在一般開始運動的最初幾秒鐘內，骨骼肌所需 ATP最可能之來源為何？

本題觀念：

本題考查的是骨骼肌能量代謝系統 (Energy Systems) 的時序性。肌肉收縮需要 ATP，但肌肉細胞內儲存的 ATP 非常少（僅夠維持約 1-3 秒）。因此，開始運動後必須立刻透過不同的代謝途徑再合成 ATP。這些途徑依據「啟動速度」與「持續時間」主要分為三個階段：

1. 磷酸肌酸系統 (Phosphagen System / ATP-PCr System)：最快，主導前 10-15 秒。
2. 糖解系統 (Glycolytic System)：次之，主導約 15 秒至 2 分鐘。
3. 有氧呼吸系統 (Aerobic/Oxidative System)：最慢，主導 2 分鐘以上的耐力運動。

選項分析

• A. 脂肪酸（fatty acid）：
  • 錯誤。脂肪酸的氧化分解（Beta-oxidation）發生在粒線體內，屬於有氧代謝。
  • 此過程需要氧氣參與，且反應步驟繁多，啟動速度最慢。脂肪酸主要是在長時間、中低強度的運動（如長跑、馬拉松）中成為主要的能量來源，無法應付運動剛開始最初幾秒的急需。
• B. 葡萄糖（glucose）：
  • 錯誤。雖然無氧糖解（Anaerobic Glycolysis）啟動比有氧代謝快，但仍需經過一系列酵素反應才能產生 ATP。
  • 在運動開始後的 10-15 秒之後，隨著磷酸肌酸（PCr）耗盡，糖解作用才會成為主要的 ATP 來源。在「最初幾秒鐘」內，其貢獻度不如磷酸肌酸。
• C. 蛋白質（protein）：
  • 錯誤。蛋白質通常不是肌肉主要的能量來源。
  • 只有在極端情況（如長期飢餓或超長時間的耐力運動導致醣類耗盡）下，身體才會透過糖質新生（Gluconeogenesis）大量分解胺基酸來提供能量。在一般運動初期絕對不是主要來源。
• D. 磷酸肌胺酸（creatine phosphate, PCr）：
  • 正確。磷酸肌胺酸（又稱磷酸肌酸）儲存在肌肉細胞中，含有高能磷酸鍵。
  • 當肌肉開始收縮，細胞內 ATP 濃度下降、ADP 濃度上升時，酵素肌酸激酶 (Creatine Kinase, CK) 會立刻催化反應：$PCr + ADP \rightarrow ATP + Cr$。
  • 這個反應只有單一步驟，不需要氧氣，速度極快，是運動最初 10-15 秒內（例如短跑衝刺、舉重）ATP 最主要的再合成來源。

答案解析

題目問的是「開始運動的最初幾秒鐘內」，此時肌肉細胞內儲存的現成 ATP 瞬間（約 1-3 秒）就會被用掉，緊接著必須依賴磷酸肌酸系統來快速填補 ATP 的缺口。此系統反應最快，能提供最大功率輸出，但儲存量少，僅能維持約 10 秒左右的全力運動。故最可能的來源為 (D) 磷酸肌胺酸。

核心知識點

1. 運動能量系統時序 (Energy System Timeline)：
   • 0 ~ 10 秒：ATP-PCr 系統 (磷酸肌酸) — 高爆發、無氧、極速。
   • 10 秒 ~ 2 分鐘：無氧糖解系統 (Anaerobic Glycolysis) — 來源為肌肝醣/葡萄糖，產物為乳酸。
   • > 2 分鐘：有氧系統 (Aerobic System) — 來源為脂肪酸、葡萄糖，發生於粒線體。
2. 關鍵酵素：催化 PCr 轉移磷酸根給 ADP 的酵素是 Creatine Kinase (CK)。
3. 生理意義：PCr 是肌肉的「能量緩衝庫」，讓肌肉在無氧代謝或有氧代謝完全啟動前，能維持短暫的高強度收縮。

參考資料

1. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology, 14th Edition. Chapter 84: Sports Physiology.
2. Costill, D. L., et al. "Skeletal muscle enzymes and fiber composition in male and female track athletes." Journal of Applied Physiology 40.2 (1976): 149-154.
3. Powers, S. K., & Howley, E. T. (2018). Exercise Physiology: Theory and Application to Fitness and Performance. McGraw-Hill Education.