运动科学二十讲 (四)：人体的三大供能系统

前一讲主要讲述了 人体的基本结构：骨骼、关节和肌肉，这一讲主要为大家讲解人体的能量系统。

先抛出一个关键概念：新陈代谢。它就是人体内所有分解代谢（放能反应），以及合成代谢（吸能反应）的总和。

- 分解代谢是 将较大、较复杂的分子分解成较小、较简单的分子的过程，通常会 释放能量 。

- 合成代谢是 用较小、较简单的分子合成较大、较复杂的分子的过程，通常需要 消耗能量。

如果你在减脂期或者高强度长时间运动时，分解代谢相对更活跃，机体更多依赖储备（糖原、脂肪和部分蛋白质）；而你在增肌期或者充足营养 + 适量训练 + 充足睡眠时，合成代谢相对更活跃，身体有足够原料和能量用来修复和新建组织。

人体运动所需的能量与一种叫作 ATP（三磷酸腺苷） 的分子有关。当肌肉收缩等生理活动需要能量时，ATP 会断开末端的高能磷酸键，发生 水解反应。 然而肌肉中 ATP 的 直接储备 非常有限，只能维持几秒钟的剧烈运动 。为了持续运动，身体必须一边消耗 ATP，一边源源不断地把 ADP （二磷酸 腺苷 ） 和 Pi （无机磷酸盐） 重新合成 ATP。ATP 的水解是身体做功的主要能量来源。 ADP 继续水解为 AMP ( 一磷酸 腺苷)，也可以释放少量能量，但贡献相对次要。

ATP + H₂O → ADP（二磷酸 腺苷 ）+ Pi（无机磷酸盐）+ 能量 + H⁺

ADP + H₂O → AMP （ 一磷酸 腺苷 ）+ Pi（无机磷酸盐）+ 能量 + H⁺

ATP 的合成主要通过三大供能系统完成： 磷酸原系统 （ ATP-CP/ATP-PCr ）、 糖酵解系统 （ 乳酸系统 ）、 氧化系统 （ 有氧系统 ） 。 磷酸原系统 提供 最快速 但 短暂 的能量供给； 糖酵解系统 供能速度较快、持续时间中等，但会产生代谢副产物； 氧化系统 供能 最持久 、产能最多，但启动较慢 。 糖酵解系统属于无氧代谢，而 氧化系统属于有氧代谢。在人体的三大宏量营养素（碳水化合物、脂肪和蛋白质）中， 只有碳水化合物可以通过糖酵解高效地无氧供能 。

磷酸原系统

磷酸原系统 主要为短时高强度的活动提供能量。当运动开始的头几秒内，肌肉中原本储存的少量 ATP 会被迅速分解利用；紧接着 磷酸肌酸 登场， 在肌酸激酶的作用下将其高能磷酸键转移给 ADP，迅速再合成 ATP 。这一过程 不需要氧气 参与，因此属于无氧供能途径，而且反应迅速，能在瞬间提供大量能量。 人们在运动中体验到的 “爆发”与 磷酸原 系统密切相关，不管是做阻力训练的前几次，还是跑步的前几秒，只要是你突然用力，都会先使用 磷酸原 系统。

糖酵解系统

当高强度运动持续超过十几秒，磷酸肌酸储备已经开始耗尽时，糖酵解系统便接过供能的接力棒。 糖酵解系统 以 肌肉中的糖原或者血液中递送的葡萄糖 为燃料，通过一系列酶促反应分解为丙酮酸并进一步转化为 乳酸盐或者被运送进线粒体 ，在此过程中产生 ATP 供肌肉收缩使用 。 10 秒到 2-3 分钟 持续时间的剧烈运动， 糖酵解系统 往往是主要的能量供应者 。

快速糖酵解会产生大量乳酸盐和氢离子( H⁺ )， 乳酸盐 本身只是伴生指标，真正刺激肌肉“酸”的是氢离子( H⁺ )，而不是乳酸盐，更不是乳酸。 在人体这种 pH ≈ 7.4 的环境里，真正稳定存在的主要是乳酸盐和氢离子，而不是教科书上写的“乳酸”。我们 常说的“乳酸 ” 堆积，更科学的解释是 “ 乳酸盐 ” 和“氢离子 ” 堆积。 乳酸盐在高强度运动后 30–60 分钟内大致可以恢复到接近静息水平 ，因此第二天的延迟性肌肉酸痛(DOMS)也跟 “ 乳酸 ” 堆积 没关系，而 主要来自肌纤维微损伤、炎症反应和 钙离子稳态变化等。

“排酸跑”这个说法也并不严谨，前面提到 “ 乳酸盐 ” 和“氢离子 ”会很快被清除，所以也没有额外的酸可排 。真正有科学依据的，是在高强度训练后安排一次强度极低的主动恢复跑，通过轻松跑促进血液循环和代谢， 加速炎症代谢物清除。

有氧系统

当运动持续时间超过 2-3 分钟，或者强度降低到中等及以下水平时，人体的 有氧供能系统 （氧化系统）开始扮演主要角色 。与前两者不同，有氧系统的工作 需要氧气参与 。其主要原理是：通过呼吸和循环不断为肌肉细胞输送氧气，在线粒体中 充分氧化分解碳水化合物和脂肪 ，以较高效率产生大量 ATP。

有氧运动给人的主观感受更多是 呼吸和心跳加快，出汗增多 ，而非肌肉酸痛。这种“ 喘”的感觉其实不仅仅是为了吸入更多氧气，更重要的是为了排出二氧化碳和氢离子。通过大量低中强度有氧打基础，配合少量节奏/间歇训练、合理的配速控制和呼吸技巧，大部分人都可以在同样的速度下没那么喘。

有氧运动中有一个很重要的生理指标 - 乳酸阈值。乳酸阈值 （Lactate Threshold, LT） 是 乳酸盐浓度开始持续、加速上升的那个临界点，它 甚至比最大摄氧量（ VO₂max ）更能决定你的比赛成绩。对于新手，乳酸阈值可能只有 VO₂max 的 50-60%；而 受到有氧训练的运动员，可以到 VO₂max 的 70%-80 %，精英运动员则有可能到 85%-90%。以马拉松为例，乳酸阈值就像一条看不见的“红线”，比赛配速往往就贴着这条线在跑。乳酸阈值越高，说明你可以在越快的配速下，仍然主要依靠有氧供能，把乳酸产生和清除维持在动态平衡。因此，相比单纯追求 VO₂max，系统地提升乳酸阈值（例如通过节奏跑、间歇跑等训练）往往更直接决定你的马拉松成绩。

下表列出了一些常见运动的主要供能系统、呼吸感受和“乳酸”情况。任何运动都不是由单一系统供能，而是由三大供能系统紧密配合完成的。

运动形式

主要供能系统

时间和强度

呼吸感受

“乳酸”情况

100 米短跑

前半程磷酸原系统

后半程 糖酵解系统

持续时间约 8-15 秒 接近 最大强度

过程憋气/少气，赛后狂喘

赛中低，赛后高

大重量举重

单次磷酸原系统

多次 糖酵解系统

较短时间

极高强度

瓦尔萨瓦动作 (憋气)

极低 / 无

高强度间歇训练（HIIT）

前几秒 磷酸原系统

后续糖酵解系统

短暂休息 氧化系统

10-40 分钟

强度接近或超过 乳酸阈值

后半程及结束时会 强烈喘 ，基本 无法连续说话

乳酸盐与 H⁺ 大量累积

马拉松

起跑前十几秒 磷酸原系统

绝大部分赛程是 氧化系统

后段冲刺或配速突然变化时动员 糖酵解系统

持续时间 2 - 6 小时

强度接近 乳酸阈值或稍低

呼吸 加快但有节奏

乳酸产生接近清除，一旦堆积即掉速

糖原耗尽（撞墙）

本讲我们从新陈代谢和 ATP 讲起，讲述了磷酸原、糖酵解和有氧三大供能系统是如何协同工作的，并分别对应了你在训练中感受到的“爆发”、“酸”和“喘”，也澄清了像“乳酸堆积”和“排酸跑”这类常见误解。下 一讲我们将主要介绍减脂（总消耗 > 总摄入）和增肌（总摄入 > 总消耗）背后的营养学原理。