第七章 能量代谢
2011-06-08 18:25:25   来源：   作者：  评论：0 点击：

非蛋白呼吸商 氧化的百分数（ %） 氧热价(kJ/L)
糖 脂肪
0.707 0.00 100.0 19.61
0.71 1.10 98.9 19.62
0.72 4.76 95.2 19.67
0.73 8.40 91.6 19.72
0.74 12.0 88.0 19.78
0.75 15.6 84.4 19.83
0.76 19.2 80.8 19.88
0.77 22.8 77.2 19.93
0.78 26.3 73.7 19.98
0.79 29.9 70.1 20.03
0.80 33.4 66.6 20.09
0.81 36.9 63.1 20.14
0.82 40.3 59.7 20.19
0.83 43.8 56.2 20.24
0.84 47.2 52.8 20.29
0.85 50.7 49.3 20.34
0.86 54.1 45.9 20.40
0.87 57.5 42.5 20.45
0.88 60.8 39.2 20.50
0.89 64.2 35.8 20.55
0.90 67.5 32.5 20.60
0.91 70.8 29.2 20.65
0.92 74.1 25.9 20.70
0.93 77.4 22.6 20.76
0.94 80.7 19.3 20.82
0.95 84.0 16.0 20.86
0.96 87.2 12.8 20.91
0.97 90.4 9.58 20.96
0.98 93.6 6.37 21.01
0.99 96.8 3.18 21.07
1.00 100.0 0.0 21.12
(三)测定方法及其应用
间接测热法的基本思路是遵循反应物的量和产物的量之间所呈现的固定比例关系，从而测定机体在一定时间内的耗O2量和CO2产生量。测定耗O2量和CO2产生量的方法有两种：闭合式和开放式测定法。
1．闭合式测定法
实验动物或人从一个闭合装置（通常用肺量计，图7-3）中不断摄取O2，呼出的CO2被装置中的CO2吸收剂吸收。随着呼吸的变化，浮筒内的氧逐渐减少，而呼出的CO2又被吸收，因此描笔记录的曲线逐渐下降。根据描笔下降高度，算出一定时间（通常为6min）内的耗氧量。此法主要用于安静状态下能量代谢的测定，临床上常用闭合式测热法来测定基础代谢率。
2．开放式测定法
在呼吸空气条件下，将受试者一定时间内的呼出的气体收集于气袋中，用气体分析仪分析呼出气中的O2和CO2容积百分比。再根据两者的差值，计算出该时间内的耗O2量和CO2产生量。此法可用于安静状态或各种运动程度的能量代谢的测定，特别适用于劳动或运动时能量代谢的测定。
（四）间接测热法的测算
1．理论测算法
（1）测算原则 实验测得的尿氮量和一定时间（通常为24h）内的耗O2量和CO2产生量，根据表7-1和表7-2中所列的相应数据，就可计算出该时间的产热量。
（2）测算步骤 ①测出机体在一定时间内的耗O2量和CO2产生量，并测出尿氮排出量；②根据尿氮含量（蛋白质分子中含16%的N2，1g尿氮相当于氧化分解6.25g蛋白质）算出蛋白质的氧化量和蛋白质食物的产热量，在总的耗O2量和CO2产生量中扣除蛋白质氧化代谢的份额，再根据所剩的耗O2量和CO2产量计算出NPRQ；③查出表7-2中该NPRQ所对应的氧热价，进而算出非蛋白食物的产热量；④算出总产热量，即蛋白质食物产热量与非蛋白质食物产热量之和。
间接测热法理论上的测算程序繁琐，需要测定尿氮和呼吸商，故实际工作中很难推广，多采用简化法计算。
2．简化测算法
将机体总RQ看成NPRQ，测定一定时间（通常为24h）内的耗O2量和CO2产生量，即可计算出机体的产热量。因为，一般情况下，人体内蛋白质氧化供能很少，且较稳定，故尿氮量的测定可省略。用简化法计算的产热量数值与理论测算的产热量数值颇为相近，其误差值在1%～2%。
3．临床简便测算法
一般情况下，人们吃的都是混合食物，其NPRQ为0.85，与此相应的氧热价为20.34kJ/L，因此，用肺量计测得一定时间（通常测6min，再换算成24h）的耗O2量后，便可计算产热量。即：24h产热量=20.34kJ/L×耗O2量(L)。
总之，上述测算法都是以"定比定律"为基础，均要测定机体在一定时间内的耗O2量，最后计算机体在24h的产热量。三种测算法均可反映机体的能量代谢状态，但在临床实践中以临床简便测算法的应用最广泛，因为该测算法的方法简单，测算方便，所得数值与理论测算和简化测算的结果非常接近。
4．静息能量消耗的测算
采用间接测热法，收集呼出气进行血气分析，用Weir公式计算静息能量消耗(resting energy expenditure，REE)，REE(kJ/d)=3.941×耗O2量(L/d)＋1.106×CO2产生量(L/d)－2.17×总尿氮量(g/d)。实验发现，糖尿病人REE明显降低，可能与植物神经功能紊乱导致瘦素（leptin）水平下降和其它激素水平改变有关。因此，在临床上测定REE可帮助了解某些疾病的能量代谢变化，判断热能供应是否过多或过少，为探讨机体能量代谢特征和规律，准确制定治疗食谱提供理论依据。

第三节 影响能量代谢的因素
(Factors affecting energy metabolism)

一、 体表面积
临床上测定单位时间内产热量是为了要判断被测者的能量代谢率是否正常。然而，用什么指标作为能量代谢率的衡量标准是多年来许多生理学家试图要解决的问题。曾有人以体重作为能量代谢率的衡量标准，结果发现小动物（如鸡）每公斤体重的产热量比大动物（如马）的高得多。但是，如果以体表面积(body surface area)作为计算单位，则不论动物大小，每24 h每平方米体表面积的产热量几乎是相等的，约为4 184kJ。在人体，基本情况也是如此，当将一个身材高大的人和一个瘦小的人比较时，如以体重作为衡量标准，则身体瘦小的人每公斤体重的产热量与身材高大的人的产热量相比明显增高；如以体表面积计算，则不论身体高大或瘦小，每平方米体表面积的产热量都比较接近。因此，体表面积成为衡量能量代谢的标准，即以每平方米体表面积每小时的产热量[kJ/(m2·h)]来表示能量代谢率。除能量代谢率外，机体的心输出量、肾小球滤过率、肺活量以及主动脉和气管的横截面等均与体表面积呈一定的比例关系。
人体表面积的大小可从身高和体重两项数值来推算。我国人体的体表面积可根据Steveson算式进行计算：
体表面积(m2)=0.0061×身高(cm)＋0.0128×体重(kg)－0.1529
此外，在实际应用中，体表面积还可根据图7-4直接查出来。其做法是将受试者的身高和体重连成直线，此直线与体表面积交点的数值，即为该受试者的体表面积。
二、 肌肉活动
肌肉活动是影响能量代谢最显著的因素。机体任何轻微活动，如劳动、体育锻炼、走路跑步等各种活动都要消耗能量而提高能量代谢率。因为不管是运动开始，还是运动停止后，能量代谢均维持较高水平。例如，在运动初期将出现氧债(oxygen debt)，机体的摄O2量少于肌肉代谢的实际耗O2量，把亏欠的这部分O2量叫做氧债。此时机体只能动用贮备的高能磷酸键和进行无氧酵解来供能；运动停止后的一定时间内，循环、呼吸机能还维持在较高水平上，其目的是摄入更多的O2，以偿还氧债。在运动或劳动时，耗O2量显著增加，这是因为肌肉活动需要能量供给，而能量则来自营养物质的氧化所致。在剧烈运动或强劳动时，其机体产热量比平静时可增加数倍到数十倍。不同强度劳动或运动时，能量代谢值的变化情况见表7-3。
表7-3 不同活动状态下的能量代谢率
机体活动情况 产热量[kJ/( m2·min)]
躺 卧 2.73
开 会 3.40
擦 窗 8.30
洗 衣 9.89
扫 地 11.36
打排球 17.04
打篮球 24.22
踢足球 24.96

从表中可看出，随着劳动或运动强度的增加，机体产热量也随着增加，提示机体耗O2量与肌肉活动强度呈正比关系。因此，可将能量代谢率作为评价劳动强度的指标。
三、 食物的特殊动力效应
人们在进食后的一段时间内（从进食后1h开始，2h～3h达到最高，延续7h～8h），即使在安静状态，机体的产热量也要比进食前增加。这种由食物引起机体"额外"产生热量的作用称为食物的特殊动力效应(specific dynamic effect)。不同食物产生的特殊动力效应不同：蛋白质类食物额外增加的热量可达30%；糖和脂肪的特殊动力效应可增加热量约为4%～6%；混合食物的这种作用较小，仅为10%左右。关于食物特殊动力效应的机制尚未清楚，目前认为可能 是肝脏在进行脱氨基反应中"额外"消耗能量所致。由于这种"额外"增加的能量不能被利用，因此在计算能量需要时应注意。
四、 精神活动
在第一节"能量的来源"中提到，脑组织糖原的贮存量少和对缺O2较敏感，说明脑组织需要更多的血液循环，并有较高的代谢水平。有实验提示，在安静状态下约有15%的循环血量进入脑循环，但脑的重量只占体重的2.5%，此时脑组织耗O2量是肌肉组织耗O2量的20倍。实验发现，在睡眠和精神活动情况下，脑中葡萄糖代谢率无明显差异。可见，在精神活动中，中枢神经系统本身的代谢增强不显著。但是，当机体处于紧张状态下，如情绪激动、烦恼、愤怒、恐惧及焦虑等，能量代谢可显著增高。这与精神紧张时无意识的引起骨骼肌张力增高、交感神经兴奋时释放儿茶酚胺增加以及刺激代谢活动的激素（如甲状腺激素等）的释放增加有关。
五、 环境温度
环境温度的变化是影响能量代谢的另一个因素。环境温度对能量代谢的影响曲线呈"U"型，即环境温度降低或升高，均可使能量代谢增加。当环境温度＜20℃时，能量代谢开始增加，在10℃以下明显增加，这是由于寒冷刺激反射性地引起寒战和肌肉张力增高所致。同时甲状腺激素、肾上腺素、去甲肾上腺素分泌增加，使物质代谢加速、血管收缩、耗能量增加。当环境温度为20℃～30℃时，人安静时的能量代谢最稳定，主要是肌肉松弛的结果。当环境温度为＞30℃时，能量代谢也会增加，这可能是由于酶的活性增强、体内化学反应速度加快、发汗机能旺盛和呼吸、循环机能增强等因素所致。
六、 其他因素
除上述影响能量代谢的因素外，还有年龄、性别、睡眠、激素等因素也影响能量代谢。儿童在生长发育期间由于细胞的合成代谢快速，故能量代谢率较高。老年人细胞内新陈代谢相对减弱，能量代谢率逐渐下降。年龄的增长与能量代谢率成反变关系。能量代谢率在同龄男性比女性高，平均增加约10%～15%，这是因为男性激素可促使能量代谢提高的结果，而女性激素对能量代谢率无明显的影响。这种差异在青春期后显得更加突出。睡眠可使能量代谢降低10%～15%，其原因是由于睡眠时骨骼肌紧张性下降以及交感神经系统的活动水平降低所致。生长素、甲状腺激素、肾上腺素和去甲肾上腺素等水平的升高，可使能量代谢明显增加。
近年来发现脂肪组织不但贮能，还能分泌多种细胞因子影响能量的贮存、动员及燃烧，在机体能量平衡调节中发挥重要作用。脂肪组织可分泌瘦素、肿瘤坏死因子α、白细胞介素-6、Ghrelin以及近期发现的Resistin等，这些因子均参与能量代谢的调节。例如瘦素可通过兴奋阿片促黑激素皮质素原神经元抑制神经肽Ｙ，调节多种神经内分泌激素分泌，引起食欲降低及机体能量消耗增加从而减轻体重。瘦素还通过中枢-交感-肾上腺素能系统，激动脂肪细胞膜上的β3肾上腺素能受体,使大量的贮存能量转变为热能释放，从而达到降低体脂的目的。新近的研究结果表明，小分子脑肠肽Ghrelin对能量平衡起调节作用。连续给大鼠静脉注射Ghrelin，可使大鼠以脂肪为主的体重增加，利用脂肪产热减少，这种作用可能是由于Ghrelin减弱瘦素对摄食的抑制以及增强胃肠道活动和胃酸分泌增加的作用有关。Ghrelin促进摄食的作用可能与兴奋了下丘脑的神经肽Ｙ神经元，增加神经肽Ｙ基因的表达，从而增加摄食有关。

第四节 基础代谢
(Basal metabolism)
一、基础代谢及基础代谢率的测定
(Measurement of basal metabolism and basal metabolism rate)
（一）基础代谢和基础代谢率
在基础状态下的能量代谢称为基础代谢(basal metabolism)。所谓基础状态是指人处在清醒而又非常安静、不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等因素影响时的状态。这时人体各种生理活动和代谢都比较稳定，代谢率比一般安静时的代谢率低8%～10%左右，能量消耗仅限于维持体温、心跳、呼吸、肠蠕动以及其它基本生命活动的需要。
单位时间内每m2体表面积的基础代谢称为基础代谢率(basal metabolism rate，BMR)。通常以kJ/(m2·h)表示。
（二）测定BMR的基本条件
临床上，测定BMR通常要求具有的基本条件是：①清晨空腹，即距前次进食12h～14h以上，以排除食物的特殊动力效应的影响；②清醒安静、卧床和肌肉放松，以避免肌肉活动的影响；③排除紧张、焦虑和恐惧心理，以避免精神紧张等因素的影响；④保持室温在20℃～25℃之间，以排除环境温度的影响，受试者体温也要正常；⑤测定BMR的前一晚必须保证足够的睡眠。
（三）BMR的测定方法及其正常值
在测定过程中，首先用肺量计测定受试者6min的耗O2量，再乘以RQ为0.85时的氧热价(20.34kJ/L)，就可求出机体1h的产热量，此值再除以体表面积即为BMR。我国人正常的BMR的水平，男女各年龄组的平均值如表7-4所示。
表7-4 　中国人正常ＢＭＲ平均值[kJ/(m2·h)]
年龄（岁） 11~15 16~17 18~19 20~30 31~40 41~50 51以上
男 195.5 193.4 166.2 157.8 158.7 154.1 149.1
女 172.5 181.7 154.1 146.5 146.4 142.4 138.6
表示BMR的方式有：
⑴用绝对数值表示，即以实测的数值来表达。
⑵用相对数值表示，临床上习惯以正常BMR的标准值作为100%，并以实测值与表7-4所列的正常标准值相比较，即相差的%表达。这种表达方式对受试者是否正常可一望而知。