生理学┃能量代谢的测定

生理学 · 能量代谢与体温

第一节  能量代谢

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二、能量代谢的测定

（一）能量代谢的测定原理

       能量代谢率（energy metabolism rate）是指机体在单位时间内的能量代谢量，是评价机体能量代谢水平的常用指标。机体的能量代谢遵循能量守恒定律，即在整个能量转化的过程中，机体消耗的蕴藏于能源物质中的化学能和最终转化为热能及所做的外功按能量来折算是完全相等的。因此，测定整个机体的能量代谢率，可通过测定机体在一定时间内所消耗的营养物质的量，然后按营养物质的热价（见后文）计算出它们所含的能量，也可通过测定机体在一定时间内产生的热量与所做的外功量。但实际上很难测定机体在一定时间内所消耗的营养物质的量，故通常采用间接的方法来推算，即通过测定机体在一定时间内能源物质代谢所消耗的O2量和产生的CO2量，推算出营养物质的消耗量，并计算出产热量，这样就能得到机体的能量代谢率。若使机体保持在安静状态下，避免做外功，则此时机体产生的热量即为所消耗的能量，因而只需测定机体在一时间内的散热量即可获得能量既可获得能量代谢率。

（二）能量代谢的测定方法

       根据机体能量代谢的测定原理，测定机体能量代谢率通常采用直接测热法和间接测热法两种方法。

       1、直接测热法：直接测热法（direct calorimetry）是指直接测定受试者安静状态下在一定时间内的散热量的方法。测定时让受试者居于一个特殊的隔热小室内，受试者应保持安静状态，通过测定一定时间内流经隔热室的水温变化及水的流量，计算出受试者单位时间内发散的总热量。由于直接测热法所使用的装置结构较为复杂，操作也很烦琐，故这种方法受到很大限制，一般主要用于科学研究。

       2、间接测热法：间接测热法（indirect calorimetry）是指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。这种方法是依据化学反应的定比定律，即反应物与产物的量之间呈一定的比例关系，例如，氧化1mol葡萄糖时，需要消耗6mol O2，产生6mol CO2和6mol H2O，同时释放一定的热量（ΔH）。其反应式如下

       利用糖、脂肪和蛋白质在体内氧化分解时的耗氧量、CO2产生量以及释放的热量之间的比例关系，可推算出机体在一定时间内所消耗的各种营养物质的量，计算出其产生的

热量。

       利用间接测热法测算单位时间内机体的产热量常涉及以下几个基本概念。

       食物的热价：1g某种食物氧化时所释放的能量，称为这种食物的热价（thermal equivalent of food）。食物的热价通常用焦耳（J）作为计量单位（1cal = 4.187J）。食物的热价分为生物热价和物理热价，分别是指食物在体内氧化和体外燃烧时释放的能量。糖 、脂肪和蛋白质三种主要营养物质的热价列于表7-1中。从表中可见，糖和脂肪的生物热价和物理热价相同，蛋白质则不同。如前所述，这是由于蛋白质在体内不能完全被氧化，有部分包含在尿素、尿酸和肌酐等分子中的能量从尿中排泄，还有很少量含氮产物在粪便中排出，因而其生物热价小于物理热价。

       食物的氧热价：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（thermal equivalent of oxygen）。氧热价表示某种物质氧化时的耗氧量和产热量之间的关系。由于各种营养物质分子结构的不同，因此，同样消耗1L O2，各种物质氧化时所释放的热量也不相同（见表7-1）。

       呼吸商：营养物质在细胞内进行氧化供能的过程中，需要消耗O2，并产生CO2。将一定时间内机体呼出的CO2量与吸入的O2量的比值，称为呼吸商（respiratory quotiet，RQ）。严格地说，应以CO2和O2的摩尔数来计算呼吸商，但由于在同一温度和气压条件下，摩尔数相同的不同气体，其容积也相等，因此，也可以采用CO2与O2的容积数（ml或 L）来计算呼吸商，即

       各种营养物质氧化时的需O2量和产生的CO2量与其分子中所含C、H和O元素的比例有关，糖、脂肪和蛋白质氧化时各自的呼吸商见表7-1。由于葡萄糖氧化时，产生的CO2量与消耗的O2量是相等的，所以糖氧化时的呼吸商等于1.00。蛋白质和脂肪氧化时的呼吸商分别为0.80和0.71。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。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；在长期饥饿的情况下，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。正常人进食混合食物时，呼吸商在0.85左右。

       一般认为整体条件下的呼吸商可反映机体中三种营养物质氧化分解的比例，但实际情况并不是完全吻合。若让受试者在一定时期内只摄取某种单一的营养物质，结果所测得的呼吸商与理论计算值并不完全一致。这是因为机体的组织细胞不仅能同时氧化分解各种营养物质，而且也可使一种营养物质转变为另一种营养物质。例如，当一部分糖转化为脂肪时，由于脂肪的分子组成中氧的含量较少，原来糖分子中的氧就有剩余，这些剩余的氧可参加机体代谢过程中的氧化反应，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。此外，当某些因素影响肺通气功能时，也将改变呼吸商。例如，在肌肉剧烈活动时，由于出现氧债，糖酵解加强，因而产生大量乳酸，乳酸与体内缓冲系统作用，结果使肺排出的CO2量明显增加，使呼吸商变大。即在肺过度通气或酸中毒等情况下，机体CO2的排出量就会增多，使呼吸商变大。相反，在肺通气不足或碱中毒等情况下，呼吸商则变小。

       由于在通常情况下，体内能量主要来自糖和脂肪的氧化，因此，蛋白质的代谢量可忽略不计。由糖和脂肪氧化时产生的CO2量和消耗的O2量的比值称为非蛋白呼吸商（non-protein respiratory quotient，NPRQ）。表7-2显示不同的非蛋白呼吸商所对应的的糖和脂肪各自氧化的百分比以及相应的氧热价，利用这些数据，可使能量代谢的测算更为简便。

       下面介绍间接测热法的具体做法。

       （1）间接测热法的步骤：通过测定机体一定时间内蛋白质和非蛋白物质产热量，进而计算出能量代谢率。

       1）氧化蛋白质的产热量：首先测定机体在一定时间内的尿氮排出量。蛋白质的含氮量一般为16%左右，即在体内氧化1g蛋白质可产生约0.16g的尿氮（粪便中的氮排出量忽略不计）。将测出的尿氮量除以0.16，即为体内氧化蛋白质的量。根据蛋白质的生物热价（见表7-1），就可计算出氧化蛋白质的产热量。

       2）氧化非蛋白物质的产热量：先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（见表7-1），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。然后，从总的耗氧量和总的CO2产生量中减去用于氧化蛋白质氧化的耗氧量和CO2产生量，便获得非蛋白（糖和脂肪）物质氧化的耗氧量和CO2产生量，由此求得非蛋白呼吸商（NPRQ）。然后查表7-2可得出相对应的非蛋白氧热价，从而计算出氧化非蛋白物质的产热量。

       3）总产热量：将氧化蛋白质的产热量与氧化非蛋白物质的产热量相加，即可算出机体在一定时间内的总产热量，即能量代谢率。

       以下举例说明间接测热法的测算方法。假定某受试者24小时的耗氧量为400L，CO2产生量340L（已换算成标准状态的气体容积），尿氮排出量为12g。根据这些数据，可计算该受试者1小时的能量代谢率。具体如下

       氧化蛋白质时

              氧化蛋白质量 = 12g ÷ 0.16 = 75g

              产热量 = 18kJ/g × 75g = 1350kJ

              耗氧量 = 0.95L/g × 75g = 71.25L

              CO2产生量 = 0.76L/g × 75g = 57L

       氧化非蛋白物质时

              耗氧量 = 400L - 71.25L = 328.75L

              CO2产量 = 340L - 57L = 283L

              NPRQ = 283L ÷ 328.75L = 0.86

       查表7-2，当NPRQ为0.86时，氧热价为20.41kJ/L，因此，氧化非蛋白物质的产热量计算如下：

              产热量 = 20.41kJ/L × 328.75L = 6709.79kJ

       该受试者24小时内的产热量为

              总产热量 = 1350kJ +6709.79kJ = 8059.79kJ

       1小时的能量代谢量为

              8059.79 ÷ 24 = 335.82kJ/h

       上述的测算方法较为烦琐，在临床上和劳动卫生工作实践中，能量代谢率的测定常采用以下两种简化方法：一种方法是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，经查表找到相对应的氧热价，耗氧量与此氧热价相乘，便可计算出一定时间内的产热量。另一种更为简便的方法是仅测定一定时间内的耗氧量，根据国人的统计资料，受试者食用混合膳食时的非蛋白呼吸商定为0.82（这实际上是基础状态下的呼吸商，见后文），与此相对应的氧热价为20.20kJ/L，用测定的一定时间内的耗氧量乘以20.20kJ/L，即可得到这时间内的产热量。实际上用简化方法所获得数值与上述经典测算方法所得数值非常接近，仅相差1%~2%。

       （2）测定机体耗氧量和CO2产生量的方法

       1）闭合式测定法：临床上及实验室中常用肺量计来测定耗氧量。该装置的结构与原理如图7-1所示，在肺量计内充有一定量的O2，让受试者通过呼吸口瓣吸入装置中的O2，呼出气中的CO2和水则被气体回路中的吸收剂吸收。记录装置与气体容器的上盖相连，呼吸过程中肺量计内气体容积改变可引起上盖移动，吸气时上盖下降，呼气时上盖上升，由此记录出呼吸曲线。由于每次呼吸将摄取一定量的O2，呼出气中的CO2又被吸收，因此，描笔不会回到原来的高度。随着呼吸的持续进行，气体容器中的O2逐渐减少，描记的曲线呈逐渐下降。在一定时间内（通常测试6分钟），以描笔下降的高度与容器的换算系数相乘，即为该时间内的耗氧量。根据实验前后CO2吸收剂的重量改变，即能算出单位时间内的CO2产生量。

        2）开放式测定法：即气体分析法，该方法是让受试者自然呼吸空气，收集受试者一定时间内的呼出气，通过气量计等测试仪测出呼出气量，并分析呼出气中O2和CO2的容积百分比。由于吸入气为空气，而空气中的O2和CO2的容积百分比是已知的，因此可根据吸入气和呼出气中O2和CO2容积百分比的差值及呼出气量，计算出这段时间内的耗氧量和CO2产生量。

       3）双标记水法：上述直接测热法和间接测热法通常是在受试者保持安静状态且不做外功的条件下进行的。双标记水法（doubly labeled water，DLW）也依据间接测热法的原理。此法的特点是可在受试者自由活动的状态下测定能量代谢率。测定的方法是：给予受试者一定量的氘（2H）和18氧（18O）标记水2H2O和H218O，在一定时间内（通常约10天）间断采集尿液，测定2H代谢率和18O代谢率。由于2H参与体内的水代谢，18O除参与水的代谢外还参与CO2代谢，因此，机体CO2产生量可从18O代谢率和2H代谢率之差求得，呼吸商则根据受试者实际摄入的食物组成推算。根据呼吸商和CO2产生量即可求得耗氧量，进而求出每日消耗量。由于此法检测使用的双标记水是无放射性的，对健康无不良影响，且采用非侵入性的口服方法，不需要限制受试者的活动，检测结果也较精确，因而可用于儿童生长发育、运动生理、营养学等方面的研究。但由于测试费用较高，所需时间较长，测定时需要放射性核素比值质谱仪等特定的测试仪器，并要求检测者具备相应的检测技术等，因而此法的使用受到一定限制。