能量代谢

机体的物质代谢包括合成代谢和分解代谢两个方面。通常将生物体内物质代谢过程中伴随发生的能量的释放、转移、储存和利用称为能量代谢。

机体能量的来源与利用

各种营养物质在体内氧化分解过程中释放能量,其中 50% 以上直接转化为热能,其余部分则以化学能的形式储存于 ATP 等高能化合物的高能键中,供机体用于进行各种生理功能活动。机体的生理功能活动中,除骨骼肌收缩做一定量的机械功(简称外功)外,其他所利用的能量最终都将转变为热能

  • 能量的来源:
    • 可利用的能量形式
      • ATP:既是直接的供能物质,又是能量储存的重要形式
      • 磷酸肌酸(CP):体内 ATP 的储存库
    • 三大营养物质代谢过程中的能量转换
      • 糖(50%–70%):有氧氧化、无氧氧化
      • 脂肪酸:脂肪(30–50%)、甘油
      • 蛋白质:只有在某些特殊情况下,如长期不能进食或体力极度消耗时,机体才依靠蛋白质分解供能
  • 能量的利用:
    • 各种营养物质在体内氧化分解过程中释放能量,50% 以上直接转化为热能
    • 除骨骼肌收缩做一定的机械功外,其他所利用的能量最终都将转变为热能
  • 能量平衡:
    • 负平衡:摄入 < 消耗
    • 正平衡:摄入 > 消耗
    • 体质指数:体重除以身高的平方,24 为超重界限、28 为肥胖界限
    • 腰围:男性不宜超过 85 cm,女性不宜超过 80 cm
机体的一般代谢规律
  • 进食 → 血糖↑ → 胰岛素↑ → 增加细胞组织对糖的利用:
    • 氧化供能
    • 储存能量:合成糖原、脂肪
  • 饥饿 → 血糖↓ → 胰高血糖素(及其他升糖激素)↑ →
    1. 肝糖原:能够维持 16–18 h
    2. 肝糖原耗竭 →
      • 开源:糖异生 ← 氨基酸(主要是肌肉组织中的支链氨基酸)(如要增肌,在有氧运动前应补充蛋白质)
      • 节流:促进组织代谢从糖代谢转向脂肪代谢。
    3. 进一步发展 → 病理性饥饿:分解结构蛋白,利用氨基酸供能。

能量代谢的测定

能量代谢的测定原理:

  • 能量代谢率:机体在单位时间内的能量消耗。
  • 通过测定在一定时间内所消耗的营养物质量,再按照营养物质的热价计算出他们所包含的能量
  • 通过测定在一定时间内产生的热量与所做的外功量
  • 通过测定在一定时间内营养物质代谢所消耗的 O2 量和产生的 CO2 量,推算出营养物质的消耗量,并计算出热量
  • 若机体保持在安静状态下,避免做外功,则产热量即为总的消耗的能量,因此,通过测定机体在一定时间内的散热量也可得出能量代谢率

直接测热法

直接测热法所使用的装置结构较为复杂,操作也很烦琐,故这种方法的应用受到很大限制,一般主要用于科学研究。

间接测热法

间接测热法是根据受试者安静状态下一定时间内的耗氧量和 CO2 产生量,推算消耗的能源物质的量,进而计算出产热量的方法。

间接测热法相关概念

热价
  • 热价:1 g 某种食物氧化时所释放的能量。
    • 生物热价:体内氧化时释放的能量,最高是脂肪,其次是蛋白质和糖。
    • 物理热价:体外燃烧时释放的能量。
  • 由于蛋白质在体内不能完全氧化,故蛋白质的物理热价不等于其生物热价
氧热价

某种食物氧化时消耗 1L O2 所产生的热量,称为这种食物的氧热价。最高的是,其次是脂肪、蛋白质

呼吸商

机体在一定时间内呼出的 CO2 量与吸入的 O2 量的比值,称为呼吸商(RQ):

$$RQ = \frac{CO_2 产生量(mol)}{O_2 消耗量(mol)} = \frac{CO_2 产生量(ml)}{O_2 消耗量(ml)} \\,.$$

主要营养物质的(生物)热价和呼吸商

营养物质热价呼吸商
17.21.00
蛋白质23.40.80
脂肪39.80.71
  • 呼吸商与人的营养状态的关系:
    1. 正常人进食混合食物时,呼吸商在 0.85 左右。
    2. 如果某人的呼吸商接近于 1.00,说明此人在这段时间内所利用的能量主要来自的氧化。
    3. 糖尿病患者,因葡萄糖的利用发生障碍,机体主要依靠脂肪代谢供能,因此呼吸商偏低,接近于 0.71
      • 长期摄入高脂肪饮食者,呼吸商也接近 0.71
    4. 长期饥饿的清况下,人体的能量主要来自自身蛋白质的分解,故呼吸商接近于 0.80
  • 其他影响呼吸商的因素:
    1. 当营养摄入过多(如多食而肥胖者),一部分糖转化为脂肪时,糖分子中的多余的氧可参加机体代谢过程中的氧化反应(内生氧),相应减少了从外界摄取的 O2 量,从而使呼吸商变大,甚至可超过 1.0
    2. 通气功能:肺通气过度(如肌肉剧烈活动、精神性过度通气时),可使排出的 CO2 增加,导致呼吸商变大;反之,在肺通气不足时,呼吸商则变小。

间接测热法的步骤

除以 0.16
除以 0.16
m(尿氮)
m(尿氮)
× 蛋白质生物特价
× 蛋白质生物特价
m(蛋白质)
m(蛋白质)
Q(蛋白质)
Q(蛋白质)
测定
测定
V(O2)
V(O2)总
V(CO2)
V(CO2)总
V(O2)蛋白质
V(O2)蛋白质
V(CO2)蛋白质
V(CO2)蛋白质
查表
查表
NPRQ(非蛋白呼吸商)
NPRQ(非蛋白呼吸商)
× [V(O2) - V(O2)蛋白质]
× [V(O2)总 - V(O2)蛋白质]
氧热价(非蛋白质)
氧热价(非蛋白质)
Q(非蛋白质)
Q(非蛋白质)
Q(总)
Q(总)
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间接测热法的步骤

  • 蛋白质氧化的产热量
    • 测定机体在一定时间内的尿氮排出量
    • 尿氮量除以 0.16,即为体能蛋白质的氧化量
    • 根据蛋白质的生物热价,计算出蛋白质氧化的产热量
  • 非蛋白物质氧化的产热量
    • 测定机体在一定时间内的总的耗氧量和总的 CO2 产生量
    • 根据每克蛋白质氧化时的耗氧量和 CO2 产生量,可算出受试者在这段时间内用于蛋白质氧化的耗氧量和 CO2 产生量
    • 从总量中减去上值,获得非蛋白物质氧化时的耗氧量和 CO2 产生量,由此求得非蛋白呼吸商
    • 查表得出对应的氧热价,从而计算出非蛋白物质氧化的产热量
  • 总产热量(注意不是能量代谢率,与体表面积无关):蛋白质氧化的产热量 + 非蛋白物质氧化的产热量
两种简便方法
  1. 蛋白质的氧化量忽略不计,将测得的一定时间内的耗氧量和 CO2 产生量所求得的呼吸商视为非蛋白呼吸商。
  2. 仅测定一定时间内的耗氧量,根据国人的统计资料,将受试者食用混合膳食时的非蛋白呼吸商视为 0.82,与此相对应的氧热价则为 20.20 kJ/L,用测定的一定时间内的耗氧量直接乘以 20.20 kJ/L,即可得出这段时间内的产热量。

双标记水法

可以测定受试者在自由活动状态下的能量代谢率。

影响能量代谢的因素

  • 整体水平影响能量代谢的主要因素:
    1. 肌肉活动主要):肌肉活动对能量代谢的影响十分显著,机体任何轻微的活动即可提高代谢率。
    2. 环境温度:低温和高温都可导致代谢率升高
      • 人安静时的能量代谢,在 20–30℃ 的环境温度中最低,主要是由于肌肉比较松弛。
      • 寒冷刺激反射性地引起机体出现肌紧张增强甚至出现战栗:当环境温度低于 20℃ 时,能量代谢率便开始增加;在 10℃ 以下时,则显著增加。
      • 高温时体内化学反应加快,出汗增多,以及呼吸、循环功能增强等因素:当环境温度超过 30℃ 时,代谢率也逐渐增加。
    3. 精神活动:
      • 当人处于精神紧张状态时,如烦恼、恐惧或情绪激动时,能量代谢率可增高 10% 以上。
      • 这是由于机体出现的无意识的肌紧张,以及交感神经兴奋,甲状腺激素、肾上腺素等刺激代谢的激素释放增多,使机体代谢活动增强所致。
      • 熟睡时,能量代谢率最低
    4. 食物的特殊动力效应
      • 指进食能刺激机体额外消耗能量的作用,与肝脏处理氨基酸或合成糖原有关。
      • 一般从进食后 1 小时左右开始,延续 7–8 小时。
      • 进食蛋白质产生的特殊动力效应最为显著,约为 30%;糖和脂肪分别为 6% 和 4% 左右;混合性食物约为 10%
  • 调控能量代谢的神经和体液因素:
    • 下丘脑对摄食行为的调控
      • 摄食中枢:下丘脑外侧区
      • 饱中枢:下丘脑腹内侧核
    • 激素对能量代谢过程的调节
      • 糖代谢:胰岛素、胰高血糖素、生长激素糖皮质激素肾上腺素
      • 脂肪和蛋白质:糖皮质激素、胰岛素、生长激素、甲状腺激素、性激素
        • 甲状腺激素对能量代谢的影响最为显著,可提高绝大多数组织的耗氧量和产热量
      • 蛋白质和肽类物质:解耦联蛋白、瘦素、神经肽 Y

基础代谢

  • 基础代谢率(BMR)是指机体在基础状态(清醒,安静,不受肌肉活动、环境温度、精神紧张及食物等因素影响)下(单位体表面积、)单位时间内的能量消耗量。
  • 在测定 BMR 时受试者保持清醒(通常在清晨刚醒时),静卧,肌肉放松,至少 2 小时以上无剧烈运动,无精神紧张,食后 12–14 小时室溫保持在 20–25℃。 测定 BMR 时,一般采用简化的间接测热法: $$BMR = \frac{20.20 kJ/L \times 耗氧量(L/h)}{体表面积(m^2)} \\,.$$
  • 病理状态时 BMR 的改变:
    • BMR↑(红白夹心糖)红细胞增多症、白血病、甲状腺功能减退、伴有呼吸困难的心脏疾病、糖尿病
      • 人体发热时,基础代谢率也会升高,1℃ ~ 13%。
    • BMR↓(假胖甚饥疲)甲状腺功能亢进、垂体性肥胖、肾病综合征、病理性饥饿、肾上腺皮质功能低下
能量代谢率的高低与体重不成比例关系,而是与体表面积成正比。???