸肌酸系統的一半。

 

而當有足夠的氧氣以滿足氧需求時(例如在長時間的輕度至中等強度的運動中),醣解進行速度就慢得多,形成的丙酮酸通過有氧過程參與形成額外的能量。在這種情況下的醣解有時被稱為“有氧”或“慢”醣解。

 

 

3. 線粒體呼吸系統

線粒體呼吸系統是我們日常生活或輕度運動時,最主要的能量系統。主要使用碳水化合物跟脂肪,在長期飢餓或很長的運動時間(超過90分鐘),才會用到蛋白質供給能量。

 

在氧氣充足的狀況下,葡萄糖跟肝醣不會轉變成乳酸,而是被送進線粒體;而脂肪分解成脂肪酸,也進入線粒體,接下來就開始了三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle)(亦作檸檬酸循環(citric cycle),或克雷布斯循環(Krebs cycle)),此循環將醣跟脂肪的產物轉換成能量,這個過程需要氧氣的參與,因此稱為有氧系統。

 

簡言之,線粒體呼吸是身體將所攝取的碳水化合物、脂肪與蛋白質經過消化分解,並經過一連串的代謝作用之後,產生能量來幫助ATP的合成。從事的運動強度較低時,ATP會以較慢的速度被消耗,因此也會有較為充裕的時間進行ATP的再合成,只要能充分地供給氧氣,並攝取足夠的碳水化合物、蛋白質與脂肪,就能長時間持續地供應身體運動所需能量。此系統在進行長距離跑步、快走等運動中扮演主導的角色。

 

監測你的能量使用情況

我們經常認為低至中等強度的有氧運動是燃燒大量脂肪的好方法。雖然這是真的,但有氧運動的能量來源不單只有脂肪,也從碳水化合物和少量的蛋白質消耗中產生。事實上,即使在輕度至中度的有氧運動中,碳水化合物也提供了高達總能量需求的40%至60%(參見表1)。相較之下,不管是哪種形式的運動,蛋白質都不是能量的主要來源,通常貢獻不到總能量需求的10%。

 

表一:不同運動強度下的能量消耗比例

 

 

確定你的運動主要是由哪個能量系統供應能量的最有效方法之一就是監測你的心率。心率監測可以幫助你確定訓練的強度,以及估算從有氧運動到無氧運動(即從碳水化合物和脂肪的混合使用到主要以碳水化合物為主)的心率,如圖一所示。

 

圖一:心率區間與能量供給系統對照表

 

 

雖然有氧運動到無氧運動的轉換點因人而異,但你可以透過觀察心率、肌肉疲勞或呼吸深度和頻率的增加,來了解自己的轉換點。真正進行高強度無氧運動時,你將無法在這樣的強度下持續運動超過2分鐘。而隨著你的健身狀況改善,你將能夠在更長的時間內進行更高強度的運動。

 

散步、慢跑、傳統Hi-Lo健美操等「有氧運動」通常被認為燃燒大量脂肪的好方法,雖然這樣的說法不能說是錯誤的,但可能會造成誤導。例如,低強度的有氧運動,脂肪是燃料的主要來源,但是你沒有燃燒大量的熱量。如果你的目標是減肥,需要考慮的是卡路里的赤字,而不是熱量來自哪裡。而隨著運動強度的增加,燃燒的卡路里的總數也增加,因此,儘管在較低強度的運動中,脂肪消耗佔總能量的比例較大,但是在較高強度的運動中,相同時間內進行運動的脂肪消耗總量可能更大。(別忘記還有後燃效應)

 

雖然阻力訓練不一定會燃燒大量的熱量,但它可以提供明顯的健康和健身幫助,阻力訓練不僅能夠增加肌肉量,提升代謝率,讓你在休息時,燃燒更多的熱量之外,還可以對膽固醇、葡萄糖代謝和骨密度等產生好的影響。

 

小結

下表是針對不同能量系統所對應的養分、代謝方式與供能速度的總整理。對能量系統有概念後,我們就知道怎麼根據需求選擇運動的方式,如果你練的是短時間的爆發力運動,例如100公尺短跑、跳遠,你需要訓練磷酸肌酸系統。如果你從事的運動是以間歇性為主,如籃球,足球…等,這時就需要集中在醣解跟有氧系統。如果你從事的運動是長跑類型,那你必須把重心放在鍛鍊有氧系統以提升有氧耐力。簡言之,根據你想達成的運動目標選擇相對應的能量系統去訓練,才能讓自己變的更好更強!

 

表二:運動能量系統比較表

 

 

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