有氧能量路徑 | Aerobic Energy Pathway

有氧能量路徑 | Aerobic Energy Pathway

 

有氧能量路徑

 

健身領域的一個重要基本建構條件是對於編程方面的不斷追求以及進化，無論是怎樣的學派都傾向於挑戰現況，以尋求更好更強或更快的目標。近年來盛行的高強度間歇訓練就是最好的例子，而多數寄望於這種快速劇烈的運動者，多半都是希望能夠降低體重或體脂。如今我們也已經知道我們要藉由更多科學化知識如新陳代謝、能量途徑以及燃料運用，來幫助我們更快達成目標。這也帶出了許多流行的飲食計畫，例如禁食空腹有氧以及生酮飲食，但由於生物系統具備複雜性，因此我們需要了解人體對燃料的利用方式以及能量途徑作用，才能夠做出最適合自我的選擇。

 

能量途徑

為生物工作提供燃料的能量是在有氧情況下以耗氧方式產生的，或者在沒有氧氣的情況下以厭氧方式產生(1)。如下圖所示，有氧途徑能夠產生大量能量，雖然生產速度較慢，但可以利用三種常量營養素作為燃料來源。相較之下，磷酸原能量系統和快速糖酵解途徑等厭氧途徑雖然能夠快速產收能量，但數量相當有限，且只能利用葡萄糖作為燃料來源(2)。這也是為什麼本次我們將有氧能量途徑提出來單獨討論，因為這反映了我們一日當中的主要卡路里來源，且直接地與我們飲食當中所消耗的三大營養素相關。

 

生物能量學途徑

有氧呼吸：線粒體呼吸

有氧呼吸發生於線粒體當中，線粒體是存在於細胞內產生能量的細胞器。不過三種常量燃料都必須要經過一些初步準備才能夠為了進入線粒體做好準備。圖2說明了所有三種常量營養素的途徑，但在進行個別討論之前，我們必須要先定義什麼是”燃料”：

三酸甘油酯（TG）– 一種簡單的脂肪，代表體內脂肪的主要儲存形式。三酸甘油酯由甘油分子組成，該分子形成與三個游離脂肪酸（FFA）相連的分子骨架。它們可以按長度分為短鏈、中鏈或長鏈；並按其結構分為飽和、單不飽和或多不飽和。在逕入呼吸途徑之前，TGs必須被分離成結構單元甘油和FFA，然後FFAs進一步準備好通過β-氧化進入三羧酸循環，將較長的碳鏈分解成2-碳片段 (3)。

碳水化合物（Carb）– 以稱為糖原的儲存形式存在於體內，或是在被吸收後即刻用作燃料使用後以葡萄糖形式存在。所有碳水化合物都會經歷糖酵解（無氧碳水化合物代謝），這是一個發生在線粒體外的過程。糖酵解的最終產物是丙酮酸的形成，一是入線粒體繼續進入有氧途徑，二是轉化為乳酸（厭氧）—兩者可以同時發生。輸送到線粒體的氧氣其可用性決定了有多少丙酮酸將傳遞到線粒體（即更多的氧氣等於更多的丙酮酸進入線粒體）。任何剩餘的都不能以丙酮酸的形式留在細胞中，因為這會讓糖酵解減慢-因此會通過與糖酵解過程中產生的氫離子結合而轉化為乳酸。一般來說，氫離子也能進入到線粒體以完成呼吸，但過量就會出現問題，因為它會降低組織的pH值，進而損害肌肉功能及能量途徑。就本質來看，丙酮酸與氫離子結合形成乳酸使得肌肉能夠進行比常態工作更長的工作時間，從圖2的數字1說明了這一點。

蛋白質（Protein）– 其與脂肪和碳水化合物的不同之處在於其含有氮元素，而氮對於呼吸來說是無作用的。因此，為了將其去除（脫氨作用），進而產生會對身體有的氨(4)。氨會在肝臟內轉化為尿素，再經由腎臟透過尿液排出。從圖2的數字6過程可以看到。

代謝工廠-能量路徑中的燃料利用

 

單看上圖會不禁令人認為人體代謝工廠看起來複雜而令人困惑，下面將使用擬人化類比來幫助理解其複雜性。從克雷布斯循環（Krebs Cycle）開始聚焦—因為它是所有常量營養素在線粒體中匯聚的點。將克雷布斯循環視為酒吧或夜總會，每個人都想見面的地方。

 

許多單身女子從三酸甘油酯區域來到克雷布斯酒吧。他們就是乙酰輔酶A（進入克雷布斯循環的化合物）的化身——將他們為晚上跳舞社交的準備視為β-氧化。就是數字3的過程。不過，克雷布斯酒吧卻有著只限情侶進入的規定，因此這些單身女士需要仰賴其他單身男性（在此為碳水化合物），這也就代表著脂肪要被完全代謝，會需要碳水化合物的存在。

 

如前所述，糖酵解產生丙酮酸，其獨特之處在於它可以產生單身女子（乙酰輔酶A）或單身男子（草酰乙酸）。 圖2中的數字2過程可說明這一點。再度回到故事中，三酸甘油酯區域有著充足的單身女子，而碳水化合物區域有足夠的單身男性（即草酰乙酸）。因此可以雙雙結伴進入克雷布斯酒吧。

 

在自人類存在以來，過程中不得不忍受飢荒、食物稀缺或缺乏的時刻。 如果我們可用的碳水化合物耗盡或稀缺（想想今天的碳水化合物限制飲食），等同於在故事中來自碳水化合物區域的單身男性供應降低。這迫使新陳代謝轉為存活狀態，身體被迫適應而非滅亡。再度回到布雷克斯酒吧故事，當缺乏來自碳水化合物區的單身男性造成單身女性落單，此時，他們向蛋白質區域內部招手，選擇與單身女性一同進入或是偷偷地從後門進入以補貼酒吧營業額（即製造能量）。

 

因此那些想要與單身女性（生糖氨基酸）認識者，會穿越碳水化合物區，以單身男子身分來到酒吧。生糖一詞是指產生葡萄糖，換句話說，我們正在將蛋白質轉化為碳水化合物以繼續代謝脂肪，可以在圖2中的數字5過程中看到這點。但不幸的是，人體中99%的可用蛋白質是稱為肌肉的活組織，因此這種轉化是不足以滿足身體的能量需求，因此還必須使用額外的蛋白質來產生能量。

 

此時就必須要提到那些從後進入酒吧者，被稱為生酮氨基酸，因為它們主要產生能量。但是，它們也可以產生酮且也同樣來自於肌肉組織。而那些沒有伴侶的單身女子就必須要離開，為了要讓線粒體呼吸繼續，沒有伴侶的單身女士（乙酰輔酶A）將被轉化為酮，便可從線粒體中去除並通過血液進入循環。我們可在圖2的數字4看到這過程。

 

酮代表由於不完全代謝的脂肪（可能還有生酮蛋白）而製造的化合物。製造的兩種主要酮是乙酰丙酮和β-羥基丁酸，除了需要葡萄糖的肝臟和紅血球外，幾乎所有身體細胞都可以將它們用作燃料(1, 2)。任何未被身體利用的酮體都會迅速轉化為丙酮，以便從體內清除，因為酮體會降低血液的 pH 值（酸中毒），當它們大量積累時，可能會導致危及生命的狀況，稱為酮症酸中毒。丙酮與指甲油去除劑中發現的化合物相同，有時當血液中的酮水平升高時，尿液、呼吸或汗液中可能會出現特殊的“丙酮”氣味，表明處於代謝存活狀態。

 

衍伸應用－三大常量營養素在能量產生中都是必不可少的，不過如果從飲食中去除或限制並持續一段時間後，將會改變身體正常代謝途徑，這可能會帶來重大改變，像是透過攻擊肌肉蛋白質來促進瘦脂肪，不過這同時也會減緩體內新陳代謝。

 

文獻使用

1. Kenny WL, Wilmore H, and Costill DL. (2015). Physiology of sport and exercise (6th edition). Champaign, IL. Human Kinetics.

2. Pocari J, Bryant CX, and Comana F. (2015). Exercise Physiology, F.A. Davis Company, Philadelphia, PA.

3. Juekendrup AE. (2002). Regulation of fat metabolism in skeletal muscle. Annals of New York Academy of Sciences, 967: 217 – 235.

4. Brooks GA. (1987). Amino acid and protein metabolism during exercise and recovery. Medicine and Science in Sports and Exercise, 19: S150-S156

 

內文參考來源 : blog.nasm.org