人体能量的最直接来源是ATP（三磷酸腺苷），人体不只在运动肌肉收缩时需要ATP，神经传导、分泌、吸收等均需要ATP，总之人只要活着就需要使用ATP。那ATP来源于哪里呢？人体骨骼肌内ATP的含量很少，也比较恒定，大约为6mmol/kg湿肌，而肌肉收缩时所需要的ATP的数量为10mmol/kg/s，因此肌肉中的ATP一旦被动用就会通过其它代谢方式来补充，使得肌肉中ATP含量保持相对恒定，一个普通人，一天通常需要消耗60kg的ATP。人体有三大能量代谢系统为人体提供需要的ATP，这三大供能系统就是：①磷酸原系统；②糖酵解系统；③有氧代谢系统（线粒体氧化系统）。

这个化学反应方程式看不懂没关系，可以看这个总结式：ATP（三磷酸腺苷） + H20 （水）→ ADP（二磷酸腺苷） + Pi （磷酸基团）+ H+（氢离子）（此式子，单向箭头表示人体使用能量的生化反应，上图双向箭头表示这是可逆的生化反应，反向箭头表示肌肉合成ATP）

这里我们要给大家介绍一下与ATP相关的三位诺贝尔大咖：

1997年度的诺贝尔化学奖一半授予美国洛杉矶加利福尼亚大学的保罗.波耶尔和英国剑桥医学院研究委员会分子生物学实验室的约翰•沃克，因为他们阐明了ATP合成的基本酶学机制；另一半授予丹麦奥尔胡斯大学的詹斯.斯克，因为他首先发现了一种转运离子的酶，钠离子、钾离子—三磷酸腺苷酶（Na+，K+— ATP）。

下面我们先来了解①磷酸原系统。

细胞储存的磷酸肌酸提供了一个近乎即时的能量代谢系统，在肌肉收缩的开始最初几秒钟内产生ATP。肌酸激酶反应的底物和产物的化学结构

总结式如下：CP（磷酸肌酸） + ADP + H+ →C（肌酸）+ATP

可以看出，需要一个H+来完成从磷酸肌酸到肌酸结构的转变，ADP形成ATP；此反应使细胞碱化，因为H+在这个反应中被消耗（这点很重要，在后面追查导致机体疲劳的物质和环节时有用）。一般，磷酸基团从线粒体转移到细胞液，因此磷酸肌酸对骨骼肌细胞的所有代谢状态（有氧代谢、糖酵解）都很重要。

此图还表明，在剧烈运动期间，肌酸激酶的反应并没有产生Pi，不会导致Pi浓度的增加。而是由于ATP需求率超过了线粒体呼吸所提供的ATP，细胞质（非线粒体）ATP转换的依赖性增加；额外增加的ATP水解产生Pi的速率超过Pi进入线粒体的速率，导致Pi积累。

另外，我们会看到市面上有很多肌酸类的营养补充剂，健身人群比较常用。通过上述生化反应我们可以看出肌酸在人体中的用途，可以让人体获得更高的磷酸肌酸的储备，这样可以提高体内磷酸原供能系统的能力。磷酸原供能系统主要是在运动开始的即刻使用，是爆发力项目的主要供能系统，因此在短跑、力量举、健身人群中补充肌酸是有利于提高运动表现的，但是马拉松运动是个耐力性运动项目，几乎不需要考虑补充肌酸，也是基于这个生化反应的原理。另外，肌酸在肌肉内储存时会增加肌肉的水分储备，会让肌肉看起来更加饱满，因此补充肌酸的人也会多喝水，这满足了健身人群对肌肉围度的追求，但是对于跑马人群而言，如果体内储存太多的水分，则会增加跑步的负重，因此从这个角度来分析，补充肌酸对跑者而言是不需要的。

②糖酵解系统。

人体有三大供能物质：糖类、脂类和蛋白质。其中糖类又称碳水化合物。糖酵解是糖类物质能量代谢过程的一部分。

以葡萄糖为例先来看糖类的代谢——葡萄糖的来源有糖原和淀粉，葡萄糖的酵解发生在细胞质的胞浆里，而有氧代谢发生在细胞的线粒体内。

结合细胞结构图和糖代谢基本过程总结图，可以看到葡萄糖首先在细胞质内（线粒体膜外）通过一系列酶的催化发生一系列的生化反应，然后生成丙酮酸，从葡萄糖到丙酮酸的过程就是狭义上的糖酵解过程；而丙酮酸在细胞质内继续发生生化反应就会生成乳酸，从糖酵解到乳酸的生成过程就是广义上的糖酵解。我们从糖代谢基本过程总结图中可以看出，丙酮酸还有一个代谢途径是通过线粒体膜，进入到线粒体内，这部分丙酮酸就开始了另一个能量代谢的过程叫有氧代谢。

从葡萄糖到丙酮酸，都发生了哪些生化反应，产生了多少ATP和H+呢？

总结一下就是：糖酵解是由葡萄糖-6-磷酸（G6P）提供能量的系统，而G6P来源于血糖或肌糖原。尽管糖原是糖酵解的主要底物，但传统的糖酵解生化过程描述是从葡萄糖开始的，到丙酮酸的形成需要10个反应。糖原作为主要底物时绕过第1个反应，共享剩余的9个反应。以葡萄糖（血糖）为G6P来源时2H+净释放，净得2个ATP；以糖原（肌糖原）为G6P来源时1H+净释放，净得3个ATP。

从葡萄糖或糖原开始至丙酮酸总结如下：

glucose+2ADP+2Pi+2NAD+→2pyruvate+2ATP+2NADH+2H2O+2H+  ①

glycogenn+3ADP+3Pi+2NAD+→ glycogenn_1+2pyruvate+3ATP+2NADH +2H2O+1H+ ②

这里我们可以重点留意一下氧化型辅酶I（NAD+）和还原型辅酶I（NADH），这两个物质在乳酸产生时也会出现。

下面的三个化学反应过程是在整个狭义的糖酵解过程中产生H+的三个环节，整个过程给我们展示了狭义的糖酵解过程中释放H+，不产生任何代谢酸。

下面，我们讨论的主角——乳酸出场，从丙酮酸到乳酸，只需经历乳酸脱氢酶催化这个生化反应步骤

首先，乳酸脱氢酶（LDH）反应产生胞质内的NAD+，从而支持3-磷酸甘油酸脱氢酶反应的NAD+底物需求，持续支持糖酵解第二阶段的底物通量，允许从糖酵解获得持续的ATP再生。另一个重要功能是，每一个丙酮酸分子被催化生成乳酸和NAD+的同时都会消耗一个H+，使这个反应起到缓冲细胞H+积累（酸中毒）的作用。LDH反应的有机化学清楚地表明乳酸的产生消耗H+，LDH反应是对细胞进行碱化，而不是酸化。

人体内产生的乳酸通过一元羧酸转运蛋白从细胞中去除。乳酸从原始细胞中循环出来后，可以作为其他组织（如骨骼和心脏的肌细胞、肝脏和肾脏）代谢的底物，在那里乳酸被吸收利用。由于一元羧酸转运蛋白也是从细胞中去除H+的一种协同物，乳酸的产生也提供了帮助H+从细胞中流出的手段；从化学计量学上乳酸和H+通过这种转运机制离开细胞。迄今为止，还没有生物化学证据表明乳酸产生过程中释放出一个H+。这些生物化学事实正确的生理解释是，乳酸的产生延缓了代谢性酸中毒的发展，并有助于从细胞中去除H+。

所以，这说明了乳酸酸中毒只是个臆想的生物化学理论。

看到这里我们突然发现其实导致酸中毒发生的，主角并不是乳酸而是H+。有一些生化基础的学霸们可能会提出，酸中毒确实不是乳酸直接导致的，但是乳酸的羧酸官能团的酸度系数：Pka值（pH3.87）相对较低，在细胞骨骼肌的pH6.2～pH7.0范围内，乳酸几乎会立即完全电离释放出H+，这个由于乳酸电离释放的H+才是乳酸酸中毒的来源。支持这种乳酸酸中毒理论的学霸们且耐心等待后续的文章，将展示给各位，科学家们如何从化学计量的研究中证实了这个理论也只是个臆想，并非是事实。

虽然从葡萄糖到乳酸的过程中出现了一些“酸性中间物”，这些物质的酸度系数如下图所示。尽管这些分子是羧酸结构，但随后的生化成分显示这些分子是以酸盐形式存在的，因此，任何一种分子都不曾以酸的形式存在，也不作为H+的来源。

广义糖酵解包括狭义的糖酵解与乳酸这两个部分，这两部分的耦合对人体非常重要，我们先看下面代谢的总结：

这种耦合对身体的许多细胞都很重要，红细胞就是一个很好的例子。红细胞缺乏线粒体，以葡萄糖为糖酵解底物，依靠糖酵解进行ATP再生。糖酵解产生的2H+产量与将2个丙酮酸转化为2个乳酸的2H+消耗与产生量平衡，红细胞的细胞质氧化还原也由LDH反应产生的NAD+维持。这种耦合就使得红细胞能够正常工作而不会产生酸中毒。

在骨骼肌中，线粒体的存在和糖原作为6-磷酸葡萄糖的来源参与到糖酵解中，改变了糖酵解通量、H+释放、乳酸和H+消耗之间的化学计量学。此外，肌肉收缩过程中产生的高代谢率，以及高的ATP水解和再生率，构成了非肌肉组织中从未出现过的独特的代谢应激。

从糖酵解中获得的ATP供能给肌肉收缩的总结

式子5和6似乎已经产生乳酸，然而，假设这样一个总结方程是乳酸性酸中毒的证据，那基于代谢性酸中毒的生物化学的解释也过于简单了。而且两个H+的来源是ATP水解，而不是乳酸产生。

这篇文章就先写到这里，在了解了糖酵解的生物化学机制以后，你是否不再苟同于乳酸导致酸中毒的理论了呢？（未完待续）

（作者：成皖梅）

参考文献：

1. American Journal of Physiology-Regulatory Integrative and Comparative Physiology 2004;287:R502-R516

2. 《运动生物化学》（第二版）张蕴琨，丁树哲主编

3.《运动生理学》王瑞元，苏全生主编