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能量代謝和體溫

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月02日 13:59

能量代謝和體溫

第一節(jié)　能量代謝

　　新陳代謝是機體生命活動的基本特征，新陳代謝包括物質(zhì)代謝與相傳伴的能量代謝，簡稱代謝。

　　糖、脂肪、蛋白質(zhì)三種營養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)消化轉(zhuǎn)變成為可吸收的小分子營養(yǎng)物質(zhì)而被吸收入血。在細(xì)胞中，這些營養(yǎng)物質(zhì)經(jīng)過同化作用（合成代謝），構(gòu)筑機體的組成成分或更新衰老的組織；同時經(jīng)過異化作用（分解代謝）分解為代謝產(chǎn)物。合成代謝和分解代謝是物質(zhì)代謝過程中互相聯(lián)系的、不可分割的兩個側(cè)面。

　　在分解代謝過程中，營養(yǎng)物質(zhì)蘊藏的化學(xué)能便釋放出來。這些化學(xué)能經(jīng)過轉(zhuǎn)化，便成了機體各種生命活動的能源，所以說分解是代謝的放能反應(yīng)。而在合成代謝過程中，需要供給能量，因此是吸能反應(yīng)?？梢?，在物質(zhì)代謝過程中，物質(zhì)的變化與能量的代謝是緊密聯(lián)系著的。生物體內(nèi)物質(zhì)代謝過程中所伴隨的能量釋放、轉(zhuǎn)移和利用等，稱為能量代謝（energy metabolism）。

　　機體所需的能量來源于食物中的糖、脂肪和蛋白質(zhì)。這些能源物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中的碳?xì)滏I蘊藏著化學(xué)能，在氧化過程中碳?xì)滏I斷裂，生成CO2 和 H2 O，同時釋放出蘊藏的能。這些能量的50%以上迅速轉(zhuǎn)化為熱能，用于維持體溫，并向體外散發(fā)。其余不足50%則以高能磷酸鍵的形式貯存于體內(nèi)，供機體利用。體內(nèi)最主要的高能磷酸鍵化學(xué)物是三磷酸腺苷（ ATP）。此外，還可有高能硫酯鍵等。機體利用ATP去合成各種細(xì)胞組成分子、各種生物活性物質(zhì)和其他一些物質(zhì)；細(xì)胞利用ATP去進(jìn)行各種離子和其它一些物質(zhì)的主動轉(zhuǎn)運，維持細(xì)胞兩側(cè)離子濃度差所形成的勢能；肌肉還可利用ATP所載荷的自由能進(jìn)行收縮和舒張，完成多種機械功。總的看來，除骨骼肌運動時所完成的機械功（外功）以外，其余的能量最后都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋＠缧募∈湛s所產(chǎn)生的勢能（動脈血壓）與動能（血液流速），均于血液在血管內(nèi)流動過程中，因克服血流內(nèi)、外所產(chǎn)生的阻力而轉(zhuǎn)化為熱能。在人體內(nèi)，熱能是最“低級”形式的能，熱能不能轉(zhuǎn)化為其它形式的能，不能用來作功。

　　本節(jié)主要敘述整個機體的能量代謝測定的原理與方法，基礎(chǔ)代謝以及機體在某些狀態(tài)下的代謝等問題，不涉及能量代謝的各個方面。

　　通用的法定計量的熱量單位為焦耳（Joules.J）。過去熱量單位是卡或千卡，1卡=4.187焦耳，1千卡=4.187千焦耳（kJ）。1焦耳/s為1瓦特。

　　一、能量代謝測定的原理和方法

　　熱力學(xué)第一定律指出：能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的過程中，既不能增加，也不減少。這是所有形式的能量（動能、熱能、電能入化學(xué)能）互相轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律，也就是能量守恒定律。機體的能量代謝也遵循這一規(guī)律，即在整個能量轉(zhuǎn)化過程中，機體所利用的蘊藏于食物中的化學(xué)能與最終轉(zhuǎn)化成的熱能和所作的外功，按能量來折算是完全相等的。因此，測定在一定時間內(nèi)機體所消耗的食物，或者測定機體所產(chǎn)生的熱量與所做的外功，都可測算出整個機體的能量代謝率（單位時間內(nèi)所消耗的能量）。

　　測定整個機體單位時間內(nèi)發(fā)散的總熱量，通常有兩類方法：直接測熱法和間接測熱法。

　?。ㄒ唬┲苯訙y熱法

　　直接測熱法（direct calormetry）是測定整個機體在單位時間內(nèi)向外界環(huán)境發(fā)散的總熱量。此總熱量就是能量代謝率。如果在測定時間內(nèi)做一定的外功，應(yīng)將外功（機械功）折算為熱量一并計入。圖7-1是本世紀(jì)初Arwater-Benedict所設(shè)計的呼吸熱量計的結(jié)構(gòu)模式圖。它是由隔熱密封的房間，其中設(shè)一個銅制的受試者居室。用調(diào)節(jié)溫度的裝置控制隔熱壁與居室之間空氣的溫度，使之與居室內(nèi)的溫度相等，以防居室內(nèi)的熱量因傳導(dǎo)而喪失。這樣，受試者機體所散發(fā)的大部分熱量便被居室內(nèi)管道中流動的水所吸收。根據(jù)流過管道的水量和溫度差，將水的比熱考慮在內(nèi)，就可測出水所吸收的熱量。當(dāng)然，受試者發(fā)散的熱量有一部分包含在不感蒸發(fā)（參看第二節(jié)）量中，這在計算時也要加進(jìn)去。受試者呼吸的空氣由進(jìn)出居室的氣泵管道系統(tǒng)來供給。此系統(tǒng)中裝有硫酸和鈉石灰，用業(yè)吸收水蒸氣和CO2 。管道系統(tǒng)中空氣中的O2 則由氧氣筒定時補給。

　　直接測熱法的設(shè)備復(fù)雜，操作繁鎖，使用不便，因而極少應(yīng)用。一般都采用間接測熱法。

圖7-1 直接測熱裝置示意圖

　?。ǘ╅g接測熱法

　　在一般化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物的量與產(chǎn)物量之間呈一定的比例關(guān)系，這就是定比定律。例如，氧化1mol葡萄糖，需要6mol氧，同時產(chǎn)生6molCO2 和6molH2 O,并釋放一定量的能。下列反應(yīng)式表明了這種關(guān)系：

　　C6 H12 O6 +602 →6CO2 +6H2 0+△H

　　同一種化學(xué)反應(yīng)，不論經(jīng)過什么樣的中間步驟，也不論反應(yīng)條件差異多大，這種定比關(guān)系仍然不變。例如，在人本內(nèi)氧化1mol葡萄糖，同在體外氧化燃燒1mol葡萄糖一樣，都要消耗6molCO2 和6molH2 0，而且產(chǎn)生的熱量也相等。一般化學(xué)反應(yīng)的這種基本規(guī)律也見于人體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)氧化供能的反應(yīng)（蛋白質(zhì)的情況下有些出入，參看下文），所以它成了能量代謝間接測熱法的重要依據(jù)。

　　間接測熱法（indirect calorimetry）的基本原理就是利用這種定比關(guān)系，查出一定時間內(nèi)整個人體中氧化分解的糖、脂肪、蛋白質(zhì)各有多少，然后據(jù)此計算出該段時間內(nèi)整個機體所釋放出來的熱量。因此，必須解決兩個問題：一是每種營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解時產(chǎn)生的能量有多少（即食物的熱價）；二要分清三種營養(yǎng)物質(zhì)各氧化了多少。

　　食物的熱價應(yīng)用彈式熱量計，在體外測定了一定量的的糖、脂肪和蛋白質(zhì)燃燒時所釋放的熱量，并同這三類物質(zhì)在動物體內(nèi)氧化到最終產(chǎn)物C02 和水時所產(chǎn)生的熱量相比較，證明了糖和脂肪在體外燃燒與在體內(nèi)氧化分解所產(chǎn)生的熱量是相等的。于是將1g食物氧化（或在體外燃燒）時所釋放出來的能量稱為食物的熱價（thermal equivalent of food）。食物的熱價分為物理熱價和生物熱價。前者指食物在體外燃燒時釋放的熱量，后者系食物經(jīng)過生物氧化所產(chǎn)生的熱量。糖（或脂肪）的物理熱價和生物熱價是相等的，而蛋白質(zhì)的生物熱價則小于它的物理熱價。因為蛋白質(zhì)在體內(nèi)不能被徹底氧化分解，它有一部分主要以尿素的形式從尿中排泄的緣故。三種營養(yǎng)物質(zhì)在物理熱價和生物熱價見表演7-1。

　　呼吸商　機體依靠呼吸功能從外界攝取氧，以供各種營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解的需要，同時也將代謝終生物CO2 呼出體外，一定時間內(nèi)機體的CO2 產(chǎn)量與耗氧量的比值稱為呼吸商（respiratory quotient, RQ）。各種營養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)氧化供能屬于細(xì)胞呼吸過程，因而雙將各種營養(yǎng)物質(zhì)氧化時的CO2 產(chǎn)量與耗氧量的比值稱為某物質(zhì)的呼吸商。嚴(yán)格說來，應(yīng)該以CO2 和O2 的克分子（mol）比值來表示呼吸商。但是，因為在同一溫度和氣壓條件下，容積相等的不同氣體，其分子數(shù)都是相等的，所以通常都用容積數(shù)（ml或L）來計算CO2 與O2 的比值，即：

　　糖、脂肪和蛋白質(zhì)氧化時，它們的CO2 產(chǎn)量與耗氧量各不相同，三者的呼吸商也不一樣。

　　因為各種營養(yǎng)物質(zhì)無論在體內(nèi)或體外氧化，它們的耗氧量與CO2 產(chǎn)量都取決于各該物質(zhì)的化學(xué)組成，所以，在理論上任何一種營養(yǎng)物質(zhì)的呼吸商都可以根據(jù)它的氧化成終產(chǎn)物（CO2 和H2 0）化學(xué)反應(yīng)式計算出來的。

　　糖的一般分子式為（CH2 0）n，氧化時消耗的02 和產(chǎn)生的C02 分子數(shù)相等，呼吸商應(yīng)該等于1。如上述葡萄糖氧化的反應(yīng)式所示，C02 產(chǎn)量與耗氧量均為6mol故：

　　脂肪氧化時需要消耗更多的氧。在脂肪本身的分子結(jié)構(gòu)中，氧的含量遠(yuǎn)較碳和氫少。因此，另外提供的氧不僅要用氧化脂肪分子中的碳，還要用來氧化其中的氫。所以脂肪的呼吸商將小于1。現(xiàn)以甘油三酸酯（triolein）為例：

　　 RQ＝57molC02 /80mol02 ＝0.71

　　蛋白質(zhì)的呼吸商較難測算，因為蛋白質(zhì)在體內(nèi)不能完全氧化，而且它氧化分解途徑的細(xì)節(jié)，有些還不夠清楚，所以只能通過蛋白質(zhì)分子中的碳和氫被氧化時勢需氧量和C02 產(chǎn)量，間接算出蛋白質(zhì)的呼吸商，其計算值為0.80。

　　在人的日常生活中，營養(yǎng)物質(zhì)不是單純的，而是糖、脂肪和蛋白質(zhì)混合而成的（混合膳食）。所以，呼吸商常變動于0.71-1.00之間。人體在特定時間內(nèi)的呼吸產(chǎn)要看哪種營養(yǎng)物質(zhì)是當(dāng)時的主要能量來源而定。若能源主要是糖類，則呼吸商接近于1.00；若主要是脂肪，則呼吸商接近于0.71。在長期病理性饑餓情況下，能源主要來自機體本身的蛋白質(zhì)和脂肪，則呼吸商接近于0.80。一般情況下，攝取混合食物時，呼吸商常在0.85左右。

　　現(xiàn)將糖、脂肪和蛋白質(zhì)三者的熱價、氧熱窬及呼吸商等數(shù)據(jù)列于表7-1，以供理解和測算能量代謝率之用。

表7-1 三種營養(yǎng)物質(zhì)氧化時的幾種數(shù)據(jù)

營養(yǎng)

　　物質(zhì)

產(chǎn)熱量（kJ/g）耗氧量CO2 產(chǎn)量氧熱價呼吸商物理熱價（用彈式熱量計測得）生物熱價（體內(nèi)生物氧化什）營養(yǎng)學(xué)
熱價(L/g)(L/g)(kJ/J)(RQ)糖171716.70.830.83211.00蛋白質(zhì)23.51816.70.950.7618.80.80脂肪39.839.837.72.031.4319.70.71

　　營養(yǎng)學(xué)通常采用概數(shù)來計算食物的熱價

　　影響呼吸商的其它因素：

　　機體的組織、細(xì)胞不僅能同時氧化分解各種營養(yǎng)物質(zhì)，而且也使一種營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N營養(yǎng)物質(zhì)。糖的轉(zhuǎn)化為脂肪時，呼吸商可能變大，甚至超過1.00。這是由于當(dāng)一部分糖轉(zhuǎn)化為脂肪時，原來糖分子中的氧即有剩余，這些氧可能參加機體代謝過程中氧化反應(yīng)，相應(yīng)地減少了從外界攝取的氧量，因而呼吸商變大。反過來，如果脂肪轉(zhuǎn)化為糖，呼吸商也可能低于0.71。這是由于脂肪分子中含氧比例小，當(dāng)轉(zhuǎn)化為糖時，需要更多的氧進(jìn)入分子結(jié)構(gòu)，因而機體攝取并消耗外界氧的量增多，結(jié)果呼吸商變小。另外，還有其它一些代謝反應(yīng)也能影響呼吸商。例如，肌肉劇烈運動時，由于氧供不應(yīng)求，糖酵解增多，將有大量乳酸進(jìn)入血液。乳酸和碳酸鹽作用的結(jié)果，會有大量由肺肺排出，此時呼吸商將變大。又如，肺過度通氣、酸中毒等情況下，機體中與生物氧化無關(guān)的CO2 大量排出，也可現(xiàn)呼吸大于1.00的情況。相反，肺通氣不足、堿中毒等情況下，呼吸商將降低。

　　前已述，應(yīng)該測出在一定時間內(nèi)機體中糖、脂肪和蛋白質(zhì)三者氧化分解的比例。為此。首先必須查清氧化了多少蛋白質(zhì)，并且將氧化這些蛋白質(zhì)所消耗的氧量和所產(chǎn)生的CO2 從機體在該時間內(nèi)的總耗氧量和總CO2 產(chǎn)量中減去，算出糖和脂肪氧化（非蛋白質(zhì)代謝）的CO2 產(chǎn)量和耗氧量的比值，即非蛋白呼吸商（non-protein respiratory quotient,NPRQ），然后才有可能進(jìn)一步查清糖和脂肪各氧化了多少克。

　　尿氮測定尿中的氮物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物。因此可以通過尿氮來估算體內(nèi)被氧化的蛋白質(zhì)的數(shù)量。蛋白質(zhì)的平均重量組成是：C50%，O2 23%，N16%，S1%。蛋白質(zhì)中16%的N是完全隨尿排出的。所以，1g 尿氮相當(dāng)于氧分解6.25g蛋白質(zhì)，測得的尿氮重量（g）乘以6.25，便相當(dāng)于體內(nèi)氧分解的蛋白質(zhì)量。

　　非蛋白呼吸商它是估算非蛋白代謝中糖和脂肪氧化的相對數(shù)量的依據(jù)。研究工作者早已按從0.707到1.00范圍內(nèi)的非蛋白呼吸產(chǎn)，算出糖和脂肪兩者氧化的各自百分比以及氧熱價（表7-2）。

表7-2 非蛋白呼吸商和氧熱價

非蛋白呼吸商

氧　化　的　%

氧熱價(kJ/L)糖脂肪0.7070.00100.019.620.711.1098.919.640.724.7595.219.690.738.4091.619.740.7412.088.019.790.7515.684.419.840.7619.280.819.890.7722.877.219.950.7826.373.719.990.7929.070.120.050.8033.466.620.100.8136.963.120.150.8240.359.720.200.8343.856.220.260.8447,252.820.310.8550.749.320.360.8654.145.920.410.8757.542.520.460.8860.839.220.510.8964.235.820.560.9067.532.520.610.9170.829.220.670.9274.125.920.710.9377.422.620.770.9480.719.320.820.9584.016.020.870.9687.212.820.930.9790.49.5820.980.9893.66.3721.030.9996.83.1821.081.00100.00.021.13

　　Lusk修訂

　　間接測熱法計算原則實驗測得的機體24小時內(nèi)的耗氧量和CO2 產(chǎn)量以及尿氮量，根據(jù)表7-1和7-2中相應(yīng)的一些數(shù)據(jù)計算。首先，由尿氮量算出被氧分解的蛋白質(zhì)量。由被氧化的蛋白質(zhì)量從表7-1中算出其產(chǎn)熱量、耗氧量和CO2 產(chǎn)量；其次從總耗氧量和總CO2 產(chǎn)量中減去蛋白質(zhì)耗氧量和CO2 產(chǎn)量，計算出非蛋白呼吸商。根據(jù)非蛋白呼吸商查表7-2的相應(yīng)的非蛋白呼吸商的氧熱價，計算出非蛋白代謝的產(chǎn)熱量；最后，24小時產(chǎn)熱量為蛋白質(zhì)代謝的產(chǎn)熱量與非蛋白代謝的產(chǎn)熱量之和。此外，從非蛋白呼吸還可推算出參加代謝的糖和脂肪的比例。

　　間接測熱法的計算方法舉例

　　首先測定受試者一定時間內(nèi)的耗氧量和CO2 產(chǎn)量，假定受試者24小時的耗氧量為400L，CO2 產(chǎn)量為340L（已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的氣體容積）。另經(jīng)測定尿氮排出量為12g。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和查表7-1、7-2，計算24小時產(chǎn)熱量，其步驟如下：（1）蛋白質(zhì)氧化量=12×6.25=7g

　　產(chǎn)熱量=18×75=1350kJ

　　耗氧量=0.95×75=71.25L

　　CO2 產(chǎn)量=0.76×75=57L

　?。?）非蛋白呼吸商

　　非蛋白代謝耗氧量=400-71.25=328.75L

　　非蛋白代謝CO2 產(chǎn)量=340-57=283L

　　非蛋白呼吸商=283/328.75=0.86

　　(3)根據(jù)非蛋白呼吸商的氧熱價計算非蛋白代謝的熱量

　　查表7-2,非蛋白呼吸商為0.86時,氧熱價為20.41。所以，非蛋白代謝產(chǎn)熱量=328.75×20.41=6709.8kj 。

　?。?）計算24小時產(chǎn)熱量

　　24小時產(chǎn)熱量=1350+6709.8=8059.8kJ

　?。ǖ鞍踪|(zhì)代（非蛋白代謝產(chǎn)熱量）謝產(chǎn)熱量）

　　計算的最后數(shù)值8059.8kJ就是該受試者24小時內(nèi)的能量代謝率

　　耗氧量與CO2 產(chǎn)量的測定方法及臨床應(yīng)用測定耗氧量和CO2 產(chǎn)量的方法有兩種：閉合式測定法和開放式測定法。

　　（1）閉合式測定法：在動物實驗中，將受試動物置于一個密閉的能吸熱的裝置中。通過氣泵，不斷將定量的氧氣送入裝置。動物不斷地攝取氧，可根據(jù)裝置中氧量的減少計算出該動物在單位時間內(nèi)的耗氧量。動物呼出的CO2 則由裝在氣體回路中的CO2 吸收劑吸收。然后根據(jù)實驗前后CO2 吸收劑的重量差，算出單位時間內(nèi)的CO2 產(chǎn)量。由耗氧量和CO2 產(chǎn)量算出呼吸商。

　　臨床上為了簡便，通常只使用肺量計（圖7-2）來測量耗氧量。該裝置的氣體中容器中裝置氧氣，受試者通過呼吸口瓣將氧氣吸入呼吸器官。此時氣體容器的上蓋隨吸氣而下降，并由連于上蓋的描筆記錄在記錄紙上。根據(jù)記錄紙上的方格還可讀出潮氣量值。受試者的呼出氣則通過吸收容器（呼出氣中的CO2 和水可除除掉）進(jìn)入氣體容器中，于是氣體容器的上蓋又復(fù)升高，描筆也了隨之升高。由于受試者攝取了一定量的氧氣，呼出氣中CO2 又被除掉，氣體容器中的氧氣量因而逐漸減少。描筆則記錄出曲線逐漸下降的過程。在一定時間內(nèi)（通常為6min），描筆的總下降高度，就是該時間內(nèi)的耗氧量。

圖7-2 肺量計結(jié)構(gòu)模式圖

　?。?）開放式測定法（氣體分析法）：它是在機體呼吸空氣的條件下測定耗氧量和CO2 產(chǎn)量的方法，所以稱為開放法。其原理是，采集受試者一定時間內(nèi)的呼出氣，測定呼出氣量并分析呼出氣中氧和CO2 的容積百分比。由于吸入氣就是空氣，所以其中氧和CO2 的容積百分比不必另測。根據(jù)吸入氣和呼出氣中氧和CO2 的容積百分比的差數(shù)，可算出該時間內(nèi)的耗氧量和CO2 排出量。

　　氣體分析方法很多，最簡便而又廣泛應(yīng)用的方法，是將受試者在一定時間內(nèi)呼出氣采集于氣袋中，通過氣量計測定呼氣量，然后用氣體分析器分析呼出氣的組成成分，進(jìn)而計算耗氧量和CO2 產(chǎn)量，并算出呼吸商。

　　現(xiàn)舉出一個氣體分析實驗例。

　　現(xiàn)某健康成人安靜狀態(tài)下的呼出氣作氣體分析，結(jié)果為：O2 =16.26%；CO2 =4.14%。呼出氣量為1分鐘5.2L（通常將呼出氣量換算為不含水蒸氣的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值；也有換算為被水蒸氣飽和的1個大氣壓、體溫狀態(tài)下的值）?？諝獾慕M成是：O2 =20.96%；N=79.00%；CO2 =0.04%。則：
受試者從每100ml通過肺的氣體中吸收的氧氣為：

　　20.96ml-16.26ml=4.7ml(或每升氣體中的47ml)

　　(空氣) （呼出氣）

　　因為呼出氣量為5.2L，則1分鐘的耗氧量為：

　　47ml×5.2=244.4ml

　　100ml呼氣中的CO2 為：

　　4.14ml-0.04ml=4.1ml(或每升氣體中的41ml)

　　 (呼出氣) （空氣）

　　1分鐘CO2 排出量為：

　　41ml×5.2=213.2ml

　　RQ=213.1/244=0.85

　　所得呼吸商為受試者在安靜狀態(tài)下混合膳食代謝的呼吸商。

　　臨床上和勞動衛(wèi)生常采用簡略法，即用氣體分析法測得一定時間內(nèi)的耗氧量和CO2 產(chǎn)量，并求出呼吸商，并且不考慮蛋白質(zhì)代謝部分，就根據(jù)非蛋白呼吸商表7-2查出呼吸商的氧熱價，然后將氧熱價乘以耗氧量，便得出該時間內(nèi)的產(chǎn)熱量。仍以上述間接測熱法計算方法列舉的例子為數(shù)據(jù)（見前），按此簡略法來計算，則結(jié)果如下：

　　呼吸商=340/400=0.85

　　查表7-2，呼吸商0.85時的氧熱價為20.36kJ，所以24小時的產(chǎn)熱量=20.36×400=8144kJ。

　　這個數(shù)值與按完整的間接法計算得出的數(shù)值8059.8kJ是很近似的，誤差都在1%-2%以下。而且在非蛋白呼吸商從0.70到1.00的范圍內(nèi)，氧熱價也過變動于19.6-21.1之間。此法在實際工作中是可用的。

　　另一種更簡便的簡略法只利用肺量計測出受試者一定時間內(nèi)（通常為6min）的耗氧量。受試者一般都吃混合膳食，所以通常將非蛋白呼吸商定為0.82，氧熱價為20.20kJ。因此，測出一定時間內(nèi)的耗氧量后，使可依下式來計算：

　　產(chǎn)熱量=20.20×耗氧量（kJ）

　　二、影響能量代謝的因素

　　影響能量代謝的因素有肌肉活動、精神活動、食物的特殊動力作用和環(huán)境溫度等。

　?。ㄒ唬┘∪饣顒?/p>

　　肌肉活動對能量代謝的影響最為顯著。機體任何輕微的活動都可提高代謝率。人在運動或勞動時耗量顯著增加，因為肌肉活動需要補給能量，而能量則來自大量營養(yǎng)物質(zhì)的氧化，導(dǎo)致機體耗氧量的增加。機體耗氧量的增加與肌肉活動的強度呈正比關(guān)系，耗氧量最多右達(dá)安靜時的10-20倍。肌肉活動的強度稱為肌肉工作的強度，也就是勞動強度。勞動強度通常用單位時間內(nèi)機體的產(chǎn)熱量來表示，也就是說，可以把能量代謝率作為評估勞動強度的指標(biāo)。從表7-3可以看出勞動強度或運動時的能量代謝率的增長情況。

表7-3 運動或勞動時的能量代謝率

機體的狀態(tài)產(chǎn) 熱量平均（kJ/m2 ?min）躺臥2.73開會3.40擦窗子8.30洗衣9.98掃地11.37打排球17.05打籃球24.22踢足球24.98

　　(二)精神活動

　　腦的重量只占體重的2%，但在安靜狀態(tài)下，卻有15%左右的循環(huán)血量進(jìn)入腦循環(huán)系統(tǒng)，這說明腦組織的代謝水平是很高的。據(jù)測定。在安靜狀態(tài)下，100g腦組織的耗氧量為3.5ml/min（氧化的葡萄糖量為4.5mg/min），此值接近安靜肌肉組織耗氧量的20倍，腦組織的代謝率雖然如此之高，但據(jù)測定，在睡眠中和在活躍的精神活動情況下，腦中葡萄糖的代謝率卻幾乎沒有差異。可見，在精神活動中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)本身的代謝率即使有些增強，其程度也是可以忽略的。

　　人在平靜地思考問題時，能量代謝受到的影響并不大，產(chǎn)熱量增加一般不超過4%。但在精神處于緊張狀態(tài)，如煩惱、恐懼或強烈情緒激動時，由于隨之出現(xiàn)的無意識的肌緊張以及刺激代謝的激素釋放增多等原因，產(chǎn)熱量可以顯著增加。因此，在測定基礎(chǔ)代謝率時，受試者必須摒除精神緊張的影響。

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　　在安靜狀態(tài)下攝入食物后，人體釋放的熱量比攝入的食物本身氧化后所產(chǎn)生的熱量要多。例如攝入能產(chǎn)100kJ熱量的蛋白質(zhì)后，人體實際產(chǎn)熱量為130kJ，額外多產(chǎn)生了30kJ熱量，表明進(jìn)食蛋白質(zhì)后，機體產(chǎn)熱量超過了蛋白質(zhì)氧化后產(chǎn)熱量的30%。食物能使機體產(chǎn)生“額外”熱量的現(xiàn)象稱為食物的特殊動力作用（specific dynamic action）。糖類或脂肪的食物特殊動力作用為其產(chǎn)熱量的4%-6%，即進(jìn)食能產(chǎn)100kJ熱量的糖類或脂肪后，機體產(chǎn)熱量為104-106kJ。而混合食物可使產(chǎn)熱量增加10%左右。這種額外增加的熱量不能被利用來作功，只能用于維持體溫。因此，為了補充體內(nèi)額外的熱量消耗，機體必須多進(jìn)食一些食物補充這份多消耗的能量。

　　食物特殊動力作用的機制尚未完全了解。這種現(xiàn)象在進(jìn)食后1h左右開始，并延續(xù)到7-8h。有人將氨基酸注入靜脈內(nèi)，可出現(xiàn)與經(jīng)口給予相同的代謝率增值現(xiàn)象，這些事實使人們推想，食后的“額外”熱量可能來源于肝處理蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物時“額外”消耗的能量。因此，有人認(rèn)為肝在接脫氨基反應(yīng)中消耗了能量可能是“額外”熱量產(chǎn)生的原因。

　?。ㄋ模┉h(huán)境溫度

　　人（裸體或只著薄衣）安靜時的能量代謝，在20-30℃的環(huán)境中最為穩(wěn)定。實驗證明，當(dāng)環(huán)境溫度低于20℃時，代謝率開始有所增加，在10℃以下，代謝率便顯著增加。環(huán)境溫度低時代謝率增加，主要是由于寒冷刺激反射地引起寒戰(zhàn)以及肌肉緊張增強所致。在20-30℃時代謝穩(wěn)定，主要是由于肌肉松馳的結(jié)果。當(dāng)環(huán)境溫度為30-45℃時，代謝率又會逐漸增加。這可能是因為體內(nèi)化學(xué)過程的反應(yīng)速度有所增加的緣故，這時還有發(fā)汗功能旺盛及呼吸、循環(huán)功能增強等因素的作用。

　　三、基礎(chǔ) 代謝

　　基礎(chǔ)代謝（basal metabolism）是指基礎(chǔ)狀態(tài)下的能量代謝。基礎(chǔ)代謝率（basal metabolic rate,BMR）是指單位時間內(nèi)的基礎(chǔ)代謝，即在基礎(chǔ)狀態(tài)下，單位時間內(nèi)的能量代謝。所謂基礎(chǔ)狀態(tài)是指人體處在清醒而又非常安靜、不受肌肉活動、環(huán)境溫度、食物及精神緊張等因素的影響時的狀態(tài)。測定基礎(chǔ)代謝率，要在清晨末進(jìn)餐以前（即食后12-14h）進(jìn)行。前一日晚餐最好是清淡菜肴，而且不要吃得太飽，這樣，過了12-14h ，胃腸的消化和吸收活動已基本完畢，也排除了食物的特殊動力作用的影響。測定之前不應(yīng)做劇烈的活動，而且必須靜臥半小時以上。測定時平臥，全身肌肉要松馳，盡量排除肌肉活動的影響。這時還應(yīng)要求受試者排除精神緊張的影響，如摒除焦慮、煩惱、恐懼等心理活動。室溫要保持在20-25℃之間，以排除環(huán)境溫度的影響?；緱l件下的代謝率，比一般安靜時的代謝率可低些（比清醒安靜時低8%-10%）?；A(chǔ)代謝率以每小時，每平方米體表面積的產(chǎn)熱量為單位，通常以kJ/m2 ?h來表示。要用每平方米體表面積而不用每公斤體重的產(chǎn)熱量來表示，是因為基礎(chǔ)代謝率的高低與體重并不成比例關(guān)系，而與體表面積基本上成正比。

表7-4 人體產(chǎn)熱量和體表面積的關(guān)系

測定人數(shù)平均體重（kg）體重范圍kJ/m2 ?24h648.740-5038604153.450-60382716464.560-7038812474.770-803868883.780-903868平均　　3860

　　若以每公斤體重的產(chǎn)熱量進(jìn)行比較，則小動物每公斤體重的產(chǎn)熱量要比大動物高得多。若以每平方米體表面積的產(chǎn)熱量進(jìn)行比較，則不論機體的大小，各種動物每平方米每24小時的產(chǎn)熱量很相近。在人體上測定的結(jié)果也表明了這一事實（表7-4）。因此，用每平方米體表面積標(biāo)準(zhǔn)來衡量能量代謝是比較合適的。

　　受試者體表面積的測定繁瑣而不易進(jìn)行，鑒于體表面積與身高、體重之間有一定的相關(guān)關(guān)系，因此，有人對一定的人群作過測定后，從身高、體重推算出體表面計算的經(jīng)驗公式。最基本的是Meeh的算式：

　　S=KW2/3

　　式中，S為體表面積，W為體重（kg），K為不同種屬動物的常數(shù)。

　　計算人的體表面積在DuBois的身長體重算式：

　　 S=W0.425 ×H0.725 ×K

　　式中，S為體表面積（m2 ），W為體重（kg），H為身長。K為不同人種的常數(shù)。我國人的體表面積可根據(jù)下列Stevenson算式來計算：

　　體表面積（m2 ）=0.0061×身長（cm）+0.0128×體重（kg）-0.1529

　　另外，體表面積還可根據(jù)圖7-3直接求出。其用法是，將受試者的身高和體重在相應(yīng)兩條列線的兩點連成一直線，引直線與中間的體表面積列線的交點就是該人的體表面積。有意義的事實是：肺活量、心輸出量、主動脈和氣管的橫截面、腎小球濾過率等都與體表面積有一定的比例關(guān)系。]

　　通常采用前述簡略法來測定和計算基礎(chǔ)代謝率。下面舉一實例供參考。

　　某受試者，男性，20歲。在基礎(chǔ)狀態(tài)下，1h的耗氧量為15L。非蛋白呼吸商定為0.82，氧熱價為20.20,所以1h的產(chǎn)熱量為：
20.20×15=303kJ

　　此人的體表面積為1.5m2 ,從而1h內(nèi)每平方米體表面積拉熱量，即基本代謝率為：303÷1.5=201.8kJ/m2 ?h

　　20歲男子的正常基礎(chǔ)代謝率為157.8kJ/m2 ?h，所以此人超出正常值的數(shù)字為（201.8-157.8）=44.0，超出正常值的百分?jǐn)?shù)為：

　　44．0×100/157.8%=27.8%

　　即+27.8%

圖7-3 體表面積測算用圖

　　實際測定結(jié)果表明，基礎(chǔ)代謝率隨性別、年齡等不同而有生理變化。當(dāng)甚情況相同時，男子的基礎(chǔ)代謝率平均比女子的高；幼年人比成年人的高；年齡越大，代謝率越低，但是，同一個體的基礎(chǔ)代謝率，只在測定時的條件完全符合前述的要求，則有不同時日重復(fù)測定的結(jié)果基本上無差異。這就反映了正常人的基礎(chǔ)代謝率是相當(dāng)穩(wěn)定的。

　　關(guān)于我國正常人基礎(chǔ)代謝率的水平，男女各年齡組的平均值如表7-5所示。

　　一般來說，基礎(chǔ)代謝率的實際數(shù)值現(xiàn)上述正常的平均值比較，相差±10%-15%之內(nèi)，無論較高或較低，都不屬病態(tài)。當(dāng)相差之?dāng)?shù)超過20%時，才有可能是病理變化。在各種疾病中，甲狀腺功能的改變總是伴有基礎(chǔ)代謝率異常變化。甲狀腺功能低下時，基礎(chǔ)代謝率將比正常值低20%-40%；甲狀腺功能亢進(jìn)時的基礎(chǔ)代謝率將比正常值高出25%-80%（圖7-4）。因此，基礎(chǔ)代謝率的測量是臨床診斷甲狀腺疾病的重要輔助方法。其它如腎上腺皮質(zhì)和垂體的功能低下時，基礎(chǔ)代謝率也要降低。

表7-5 我國人正常的基礎(chǔ)代謝率平均值（kJ/m2 ?h）

年齡11-1516-1718-1920-3031-4041-5051　以上男性195.5193.4166.2157.8158.7154.1149.1女性172.5181.7154.1146.4142.4142.4138.6

　　當(dāng)人體發(fā)熱時，基礎(chǔ)代謝率將升高。一般說來，體溫每升高1℃，基礎(chǔ)代謝率可升高13%。其它如糖尿病、紅細(xì)胞增多癥、白血病以及伴有呼吸困難的心臟病等，也伴有基礎(chǔ)代謝率升高。當(dāng)機體處于病理性饑餓時，基礎(chǔ)代謝率將降低。其他如阿狄森病、腎病綜合癥以及垂體肥胖癥也常伴有基礎(chǔ)代謝率降低。

圖7－4　甲狀腺疾病患者的基礎(chǔ)代謝與正常人基礎(chǔ)代謝的比較

縱坐標(biāo)表示受檢人數(shù)；橫坐標(biāo)的0代表正常平均值，

-10表示比正常人平均值低10%，10表示高10%

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