能量代谢 | Aloha's Blog

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。最高的是糖，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
糖	17.2	1.00
蛋白质	23.4	0.80
脂肪	39.8	0.71

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糖的氧化。
3. 在糖尿病患者，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. 在长期饥饿的清况下，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

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

将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。
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。
  - 人熟睡时，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。？？？