Transcript 第十三章有氧运动能力
人体有氧工作能力取决于机体氧运输系统功能和肌肉 利用氧的能力。训练可以提高机体的有氧工作能力。本章 主要介绍与有氧工作能力有关的基础概念、有氧工作能力 的生理学基础、影响因素以及人体有氧耐力的评价与运用。 1、掌握有氧工作能力有关的基本概念，了解有氧工作能力 的生理学意义； 2、熟悉影响有氧工作能力的生理学基础知识，掌握提高有 氧工作能力的方法； 3、掌握安静时、运动中以及运动后恢复期有氧工作能力的 生理变化过程及其调节的基本过程。 一、需氧量、吸氧量和氧亏 （一）需氧量 概念：人体为维持某种生理活动所需的氧量。 正常值（成人且安静时）：250ml/min 与运动的关系： 运动强度大 需氧量大 持续时间短 总需氧量少 每分 运动强度小 需氧量小 持续时间长 总需氧量多 每分 吸氧量（ VO2）（耗氧量或摄氧量） 概念： 在肺换气中，由肺泡气扩散入肺毛细血管，并给 人体实际消耗或利用的氧量。 正常值：200-300ml/min。 安静时，机体代谢水平低，能量消耗少，每分吸氧量与 每分需氧量是平衡的。运动时，随着运动强度的增加，每分需 氧量成比例增加，吸氧量能否满足需氧量，取决于运动项目的 特点。在持续时间短且强度大的运动中以及低强度运动的开始 阶段，吸氧量均不能满足需氧量而出现氧的亏欠。 氧亏 概念：人在进行运动时，机体的摄氧量随着运动负荷强度的增 加而增大，在运动初期的需氧量与吸氧量之间出现的差异。 形成原因：运动初期ATP、CP的消耗以及人体的氧运输系统的 生理惰性的存在，氧运输系统功能不能立即提高到 与运动的需要相适应而形成的。 二、运动后过量氧耗（EPOC）及其影响因素 EPOC：运动后恢复期处于高水平代谢的机体恢复到安静水 平消耗的氧量。 （一）EPOC的生理学基础 1、低强度运动中，运动开始后由于吸氧量满足不到需氧 量，此时，由ATP、CP分解供能，并形成了一部分氧亏。继续 运动时吸氧量逐渐满足于需氧量，虽形成稳定状态，但运动结 束后，肌肉活动虽然停止，但机体的吸氧量并不立即恢复到安 静时水平。这是因为运动恢复期的吸氧量与运动中的氧亏不相 等，运动后恢复期的吸氧量并不是完全只用于偿还运动中所欠 下的氧，而且还要用于偿还运动结束后，恢复到运动前安静水 平所消耗的氧。 对激烈运动而言，在运动后，不仅要偿还运动初期ATP、 CP分解供能欠的一部分氧亏，还应偿还剧烈运动时，由于吸 氧量满足不了需氧量使机体处于假稳定状态时，由乳酸供能 所欠下的氧亏。 ATP、CP供能欠下的氧亏； EPOC 乳酸供能欠下的氧亏； 运动后恢复期所消耗的氧量； （二）EPOC的影响因素 1、儿茶酚胺的影响：运动使体内儿茶酚胺分泌增加，而运 动后恢复期儿茶酚胺的浓度仍保持较高水平，需经一段时间 逐渐恢复，导致氧耗量增加； 2、甲状腺素和糖皮质激素的影响：甲状腺素和糖皮质激素 也能促进细胞膜上的钠钾（Na+-K+）泵的活动增强，同时， 在运动后恢复期，其浓度仍保持较高水平，因而消耗一定 的氧。 3、体温升高的影响：运动使体温升高，而运动后恢复期体 温不可能立即下降到安静时水平，肌肉的代谢和肌肉温度 仍保持在一定水平上，，经一段时间逐渐恢复。体温的恢 复与运动后恢复期耗氧量的恢复曲线是同步的。恢复曲线 表明，耗氧量恢复曲线的慢成分有60%-70%产生于肌肉温 度升高。 4、CP的再合成：CP的再合成需要氧。 5、Ca2+的作用：运动使肌肉细胞内的Ca2+浓度增加，运动 后恢复细胞内外Ca2+需要一定时间。Ca2+有刺激线粒体呼吸 作用，而导致运动后耗氧量增加。 一、最大摄氧量（最大吸氧量、氧极限VO2max） 概念：人体在进行有大量肌肉参加的长时间激烈运动中，心 肺功能和肌肉利用氧的能力达到本人极限水平时，单位时间 内所能摄取的氧量。 •最大摄氧量是反映心肺功能的一项综合生理指标，也是衡量 人体有氧耐力水平的重要指标之一。 有氧工作能力：能反映本人的有氧供能的能力。 绝对值 3000—3500 ml/min ：整个机体在单位时间内 （每分钟）所能吸收的氧量。 相对值 50—55 ml/kg · min：每公斤体重单位时间内 （每分钟）所能吸收的氧量。 （我国男子） 二、影响最大吸氧量的因素 （一）心脏的泵血功能和肌肉利 用氧的能力 肺通气功能并不是限制有氧 功能的主要因素，而心脏的泵血 机能是限制最大有氧功能提高的 一个十分重要的因素。心输出量 受SV和HR的制约。因此，增加心 输出量的关键是SV，SV又决定于 心肌收缩力心腔容积的大小。 优秀的耐力运动员的心脏表现 为：左心室内腔扩张，心容积增 大，安静时心率减慢，SV增加； 表明心脏的泵血功能和工作效率 得到提高。 肌组织利用氧的能力与有氧耐力密切相关。 肌纤维类型及其代谢特点是决定有氧耐力的重要因素。 实验证明：优秀的耐力专项运动员慢肌纤维百分比高且出现 选择性肥大现象，同时还伴有肌红蛋白、线粒体及其氧化酶 活性和毛细血管数量增加等方面的适应性变化。 肌组织利用氧的能力与有氧耐力密切相关。一般以肌组 织中氧利用率来衡量。 氧利用率：每100ml动脉血流经组织时组织利用氧的百分率。 肌纤维类型及其代谢特点是决定有氧耐力的重要因素。 （二）遗传因素 最大摄氧量的遗传度为0.934，而训练只能提高5%-25%， 主要是在于提高有氧氧化酶活性和毛细血管的发达程度，改善 骨骼肌的代谢能力。 （三）年龄及性别因素 P330 （四）训练因素： 系统的耐力训练：提高心肌收缩力量和增大心容积；使线 粒体增大增多；线粒体氧化酶的活性增加。同时，耐力训 练在一定范围内可以导致快肌纤维的生理、生化代谢特征 向慢肌纤维方向变化，提高机体摄氧和利用氧的能力。 •有氧耐力：指人体长时间进行以有氧代谢供能为主的运动能力。 有氧运动能力不仅与最大摄氧量的大小相关，而且与维 持最高摄氧水平相关。 关键因素：充分的氧供应及糖和脂肪的有氧氧化能力。 （一）有氧耐力的生理学基础 心输出量是决定最大摄氧量的中枢机制，而肌纤维类型的百 分组成及其本身的特点是决定最大摄氧量的外周机制。 1、心肺功能 肺通气量越大吸入的氧就越多，呼吸频率和呼吸深度 影响肺通气量的变化。因此，运动时提高和掌握有效的呼 吸动作，增强呼吸机能就可以提高有氧耐力。 心脏的泵血功能与有氧耐力密切相关。心输出量受每 搏输出量和心率的制约。运动训练使心脏的形态和机能出 现适应性变化。主要表现为左心室内腔扩大，心容积增大， 安静时心率减慢，每搏输出量增加。而每搏输出量决定于 心肌收缩力量和心室容积的大小。 红细胞的数量是影响有氧耐力的一个因素。血液中红 细胞所含的血红蛋白携带氧进行运输。运动员血红蛋白含 量假设下降10%，往往会引起运动成绩下降。 2、骨骼肌的特征 肌组织的有氧代谢机能影响有氧能力。肌肉内毛细血 管网开放数量的增加，可使单位时间内肌肉血流量增加，血 液可携带更多的氧供给肌肉。优秀耐力运动员慢肌纤维百分 比高，肌红蛋白、线粒体和氧化酶活性高、毛细血管数量多。 因此，他们的有氧工作能力强，耐力素质好。 3、神经调节能力 长期进行耐力训练：①大脑皮层神经细胞对刺激的耐受力和神经 过程的稳定性↑，各中枢间的协调关系↑（表现为运动中枢的兴 奋与抑制过程更加集中，肌肉的收缩与放松更加协调）； ②各肌群(主动肌、对抗肌、协调肌)之间的配合更趋完善； ③内脏器官的活动能更好地与肌肉活动相适应。 神经调节能力的改善，提高肌肉活动的机械效率，节省能量 消耗，从而保持长时间的肌肉活动。 4.能量供应特点 系统的耐力训练：提高肌肉有氧氧化过程的效率和各种氧化酶 的活性以及机体动用脂肪供能的能力。 在长时间耐力练习中，随着运动时间的延长，脂肪供能的比 例逐渐增大，从而节省糖原的利用。 （二）影响有氧耐力的因素 有氧耐力的生理学基础均为影响有氧耐力的因素。 三、乳酸阈与通气阈 （一）乳酸阈（LT）与个体乳酸阈（ ILAT ） 乳酸阈(LT)（无氧阈）:在有氧供能的渐增负荷运动中，乳酸浓 度会逐渐增加，当运动强度超过某一负荷时，乳酸浓度急剧上 升的开始点。 乳酸阈是反映人体的代谢供能方式由有氧代谢为主开始 向无氧代谢供能为主的临界点。 乳酸阈正常值：4mmol/L血乳酸。 个体乳酸阈（ILAT）：每个个体所具有的乳酸阈。变化范围 在1.4～7.5mmol/L. 最大摄氧量反映人体在运动时所摄取的最大氧量，而乳酸阈则 反映在渐增负荷运动中，血乳酸浓度没有急剧堆积时的最大摄 氧量实际所利用的百分比，即最大摄氧量利用率（%VO2max）。 其值越高，有氧工作能力越强；反之，有氧工作能力越低。因 式此，乳酸阈是反映机体有氧耐力的一个指标。 （二）乳酸阈的生理机制及其影响因素 1、乳酸阈的生理机制： （1）运动时肌肉缺氧：人体在运动中随着运动强度的增大， 运动肌肉的氧供应不足，使得一部分肌糖原在无氧的条件下， 分解供能产生乳酸。肌乳酸由肌细胞弥散到血液中，导致血乳 酸浓度增高。 （2）需氧量大于机体的摄氧量：以有氧供能为主转向以乳 酸供能为主，有氧供能逐渐减少，乳酸供能增加； （3）肌纤维类型的动用：在低强度的运动中，慢肌纤维的动 用占优势，随着运动强度的渐增，快肌纤维的动用逐渐转向优 势，导致血乳酸浓度增加； （4）肝脏对乳酸的消除能力降低：在运动中 由于血液的重新分配，注入肝脏的血液减少， 降低肝脏对乳酸的消除能力。 （5）与能源代谢物质的动用相关：在运动前大量摄取咖啡 或高脂肪膳食，使血液中的游离脂肪酸浓度增加，在运动中 脂肪作为能量物质的动用会抑制乳酸供能。 2、影响乳酸阈的因素： （1）性别、年龄的影响： 性别影响乳酸阈时的吸氧量水平，但不影响乳酸阈时 的最大摄氧量利用率百分比。 年龄对儿童少年的乳酸阈有一定的影响。 （2）肌纤维类型及酶活性： 慢肌纤维百分比组成高的人，其乳酸阈也高； 有氧耐力训练可提高氧化酶活性。所以，乳酸阈的提高 与肌纤维类型的动用、酶的活性密切相关，训练的目的 就在于改善这些因素。 （3）训练水平的影响：最摄氧量受遗传因素的影响，而 训练可以提高乳酸阈。其原因是遗传因素限制了最大摄氧 量的提高幅度，而乳酸阈值主要与外周的代谢因素的关系 更为密切，如肌肉的血流量、肌纤维类型的百分组成和酶 的活性等。训练可改善代谢能力，使乳酸阈值较大幅度的提高。 （4）运动项目的影响：乳酸阈值与耐力性运动成绩呈高相关。 （5）环境条件的影响：人在海拔4000米的高处时，大气压的 下降伴随着氧分压的减少，吸氧量也大为减少，同时也影响到 乳酸阈。高原条件下，乳酸阈时吸氧量明显低于平原地。 （二）通气阈及其产生机制： 通气阈：在递增负荷运动中，用通气变化的拐点来测定的乳 酸阈。 通气阈产生的机制： 缺氧是引起通量急剧增加的一个因素。运动强度缓慢 地增加时，由于这种强度比较低，主要依靠有氧代谢供能， 产生一定量的二氧化碳，随着运动强度的增加，吸氧量不 能满足需氧量，糖进行无氧酵解供能，产生血乳酸增加， 在缓冲系统的作用下，生成乳酸钠和碳酸，导致二氧化碳 的产量增加。这两类二氧化碳的相加，刺激了颈动脉体化 学感受器及呼吸中枢，为了维持体内酸碱平衡，导致更多 二氧化碳量而使通气量增强，产生了过多通气。因此，在 乳酸阈时出现了通气量、二氧化碳排出量非线性增加、二 氧化碳浓度下降的现象。 渐增负荷运动中的气体代谢各指标、心率和VT的判断 （四）研究乳酸阈和通气阈的意义 1、评定有氧耐力：乳酸阈表示并未发生血乳酸急剧增加 而进行的最大运动能力（利用最大摄氧量的能力），这种 运动的主要能源来自有氧代谢。乳酸阈值越高（强度或速 度），利用有氧代谢的运动能力也就越大。由于乳酸阈反 映肌肉的氧化能力，它与肌纤维中线粒体的数目、体积、 氧化酶的活性以及毛细血管的发达密切相关。因此，可用 乳酸阈评定运动能力和训练强度。 2、训练强度的制定：利用乳酸阈制定运动强度是有效的， 因为利用个体乳酸阈水平为基准进行训练，可抑制肌肉组 织中的代谢性酸中毒的早现。由于最大摄氧量受遗传因素 影响难以提高，而提高乳酸阈的水平可改善肌肉的有氧能 力。以乳酸阈强度进行训练，肌肉的有氧能力的提高不受 最大摄氧量的限制。 3、制定康复健身运动处方：由于在有氧代谢运动中没有乳 酸堆积而且不易发生过度通气，所以它对增强心脏机能效果 好。常用乳酸阈、通气阈的强度进行有氧运动，对防止肥胖 和高血压也有较好的效果。 VO2max测定法是评价有氧耐力的最佳指标，它是心肺功 能、肌肉耐力以及意志品质的最佳综合反映。通常以递增负 荷形式反映极限负荷运动中的生理反应，评价人体的有氧耐 力。同时也用VO2max的相对强度（%VO2max），观察定量负 荷运动中的生理反应，评价人体维持最大有氧耐力的能力。 因此，有氧耐力运动能力的测定包括%VO2max的测定和次最 大运动负荷的测定。 VO2max的测定法有直接测定法和间接 测定法。次最大运动负荷的测定包括哈佛台阶实验、 PWC170和无氧阈等测试。 一、VO2max测定法 （一）直接测定法 VO2max的测定法一般采用活动跑台、走和脚踏功率自行车进 行测定。活动跑台测得的VO2max值要比功率自行车高5%-15%。 这是由于参加运动的肌肉量不同而致。 直接法要求以呼吸循环系统为的 各器官系统，充分而且最大限度地参 加运动。运动时间可在4-9分钟的力竭 性运动。常采用同时递增一定的倾斜 角度和速度的方法。运动时间过长很 难出现VO2max，所以一般适宜的运动 负荷是使运动时间在15分钟内结束。 评判达到最大吸氧量的指标：①心 率达到180次/min；（儿少达200次 /min）；②呼吸商（RQ）达到或接 近1.15。 （二）间接测定法 概念：用VO2max的相对强度所测得值推测VO2max方法。 这种方法适用于不能（老幼、体弱或某些适于康复的人群） 或不愿（健康年轻人）接受VO2max直接测试的人群。 二、次最大运动负荷的测试 心率和运动强度或与吸氧量之间在一定范围内呈正相关， 并随个体的运动能力而变化。在进行相同运动负荷强度的运动 时，经过训练的人比末经过训练的人低而同一个训练后的心率 则低于训练前。 （一）PWC170测试（Physical Working Capacity） PWC170：心率在170次/min时的身体工作能力。 （二）哈佛台阶测试 采用每两秒钟1次的频率进行蹬踏台阶，进行5分钟的升降运动， 通过运动后恢复期心率数值计算指数来评价受试者的有氧工作 能力。 运动指数= 运动时间（秒）×100 2×（A+B+C） A：运动后1分钟至1分半钟的心率； B：运动后两分钟至两分半钟的心率； C：运动3分钟至3分半钟的心率。 台阶高度：♂为50cm；♀为45cm 50分以下：差；50-80分：普通； 80分以上：优秀； 亚极量运动时乳酸的生成 局 部 性 缺 血 暂 时 供 氧 不 足 糖 酵 解 供 能 相 应 增 加 运动开始时 乳 酸 生 成 量 增 加 机 体 调 节 提 高 肌 肉 血 液 供 应 机 体 获 得 稳 态 氧 耗 速 率 糖 酵 解 供 能 相 应 减 少 运动5至10分钟 乳酸的生成主要是在运动开始时氧 亏空期间和获得稳态氧耗速率以前 乳 酸 生 成 速 率 下 降 短时间极量运动时乳酸的生成 由于ATP-CP供能时间短，要维持最大功率运动的 时间不到１０秒。在超过数秒的极量运动中，随 着ATP、CP的消耗，细胞内ADP、AMP、磷酸和肌 酸的含量逐渐增多，它们可激活糖原分解，使糖 酵解速度大大加快，约在运动30-60秒达到最大 速度，肌乳酸迅速增多，直至运动结束。 如在竭尽全力的自行车运动中，肌乳酸浓度可高 达39mmol/Kg.wm。 中、低强度运动时乳酸的生成 中、低强度运动开始时，肌内并不缺氧， 而是氧的利用率不高，导致细胞质内丙 酮酸和还原型辅酶I 堆积，引起乳酸生 成增多。 在中、低强度运动开始时，乳酸的生成 并非缺氧所致，而是循环系统处于提高 过程和尚未建立稳态代谢时，糖酵解速 率超过有氧代谢速率的结果。