能量代谢和体温调节.doc

第八章 能量代谢和体温调节第一节 能量代谢新陈代谢是机体生命活动的基本特征之一，它包括合成代谢与分解代谢两个方面。分解代谢时伴有能量的释放，而合成代谢时却需要供给能量，因此，在新陈代谢过程中，物质的变化与能量的转移是密切联系的。通常把物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移、贮存和利用，称能量代谢(energy metabolism)一、能量在体内释放、转移、贮存和利用（一）三种营养物质的代谢放能机体所需要的能量来源于食物中三大营养物质糖、脂肪、蛋白质。这些物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成CO2和H2O，并释放出大量的能量，因此将这些物质又称能源物质。在能源物质中又以糖最为重要，机体所需要的能量70%是由糖氧化分解供给的。1、糖：体内糖代谢是以葡萄糖为中心进行的，随供氧情况的不同，糖分解供能的途径也不同。 氧供应充足葡萄糖可完全氧化释放出大量能量，称糖的有氧氧化。1mol葡萄糖完全氧化分解可放能2872.3KJ（686kcal)，可净合成38molATP 氧供应不足葡萄糖只能分解到乳酸阶段，释放能量少，称糖的无氧酵解。1mol葡萄糖经无氧酵解仅供能217.7KJ（52kcal),可净合成2mol的ATP。糖的有氧氧化是机体主要供能途径，糖酵解虽然释放的能量少，但在缺氧状态是极为重要，（因为这是人体的能源物资惟一不需要氧的供能途径）它能供应一部分急需的能量。2、脂肪：是体内贮能和供能的重要物质，（体内脂肪的贮存量要比糖多得多。脂肪在细胞内是以甘油三脂的形式存在，当机体需要时，首先被脂肪酶分解成脂肪酸、甘油。脂肪酸可被肝或肝以外的组织氧化分解、利用，脂肪酸供能方式是氧化，逐步分解成许多乙酰辅酶A而进入糖的氧化途径，彻底分解，同时释放大量能量；甘油主要在肝被利用，经过磷酸化和脱氢处理而进入糖的氧化分解来供能。）1mol软脂酸完全氧化，可产生130mol的ATP。脂肪虽是一个重要的供能物质，但它的充分利用是有赖于糖的正常代谢。所以最重要的供能物质还是糖，脂肪在体内重要的功能是贮存能量，体内脂肪的贮存量比糖多得多。3、蛋白质是构成机体组织成分的重要物质，作为能量来源是它的次要功能。只有在某些特殊情况下，如长期不能进食或消耗量极大时，机体才依靠蛋白质分解所产生的氨基酸供能，以维持必要的生理功能。（组成蛋白质的基本单位是氨基酸，不论是由肠道吸收的氨基酸，还是有机体自身蛋白质分解所产生的氨基酸，都主要用于重新合成机体组织细胞成分，实现组织的自我更新，或用于合成酶，、激素等生物活性物质，而为机体功能则是蛋白质的次要功能。氨基酸在体内经过脱氨基作用和氨基转换作用而分解成非氮成分和氨基。非氮成分（-酮酸）可进入三羧酸循环氧化功能；氨基则作为尿氮成分从尿中排出，由于氨基未曾完全氧化，它提供的能量也较体外燃烧时少。） 虽然集体所需要的能量来源与三大营养物质，但机体的组织细胞并不能直接利用食物的能量来进行各种生理活动。机体能量的直接提供者为三磷酸腺苷（ATP）。（二）腺苷三磷酸（ATP）：是含有2个高能磷酸键的化合物，能量贮存在高能键中。1、来源：能源物质在体内氧化分解最后形成CO2、H2O，在氧化过程中伴有ADP与无机磷酸相结合并吸能而生成ATP，将此称磷酸化，这样氧化与磷酸化，放能与吸能，同时进行紧密偶联。 书写见课件 ATP是由机体氧化磷酸化所形成。通过这种氧化磷酸化过程，能源物质氧化放出的能量就贮存在ATP中。 当机体生命活动需要时，ATP断裂一个高能键，分解成ADPPI（无机磷酸），释放出能量，供生命活动需用。由此知ATP的作用2、作用：贮能供能。ATP是体内重要的贮能物质，又是直接供能物质。ATP是体内贮能供能物质，但它在组织中的贮存量还是有限的，机体内还另有一贮能物质，磷酸肌酸。（三）磷酸肌酸（C-P）具有高能磷酸键的化合物，能量贮存在高能键中。 （C-P）与ATP相比，它不能直接为生理过程提供能量，但机体内（C-P）贮存的能量远比ATP多，特别是肌肉中含量更为丰富，故（C-P）的作用是1、是机体ATP重要的贮存库 2、调节维持ATP浓度，保证各种生理活动及时获得能量。磷酸肌酸是怎样调节维持ATP浓度呢？当物质氧化放出能量生成ATP较多时，ATP将高能磷酸键转移给肌酸，生成磷酸肌酸将能量贮存起来。当细胞内ATP消耗时，磷酸肌酸又可将磷酸基连同能量一起转移给ADP，生成新的ATP，以补充消耗。所以磷酸肌酸有调节维持ATP浓度，保证各种生理活动及时获得能量。用图将机体能量释放、转移、贮存、利用作一总结。二、能量代谢的测定原理和方法 （一）测定原理：能量守恒定律 ，能量由一种形式转化为另一种形式，它既不增加，也不减少，这是所有能量互相转换的一般规律。也叫能量守恒定律 。机体的能量代谢也遵循能量守恒定律，即在整个代谢过程中，机体所利用的蕴藏于食物中的化学能与最终转化成的热能和所作的外功，按能量折算是完全相等的。因此，测定机体在一定时间内所消耗的食物，或者测定一定时间内机体所产生的热量与所作的外功，均可计算出机体的能量代谢率。（二）测定方法：测定整个机体在一定时间内能量代谢水平的方法有直接测热法和间接测热法两种，直接测热法由于所用装置比较繁杂，故除实验室外，实际工作中都不采用此法，常用的是间接测热法。1、间接测热法。间接测热法的基本原理就是利用定比关系，查出一定时间内整个人体中氧化分解的糖、脂肪、蛋白质各有多少，然后据此算出该时间内整个机体所释放出来的热量。对此先应了解几个概念。 食物的热价：1g食物氧化（或在体外燃烧）时所释放的热量称为该食物的热价。包括有物理热价、生物热价。糖、脂肪的物理热价和生物热价是相同的，分别为4.1千卡/g、9.3千卡/g。蛋白质的生物热价4.1千卡/g小于物理热价5.6千卡/g，这是由于蛋白质在体内不能完全氧化，一部分以尿氮的形势由尿中排出。这是关于食物的热价，单凭食物的热价只能估计一天内吃了多少食物，产生多少热量，但实际利用多少，不好说，故又提出氧热价。食物的氧热价：营养物质氧化时消耗1升氧所产生的热量称为该物质的氧热价。 三大营养物的氧热价可参看表9-1本来有了氧热价，就可根据机体在一定时间内的耗氧量推算出它的能量代谢率，但各种食物的氧热价不同，究竟采用哪一种食物的氧热价，还需知道呼吸商。呼吸商：将其营养物质在体内氧化时，CO2产生量与同一时间的O2消耗量之比值称呼吸商。由于各种食物的碳、氢、氧含量不同，在体内氧化时的耗氧量和CO2产生量也不同，因此糖、脂肪和蛋白质的呼吸商各不相同。糖氧化时，其消耗的O2和产生的CO2量相等，呼吸商为1。脂肪中氧分子含量较碳分子少，其氧化时需消耗的氧多于CO2产生量，所以呼吸商小于1，约为0.71。蛋白质的呼吸商约为0.8。若摄取的是混合食物，呼吸商常变动在0.70-1.00之间，一般为0.85左右。由此，可以根据呼吸商的大小能推测出能量的主要来源。2、能量代谢的计算1g蛋白质分解耗氧量为0.94L、CO2产量为0.75L；1g尿氮相当于氧化分解6.25g蛋白质。间接测热法的主要步骤 测出一定时间的耗O2量和CO2产生量，并测出尿氮排出量。 根据尿氮含量算出蛋白质的氧化量和蛋白食物的产热量，在总的耗O2量和CO2产量中扣除蛋白质的氧化份额，再根据所剩的耗O2量和CO2量计算出非蛋白呼吸商。 表查出该非蛋白呼吸商（NPRQ)所对应的氧热价，进而算出非蛋白食物的产热量。 算出总产热量，即蛋白食物产热量与非蛋白食物产热量之和。（上述间接测热法的计算步骤繁多，而且需测尿氮，操作麻烦，不便。在临床和劳动卫生的实际工作中，常采用简化方法。在一般情况下，体内蛋白质用于氧化功能很少，且氧化不彻底，真正氧化成CO2和H2O的极少。因此，实际测定时可以把蛋白质代谢部分忽略不计，而根据总耗氧量和CO2产生量求出呼吸商（混合呼吸商），安非蛋白呼吸商的氧热价进行计算。例如，在上例中呼吸商340L400L0.85,氧热价为20.36KJ/L，所以，24h的产热量20.36KJ/L400L8.144kJ。此数值与按完整的间接法计算所得的数值是非常近似的，误差在1%-2%一下。测定能量代谢更简化的方法。确定标准的休息和禁食条件下，呼吸商为0.80，氧热价为20.1Kj/L（4.8kcal），只需利用测定仪测出6min的耗氧量VO2(以升计算),则代谢率（kcal）4.8VO260/6）简化测定法：由于间接测热法要求测尿氮，且计算步骤多而繁，因此，临床上常使用以下简化方法。由于蛋白质不是主要的功能物质，可不考虑蛋白质代谢部分，机体呼吸商等于非蛋白呼吸商。将非蛋白呼吸商定为0.8，相应的氧热价为20.1KJ/L（4.8kcal），这样，只需测定出一定时间内的耗O2量，就可以计算出相同时间的产热量。如测得某人6min耗O2为1.2L，该段时间的产热量为4.8kcal1.2L5.76kcal24h产热量5.76kcal60/6241382.4kcal（三）能量代谢的衡量标准由于个体之间体格大小各异，代谢率差异也较大。为便于比较，经分析研究认为以单位体表面积作为能量代谢率的衡量标准是比较合适的。通常用kcal m2 h表示。体表面积可以从身高和体重的两项值推算体表面积公式：体表面积S=0.0061H(cm)+0.0128W(kg)0.1529三、影响能量代谢的因素 影响能量代谢的因素很多，但主要有四个方面（一）食物的特殊动力作用：食物能使体内产生额外热量的作用，称食物的特殊动力作用。进食后一段时间，即使在非常安静状态下，产热量比进食前要高，以吃蛋白质增加的热量最多，增加可达30%左右，糖和脂肪也能增价4-6%。食物的这种特殊动力作用产生的机制还不清楚，从有关的实验中推测，可能与肝脏分解蛋白质产物有关，如进行脱氨基反应时额外消耗的能量，故测定代谢率应避开这个作用。（二）肌肉活动的影响：肌肉活动对于能量代谢的影响最为显著，机体任何轻微的活动都可提高代谢率。能量代谢率与肌肉活动强度成正比关系。剧烈运动和劳动时机体的产热量可比安静时增多15倍以上。（三）环境温度的影响：环境温度在20-30oC时，人体安静时的能量代谢最稳定，环境温度过高或过低均会使能量代谢提高。实验也证明，温度低于20oC时，代谢率即开始有所增加，在10oC以下增加非常明显，这是由温度低肌紧张加强或寒颤，使产热增多。环境温度高于30oC以上时代谢率又会随温度升高而增加，这是由体内化学反应速度加快，另外还与发汗、循环及呼吸功能增强等因素有关。（四）精神因素：精神紧张时能量代谢率高。此时，代谢率的增高来自两方面，精神紧张，肌紧张增强；交感神经紧张，甲状腺激素、肾上腺素分泌释放多，促进代谢所致。四、基础代谢：基础状态下的能量代谢（一）基础状态 ：指人在清晨、清醒、排除影响能量代谢的四个因素（静卧、精神安定、空腹12-14h、室温20-25）时的状态。这种状态下，体内能量的消耗只用于维持一些最基本的生命活动，能量代谢比较稳定。是指人体在清醒极端安静状态下，不受食物、肌肉活动、环境温度及精神紧张等因素影响时的能量代谢 ，称基础代谢。（一）基础代谢率（BMR)：指单位时间内的基础代谢。常用kcal / m2 / h表示。（二）应用：将不同年龄、性别的基础代谢率平均值列成表。正常人的基础代谢率是比较恒定的，一般不超出正常平均值的15%。如变动超过20%，则属病理变化。怎样能知具体超出的值呢？需测算出两个值，测定值、相对值。详见课件很多疾病都伴有基础代谢率的改变，特别是影响甲状腺功能的疾病如 甲状腺功能亢进 BMR甲状腺、肾上腺皮质、脑垂体功能低下 BMR 临床可辅助诊断这些疾病第二节 体温及其调节一、体温：人和动物的机体都具有一定的温度，这就是体温。机体各部位的温度并不一样，身体表面的温度（体壳温度）较低且不稳定。身体内部（深部）的温度也叫体核温度较高且较稳定，通常说的体温是指机体深部温度。（是机体代谢活动的结果。）人和高等动物的体温相对稳定，称恒温动物。低等动物其体温随着环境温度的变化而变化，称为变温动物。体温恒定是机体新陈代谢和正常生命活动的重要条件。由变温动物到恒温动物，代表进化的高级水平（一）人体的正常体温临床上是通过测量口腔、腋窝和直肠温度来了解的 。直肠温度：测直肠温度时，如果将肛表插入直肠6cm以上，所测得的温度值就接近体核温度，其正常值为36.9-37.9。但直肠温度测起不方便，临床上多采用口腔温度。口腔温度：是广泛采用的测温部分。优点测量方便，口腔温度的正常值为36.7-37.7。但对不能配合的病人，如哭闹的小儿以及狂躁病人，则不宜测口腔温度。腋窝温度：腋窝皮肤表面温度较低，而在测量时，必须让被测者将上臂紧贴其胸廓，使腋窝紧闭形成人工体腔。机体内的热量才能逐渐传导过来，使腋窝的温度逐渐升高接近于体核的温度水平，因此测定腋窝温度时，至少需10分钟 ，而且腋窝处在测温时还应保持干燥。腋窝温度的正常值为36.0-37.4（二）体温的正常变动正常人的体温是相对稳定的，这并不意味着其数值是一成不变，在生理情况下可随昼夜、性别、年龄等因素而有所变化，但这变化的幅度不大，一般不超过1。1、体温昼夜周期性变化 在通常生活条件下，随着人体代谢水平的昼夜变化，体温也发生昼夜周期性的波动。一般清晨2-6时最低，白昼逐渐升高，下午2-8时最高，以后又逐渐降低。波动幅度一般不超过1。体温的这种周期性变化称为昼夜节律，是生物节律现象中的一种。2、性别的影响：一般女性的体温较男性高，且女性的基础体温随月经周期呈现规律性波动。（月经期和排卵前期体温较低，排卵日降至最低，排卵后期体温回升到较高水平，）这种周期性波动可能与女性体内性激素的分泌周期有关。3、年龄的影响：一般儿童的体温略高于成年人，到老年则有下降的倾向。这与基础代谢率的变化是一致，另新生儿由于体温调节机构不完善，调节能力差，易受环境温度的影响而发生变化。此外，剧烈运动，情绪激动，精神紧张时体温升高。但运动停止，情绪稳定，体温下降恢复正常。体温虽然能受这些因素的影响而变动，上已说变动范围很小，故体温是相对恒定的。体温为什么能维持恒定呢？是由于体内有产热和散热两过程，二者间并维持动态平衡。二、机体的产热和散热（一）产热：机体内的热量来自于营养物质在组织细胞的氧化分解，故产热量的多少决定于物质代谢的强度。由于机体各器官的代谢水平和机体所处的机能状况不同，它们的产热量也不同。1、主要的产热器官：肝、骨骼肌肝是安静时的主要产热器官，劳动或运动是主要的产热器官为骨骼肌。2、机体产热的形式 有寒颤产热和非寒颤产热两种形式。 寒颤产热：寒冷刺激时，在神经系统的作用下，骨骼肌发生不随意的节律性收缩而引起产热。其特点是屈肌和伸肌同时收缩，所以基本不做功，但产热很高，发生寒颤时，代谢率可增加4-5倍。 非寒颤产热（代谢产热）：寒冷刺激机体，使甲状腺激素、肾上腺素分泌 使代谢 产热机体的所有组织器官都能进行代谢产热，但以褐色脂肪组织（黄脂肪细胞）的产热量最大，约占非寒颤产热量的70%，在人类，褐色脂肪组织只存在于新生儿体内，由于新生儿体温调节功能尚不完善，不能发生寒颤，所以非寒颤产热对新生儿的意义尤为重要。冬眠动物在冬眠前就开始贮存黄脂肪体，由冬眠转入觉醒时，它起到提供能源的作用。（二）散热 有物理过程，也有生理过程 机体在产热的同时，又以各种方式将这些热量散发到体外，从而保证了体温相对稳定。热量是怎样散发的呢？1、机体的散热途径：有皮肤、呼吸道、消化道、肾。人体各器官代谢产生的热量，由循环流动的血液带到体表，通过皮肤表面将热量散发到外界，所以人体的主要散热途径是皮肤。（当环境温度低于人体表层温度时，大部分得体热通过皮肤的辐射、传导和对流散发。）另外，呼吸、排尿和排便也可散失一部分热量。 2、皮肤的散热方式：有辐射、传导、对流和蒸发四种方式。 传导散热：是指体热由体表直接传导给与其相接触的物体。（传导散热效能：取决于皮肤与环境间的温差以及与接触物之间的面积，另与接触物的导热效能有关。如金属的导热效能好，在皮温高于气温时，人的皮肤与金属接触时，因热转移速度快，即有凉爽的感觉。由于人主要与空气接触，空气的导热效能差，加之人体与固体环境的接触面有限，所以传导散热是人体散热中最不重要的。只是在一些特殊情况下，如在冷地面或水中传导散热才有意义。）临床上利用病囊、病帽给高热病人降温就是为了增加传导散热。 对流散热：体热随着空气的流动而放散于体外。人体的热量传给同皮肤接触的空气，由于空气不断流动，便将体热发散到空间。对流散热效能：主要取决于空气流动速度（风速），风速越大，对流散热量越多;相反，风速越小，对流散热量也越少。（皮肤表层被衣服覆盖，不易实现对流，棉毛纤维间的空气不以流动，因此都有保温作用，增加衣着以御寒，就是这个道理。） 辐散散热：是机体以热射线形式将体热传给外界的一种散热方式机体在安静状态下，辐射散热约占总散热量的60%。（辐射散热的效能：取决于皮肤与环境的温度差以及机体有效辐射面积。外界气温与皮肤的温差越大，或是机体有效辐射面积大，辐射散热量就多。皮肤温度稍有变动，辐射散热量就会有很大变化。四肢的表面积较大，因此在辐射散热中具有重要作用。）以上三种散热方式是皮肤温度高于环境温度下进行的散热。如环境温度高于环境温度时，以上方式就失去散热作用，而需要其他方式散热，此方式就为蒸发。 蒸发：指身体表面的水份由液体状态转变为气体状态，液体在蒸发过程中要吸收热量。体表每蒸发1g水要从体内吸收0.58Kcal热量。所以蒸发时非常有效的散热方式。蒸发散热的效能取决于体表面积、皮肤温度、气温和空气的流动。空气流动不仅加速对流散热，更重要的是由于气流将皮肤附近的水蒸汽带走，从而促进水的蒸发，导致更大的散热。湿度的作用则相反，湿度越大，蒸发量越少。3、皮肤生理散热机制：与物理散热相伴而行的是生理散热，皮肤通过血管运动和汗腺的活动在散热的机制中起着重要的作用， 皮肤血管舒缩对体温的调节皮肤血流量决定着皮肤温度，皮肤温度与辐射、传导、对流散热密切相关。由此说，皮肤血流的变更在散热调节中起重要的作用。如在炎热环境中：环境温度皮肤温度感受器通过体温调节中枢使交感神经紧张皮肤血管舒张皮肤血流皮肤温度散热寒冷环境中：环境温度皮肤温度感受器通过体温调节中枢使交感神经紧张皮肤血管舒张皮肤血流皮肤温度散热人体各部对温度变化的血管运动反应各不相同，四肢的反应最大，因此，四肢是最有效的散热器官 出汗与体温调节 出汗包括有不显汗和发汗两种a 不显汗:水分从皮肤和呼吸道渗出而被蒸发掉，但不被人们所察觉，称不显汗或不感蒸发。这种蒸发过程是持续不断进行的，与汗腺的活动无关。当环境温度超过30或活动加剧时，人体就要通过另一种蒸发发汗来散失热量。b 发汗:通过汗腺分泌汗液，汗液蒸发可以有效地带走热量，是高温环境中最重要的散热机制。由于发汗蒸发带走大量的热量，所以是高温环境中最重要的散热机制，如气温在35oC以上发汗是唯一的散热机制。发汗是汗腺分泌汗液。人体有两种汗腺，大汗腺、（见教材）小汗腺，见于全身皮肤，开空于表皮。出汗又可分为精神性出汗和温热性出汗。详见课件 汗液蒸发应注意的问题三、体温调节人的体温调节包括自主性体温调节和行为性体温调节两方面行为性体温调节：是指机体在环境温度改变时，通过行为活动而采取的保温或降温措施。例如，在炎热环境中，人可通过减少衣着、增强通风或启动空调冷气来增加散热；而寒冷时，人会增加衣着或启动取暖设备来减少散热；若严寒环境下衣着不暖，人还会采取拱肩缩背姿势或跑步等减少散热、增加产热的行为。行为性体温调节是大脑皮质参与下的有意识活动，是对自主性体温调节的补充。自主性体温调节：是指在下丘脑体温调节中枢的控制下，（随机体内外环境温热性刺激信息的变动，）机体通过增减皮肤血流量、发汗和寒颤等散热和产热过程来维持体温相对稳定的过程。自主性体温调节过程是维持体温相对恒定的基础。下面介绍自主性体温调节的有关机制。（一）温度感受器1、外周温度感受器：分布在皮