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Anaerobic 本身是指沒有氧氣的意思,無氧系統(anaerobic system)亦即是能夠在沒有氧氣的情況下重新合成 ATP供能系統。人體內總共有兩個無氧系統,它們分別是三磷酸腺苷-磷酸肌酸系統(ATP-PC system)和乳酸系統(lactic acid system)。

1. ATP-PC 系統

ATP-PC 系統是一個較為簡單的無氧系統。在人體的肌肉細胞內,其實還儲存著另一種高能量化合物-磷酸肌酸(phosphocreatine,簡稱 PC;亦有稱作 creatine phosphate,CP)。當 PC 被分解的時候,就會釋放出能量,而這些能量就可以用來重新合成 ATP。

PC --> P + C + 能量

能量 + ADP + P --> ATP

不過,PC 在人體內的儲存量也是極為有限,人體全身的肌肉內只有 450 至 510 微摩爾 PC,或 4.5 至 5.1 千卡的能量,而且要重新合成 PC 的話,原來也是要用上 ATP 被分解時所釋放出來的能量,只不過這過程會在運動後人體處於恢復狀態之下才進行。因此,當 PC 在極高強度肌肉活動(如短跑)中被消耗殆盡時,便要等待運動結束後才可以得到恢復了。

以一個人的體重為 70 千克計算,全身肌肉的重量約為 30 千克,肌肉內 ATP 及 PC 的總存量為120 + 450 = 570 至 180 + 510 = 690 微摩爾,亦即相當於 5.7 至 6.9 千卡的能量,僅足以維持不到十秒盡全力活動。由此可見,ATP-PC 系統所能提供的能量極為有限,但它的重要性並不在於所能夠提供能量的多寡,而在於能夠提供即時的能量作肌肉活動之用。因此,對於那些強度大、速度高,並且只需在數秒間完成的活動,如起跑、跳躍、投擲、舉重等,ATP-PC 系統的作用尤為重要。

由於 ATP-PC 系統並不需要把氧氣輸送到肌肉中才能運作,所需的燃料(ATP 及 PC)亦早已儲存於肌肉細胞之中,而且當 PC 被分解時所涉及的化學反應亦較另外兩個供能系統少,所以ATP-PC 系統是人體內最迅速的能量來源。

2. 乳酸系統

除了 ATP-PC 系統外,人體還可以在沒有氧氣的情況下,借助乳酸系統來產生能量供肌肉活動之用。首先要認識到人會把體內的碳水化合物(carbohydrates)先轉化為葡萄糖(glucose),然後供機體使用,或者以肝醣(liver glycogen)及肌醣(muscle glycogen)的形式,分別儲存於肝及肌肉內。

在沒有氧氣的情況之下,乳酸系統會把這些醣元(以上各種糖類的統稱)分解,經過一系列的化學反應後釋放出能量,但同時亦會產生一種名為乳酸(lactic acid)的代謝產物。由於醣元未能被完全氧化(oxidized),所以乳酸系統在無氧醣酵解(anaerobic glycolysis)的情況下,產生的能量遠比在氧氣充裕的情況下作有氧醣酵解(aerobic glycolysis)來得少。例如,在無氧的情況下,1 摩爾或 180 克(g)醣元理論上可以產生 2 摩爾或 180 克乳酸及 3 摩爾 ATP,但在氧氣充足的情況下,同樣是 1 摩爾的醣元卻可以產生 39 摩爾的 ATP。

不過,由於運動時肌肉及血液只能承擔 60 至 70 克的乳酸,之後機體便會出現疲勞的現象,影響正常的肌肉活動,所以在沒有氧氣的情況下,整個乳酸系統實際上只能提供 1 至 1.2 摩爾的ATP,即相當於 10 至 12 千卡的能量(約為整個ATP-PC系統的 2 倍)。

正如 ATP-PC 系統一樣,乳酸系統可以在沒有氧氣的情況下產生 ATP,不同之處卻是用上了醣元作為燃料,並且在產生 ATP 的同時,亦產生了與疲勞有關的代謝產物-乳酸。雖然乳酸系統所提供的能量也是非常有限,但其重要性也和 ATP-PC 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 ATP-PC 系統的供能效率大幅下降時,就有賴乳酸系統繼續提供能量作活動之用。

從下圖可見,大強度活動的初期,ATP-PC 系統是主要的供能系統,但乳酸系統亦已開始投入服務,並且在活動開始後的 30 秒左右,取代 ATP-PC 系統成為主要的供能系統,所以一些需要在 1 至 3 分鐘內完成的大強度活動,如 400 米及800 米跑,均非常依賴 ATP-PC 系統及乳酸系統來提供能量。當活動要持續下去的時候,由於乳酸的大量積聚,乳酸系統的效率也開始下降,有氧系統也就漸漸取而代之成為主要的供能系統。


備註

  1. ATP 被分解時的情況相類似,PC 被分解時,最末端的一個磷酸鹽(phosphate)分子便會脫離母體(PC),並同時釋放出能量。

  2. 根據 Hultman(1967)及 Karlsson(1971),每千克(kg)的肌肉內有 15 至 17 微摩爾(mM)的 PC,若以每 1 摩爾(mole)PC 同樣可釋放 10 千卡(kcal)能量計算,這相當於 0.15 至 0.17 千卡的能量。假設一個人的體重為 70 千克,則全身的肌肉重量約為 30 千克,所以全身肌肉內 PC 的儲存量為450 至 510 微摩爾,亦即相當於 4.5 至 5.1 千卡的能量。

  3. 根據 Sahlin(1978)及 Trivelde 與 Danforth(1966),當肌肉的乳酸增加時,體液的酸鹼度便越趨下降,因而抑制了一些有助於無氧醣酵解(anaerobic glycolysis)的酵素(enzymes)正常運作,於是亦影響了肌肉的活動能力。

  4. 1 摩爾(mole)或 180 克(g)的醣元(glycogen)在無氧醣酵解(anaerobic glycolysis)下可產生 180 克乳酸(lactic acid)及 3 摩爾 ATP。因此,當只有 60 至 70 克乳酸能夠從醣元在無氧醣酵解下產生時,所能提供的 ATP 便只有 (3 x  60) ¸ 180 = 1 至 (3 x 70) ¸ 180 =  1.2 摩爾了。

  5. 若以每 1 摩爾(mole)ATP 平均可釋放 10 千卡(kcal)能量計算,1 至 1.2 摩爾 ATP 便相當於 10 至 12 千卡的能量了。

能量系統
Energy Systems

有氧系統
Aerobic System

乳酸的清除
Lactic Acid Removal


References

  • Fox, L. E., Bowers, R. W., & Foss, M.L. (1993). The Physiological Basis for Exercise and Sport, (5th Ed.). Dubuque, IA: Wm. C. Brown Communications.

  • Hultman, E. (1967). Studies on muscle metabolism of glycogen and active phosphate in man with special reference to exercise and diet. Scand J Clin Lab Invest (Suppl 94), 19, 1-63.

  • Karlsson, J. (1971). Lactate and phosphagen concentration in working muscle of man. Acta Physiol Scand (Suppl), 358, 1-72.

  • Sahlin, K. (1978). Intracellular pH and energy metabolism in skeletal muscle in man. Acta Physiol Scand (Supp, 455), 1-56.

  • Triveldi, B., and Danforth, W.H. (1966). Effect of pH on kinetics of frog muscle phosphofructokinase. Journal of Biological Chemistry, 241, 4110-4112.

  • 教育局(2009)體育(香港中學文憑)教材套-人體

最近更新日期(Last Updated):2013-06-02


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