第七章 能量代谢和体温

第七章能量代谢和体温第一节能量代谢一、机体能量的来源与去路二、影响能量代谢的因素三、基础代谢率第二节体温一、正常体温及其生理波动二、机体的产热和散热三、体温调节第一节能量代谢定义：新陈代谢是生物体生命活动的基本特征，包括物质代谢和能量代谢；伴随体内物质代谢过程所发生的能量的释放、转移和利用被称为能量代谢物质代谢和能量代谢是同一生命活动过程的两个方面，两者密不可分，即：•在物质的分解代谢过程中，营养物质释放出蕴藏的化学能，经转化后被用于机体的生命活动；•在物质的合成代谢过程中，随着物质的合成，机体吸收并储存能量。生理学讨论的能量代谢，并不涉及各种营养物质代谢的具体生物化学过程，而是从机体整体的角度，宏观地讨论机体能量的来源和去路；同时介绍：•能量代谢的测定方法•影响机体能量代谢的因素•能量代谢的调节研究机体的能量代谢对于营养学、劳动卫生学，以及临床医学都有重要的理论和实践意义。一、机体能量的来源和利用•虽然自然界中的能量表现为热能、电能、机械能和化学能等多种形式，但人体只能利用食物中的化学能。•摄入机体的糖、脂肪和蛋白质是机体的三大营养物质，既可用来构筑机体的结构以实现组织的自我更新，又是机体的能量来源。在这些能源物质分子结构的碳氢键中，蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O），同时释放出蕴藏的能量。（一）能量的来源1.糖•糖是机体主要的能源物质，机体所需总能量的70%以上是由糖分解代谢提供的。糖消化产物葡萄糖被吸收入血后，一部分供全身细胞利用；另一部分经合成代谢以肝糖原和肌糖原的形式储存于肝脏和肌肉；少部分转化成为脂肪或蛋白质。•葡萄糖转化供能的主要方式是ATP，有两条转化途径：•①有氧氧化：氧充足时，葡萄糖有氧氧化分解为CO2和H2O，释放大量的能量（1mol葡萄糖完全氧化分解产生38molATP）；•②无氧酵解：在氧不足时，葡萄糖经无氧酵解分解成乳酸，释放少量的能量（1mol葡萄糖无氧酵解产生2molATP）。•糖的有氧氧化是机体正常情况下供能的主要途径，而无氧酵解是机体相对缺氧时供能的重要方式。•剧烈运动时，骨骼肌耗氧量剧增而供血不足（相对缺氧），糖酵解增强可保证骨骼肌能量的应急供应。•红细胞内无线粒体，能量完全依靠糖酵解供应。•脑组织糖原储存少，并对缺氧敏感，能量消耗主要依靠糖的有氧氧化，故机体缺氧和血糖过低时，可发生脑功能障碍、抽搐和昏迷。2.脂肪•脂肪在体内主要功能是储存和供给能量。通常成人糖的储藏量仅约150g，而脂肪达数公斤，占体重的20%左右；而每克脂肪在体内完全氧化所释放的能量约为糖或蛋白质的2倍。•通过消化道吸收的脂肪及其分解产物，一部分为类脂质，用以构成细胞，另一部分以脂肪的形式储存在皮下组织、腹膜壁层和内脏器官，当机体需要的时候可迅速分解为甘油和脂肪酸，并释放入血，供组织细胞利用，此过程称为脂肪动员。•脂肪酸在氧充足供应的情况下，可经-氧化途径逐步分解成乙酰辅酶A，再通过糖的氧化过程，完全分解为CO2和H2O，并释放能量。由于糖可以在这个环节上转化为脂肪，故摄取过多的糖可能导致肥胖。•通常，机体能量的40%~50%来自于脂肪的分解；在饥饿的情况下，糖供应不足，机体主要依靠脂肪分解供能，可占能量来源的80%以上。3.蛋白质一般情况下，机体不需要蛋白质供能。蛋白质的分解产物氨基酸主要用于构成组织的蛋白质、合成激素和酶等生物活性物质。只有在糖和脂肪供应不足的时候（如长期不能进食或能量消耗过大），体内的蛋白质才被分解成氨基酸，经脱氨基生成-酮酸参与三羧酸循环而氧化供能，此能量主要用于维持机体必要的生理活动。（二）能量的转移、贮存和利用代谢能量：50%以上转化为热能，维持体温其余以化学能贮存在三磷酸腺苷（ATP）中三磷酸腺苷（ATP）是机体能量的直接提供者和储能物质，1molATP断裂一个高能磷酸键成为ADP时可释放33.47kJ的能量；而消耗的ATP，可由线粒体使ADP重新磷酸化而得到补充。•体内另一种含有高能磷酸键的能源分子是磷酸肌酸（CP），由肌酸和磷酸合成，主要存在于肌肉中。CP是能量贮存库•能量充足：ATP转化为CP•能量不足：CP转化为ATP（三）、能量代谢的表示方法能量代谢率的衡量标准：由于能量代谢率的高低与体重不成比例关系，而与体表面积基本上成正比.单位时间内（小时）每平方米体表面积的产热量为单位，即以kJ/(m2h)来表示能量代谢率:机体在单位时间内的产热量能量的输入（利用食物中的化学能）＝能量的输出（转化成的热能和所做的外功）测定原理：按照能量守恒原理，能量由一种形式转化成另外一种形式时，既不增加，也不减少。机体能量代谢也遵循这一规律，即在机体的能量转化过程中：二、影响能量代谢的主要因素（一）肌肉的活动影响能量代谢因素主要有：肌肉活动、精神活动、食物的特殊动力作用和环境温度。•是影响能量代谢的最主要因素。肌肉活动需要的能量来自于营养物质的氧化，这将导致机体耗氧量的增加，因此机体的任何轻微的活动都会提高能量代谢率。•劳动或运动时能量代谢和耗氧量显著增加，且与肌肉活动的强度成正比关系，故可利用能量代谢率作为评价劳动或者运动强度的指标（表7-3）。（二）精神活动•脑组织的糖原储存量少，对缺氧较为敏感，说明脑组织需要更多血液循环，并有较高的代谢率。安静状态下，约15%的循环血量进入脑循环，但脑的重量只占体重的2.5%，此时脑组织的耗氧量是肌肉组织的20倍。•在睡眠和精神活动状态下，脑中的葡萄糖代谢率并无明显差异，即精神活动本身并不显著增强代谢率。但是，当精神紧张时（如情绪激动、烦恼、愤怒、恐惧等），精神活动的加强会引起骨骼肌张力的无意识地增高、交感神经释放的儿茶酚胺，以及甲状腺激素等刺激代谢的激素释放增多，会使产热量增加。（三）环境温度环境温度在20~30ºC时，机体的能量代谢最稳定；20ºC，寒冷刺激反射性地引起寒战和肌肉紧张度的增加，代谢率增高；30ºC，体内化学反应速度加快、发汗、循环和呼吸功能增强，代谢率增高。（四）食物的特殊动力效应•进食后一段时间内（进食后1小时开始，2~3小时达到高峰，延续7~8小时），即便是在安静状态下，机体产热量也比进食前增加，这种由食物引起机体“额外”地产生热量作用称为“食物的特殊动力效应”。•不同的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%；糖和脂肪约为4%~6%；混合食物约为10%左右。食物的特殊动力效应三、基础代谢率•基础代谢率（BMR）：指基础状态下的能量代谢率。•基础状态：•1、清晨、清醒、静卧、无肌肉活动；•2、精神安宁•3、测空腹，禁食12小时；•4、测定室温保持在20~25ºC；•5、体温正常。•在基础状态下，体内能量的消耗仅用于维持基本生命活动，能量代谢比较稳定，故把这种状态下单位时间内的能量代谢称为基础代谢率，以kJ/(m2h)表示。•由于能量代谢率的高低与体重不成比例关系，而与体表面积基本上成正比，故在能量代谢率的测定中需要测定人的体表面积，•基础代谢率的正常值：•男性高于女性•儿童高于成人•年龄越大，基础代谢率越低•一般认为，受试者BMR与正常平均值相差超过±20%时为病理性变化。•人体发热时BMR增高，一般体温每升高1ºC，BMR升高13%左右。•BMR的测定是临床诊断某些疾病的重要辅助方法，例如：•甲状腺功能亢进和低下时，BMR分别升高和降低；•肾上腺皮质和脑垂体功能低下时，BMR降低；•糖尿病、红细胞增多症、白血病，BMR增高。三种甲状腺疾病患者的基础代谢与正常人的基础代谢比较基础代谢率受试者人数第二节体温（一）正常体温人和高等动物的深部体温是相对稳定的，故称为恒温动物；而低等的爬虫类、两栖类动物的机体深部温度会随着环境温度的变化而变化，称为变温动物。正常体温是机体进行新陈代谢和生命活动的必要条件。一、正常体温及其生理波动•在研究人体体温时，把人体分为外壳和核心两个层次，它们的温度分别称为体表温度和深部温度。•深部温度：机体深部组织的温度称为深部温度或体核温度。•体表温度：机体表层的温度称为体表温度，其中最外层的为皮肤温度。•体温：通常是机体深部的平均温度环境温度20ºC环境温度35ºC临床体温的测定：由于体核温度不易测得，故临床上常用直肠、口腔和腋窝的温度来代表体温。•直肠温度——当温度计插入直肠6cm以上时最接近体核温度，正常值为36.9~37.9ºC。•口腔温度——测量方便，也比较准确，正常值为36.7~37.7ºC。•腋窝温度——不能代表体核温度，由于容易受到环境温度、出汗和测量姿势的影响，不易正确测定，正常值为36.0~37.4ºC。就体温测定的可信度而言：直肠温度口腔温度腋窝温度。（二）体温的正常变动1.昼夜的变化•人体体温呈昼夜节律（日节律）的周期性波动：•清晨2~6点最低，午后1~6点最高，变化幅度低于1度•体温的昼夜节律与肌肉活动和耗氧量无关，而且在外周传入信息（自然光线变化、环境温度变化、钟表、电视、广播等）消除之后仍然基本维持，说明是一种机体的内在节律。•体温变化的内在节律与地球自转周期（24小时）不完全吻合，比地球自转周期略长，因而是一种自由运转周期•体温的昼夜周期变化被认为由生物钟所控制，其中心可能在下丘脑视交叉上核，由于长期的社会生活因素的影响，使得其与地球的24小时运转周期同步。2.性别•成年女子的体温平均高于男子0.3ºC，原因可能是女性皮下脂肪较厚，散热较少。•女子的基础体温（早晨醒后起床前测定的体温）随月经周期发生变化，在月经期和月经后的前半期较低，排卵日最低，排卵后升高0.2~0.3ºC。•女性排卵后体温升高，是由于体内孕激素水平的周期性变化所致。因此，可以通过测定基础体温得知女子月经周期中有无排卵和确定排卵日。3.年龄的影响•儿童的体温稍高于成年人，而老年人的体温则比成年人略低，这与不同年龄段人群基础代谢的强度有关。•新生儿，特别是早产儿的体温调节机构发育尚未健全，体温调节能力差，容易受到环境温度变化的影响，因此对婴幼儿（特别是早产儿）要注意保温护理。4.其他因素的影响•肌肉活动时：代谢加强，产热量增加，体温升高。•情绪激动、精神紧张、进食时：代谢加强，产热量增加，体温升高。•麻醉药的影响：①可抑制体温调节中枢和影响温度感受器的传入活动；•②能扩张皮肤血管，增加体热的散失；故对麻醉手术的病人，需要在术中和术后注意体温监护。二、机体的产热和散热恒温动物之所以能够维持相对稳定的体温，是由于在体温调节机构的控制下，产热和散热两个生理过程能够取得动态的平衡。（一）机体的产热热量来自营养物质分解代谢人体的主要产热器官：•内脏是人体代谢最旺盛的器官，产热量最大。安静时，肝脏血液的温度高于主动脉血液0.4~0.8ºC，产热56%•骨骼肌在安静状态下的产热量并不大，但骨骼肌占体重的40%，有巨大的产热潜力。因此，骨骼肌的紧张程度稍有增加，其产热量就发生明显改变；而当骨骼肌活动加强时，机体的产热量可急剧增加。机体的产热形式安静时：内脏产热为主，56%。肝脏为主劳动或者运动：骨骼肌产热为主寒冷环境：1、骨骼肌发生寒战，不对外做功，产热量高2、刺激激素，甲状腺素，肾上腺素，机体代谢增加，产热量增加（二）机体的散热过程人体的热量可通过皮肤、呼吸道、泌尿道和消化道等部位向外散发，其中皮肤是最主要的散热途径。散热的几种方式当环境温度低于体表温度时，大部分体热通过皮肤的辐射、传导和对流而散发，一小部分体热随呼出气、尿和粪而散发。当环境温度等于和高于皮肤温度时，机体以蒸发的方式散热。•辐射散热：机体通过发射红外线将体热传给外界环境的一种散热方式，散热量的多少取决于皮肤与外界环境之间的温度差。•传导散热：机体将热量传给所接触温度较低物体的一种散热方式，散热量的多少取决于皮肤与接触物之间的温度差、接触物的导热率和接触面积。•对流散热：机体与外界环境之间通过气体流动进行热量交换的一种散热方式，散热量的多少受风速的影响极大。•蒸发散热：机体通过体表水分蒸发而散热的一种散热方式。在人的体温条件下，每蒸发1g水，可使机体散发2.43kJ