生理学：第七章 能量代谢和体温

第七章第七章 能量代谢和体温能量代谢和体温第一节第一节 能量代谢能量代谢新陈代谢新陈代谢是生命最基本的特征。新陈代谢合成代谢- 贮能分解代谢- 放能能量代谢 生物体内物质代谢中伴随着的能量的释放、转移、贮存和利用，称为能量代谢能量代谢。一、能量的来源和去路一、能量的来源和去路糖：机体的主要能源物质：提供大约糖：机体的主要能源物质：提供大约 70%的能量。的能量。二、能量代谢的测定原理和方法二、能量代谢的测定原理和方法 能量代谢率（能量代谢率（energy metabolic rate）：单位时间内）：单位时间内机体所消耗的能量。机体所消耗的能量。（一）直接测热法（一）直接测热法 (原理：原理：能量守恒定律能量守恒定律 单位时间释放的能量单位时间消耗的能量热能单位时间释放的能量单位时间消耗的能量热能 + 外功外功 + 化学贮备化学贮备 如果在测定时间内，化学贮备能极少而忽略不计，如果在测定时间内，化学贮备能极少而忽略不计，肌肉不对外作功，则测热量就可近似代表能量代谢率。肌肉不对外作功，则测热量就可近似代表能量代谢率。 利用特殊的测量装置直接测量整个机体在单位时间内外界环境散发的总热利用特殊的测量装置直接测量整个机体在单位时间内外界环境散发的总热量。量。 设备复杂，操作繁琐，应用受限。（二）间接测热法（二）间接测热法1、间接测热法的原理、间接测热法的原理 定比定律：定比定律：同一化学反应无论中间过程和条件差异多大，释放的能量是一定的。 根据化学反应原理，即反应物与反应物之间、反应物与产物之间存在着一定的比例关系，从而计算出一定时间内机体氧化分氧化分解的糖、脂肪和蛋白质解的糖、脂肪和蛋白质的量。然后再根据有关数据计算该段时间内机体所释放的总热量。 C6H12O6 + 6O2 6CO2 6H2O + Q (1) 食物热价食物热价：1g食物氧化时释放出来的能量。 物理热价物理热价: 指食物在体外燃烧时释放的热量。 生物热价生物热价：指食物在体内经过生物氧化所产生的热量。 (2) 食物的氧热价食物的氧热价：某种营养物质氧化时，消耗 1L氧所产生的热量。 (3) 呼吸商呼吸商(respiratory quotient, RQ)：在一定时间内，机体的CO2产生量和氧耗量的比值。混合膳食的RQ为0.85。 2. 几个有关概念几个有关概念RQ= 产生的CO2 mol数 消耗的O2 mol数 产生的CO2 ml数 消耗的O2 ml数糖糖1.0， 脂肪脂肪0.71，蛋白质，蛋白质0.80非蛋白呼吸商非蛋白呼吸商 由于糖、脂肪和蛋白质分子中所含碳、氢和氧的比例不同，由于糖、脂肪和蛋白质分子中所含碳、氢和氧的比例不同，氧化时所产生的二氧化碳和氧耗量也不同，故呼吸商也不相同，氧化时所产生的二氧化碳和氧耗量也不同，故呼吸商也不相同，糖的呼吸商为糖的呼吸商为1.00;脂肪的呼吸商为脂肪的呼吸商为0.706；蛋白质的呼吸商约为；蛋白质的呼吸商约为0.80，如果，如果从总二氧化碳产量中和总耗氧量中减去相应部分蛋白质从总二氧化碳产量中和总耗氧量中减去相应部分蛋白质所消耗的氧量和二氧化碳产量，此时的二氧化碳产量和氧耗量之所消耗的氧量和二氧化碳产量，此时的二氧化碳产量和氧耗量之比值为糖和脂肪的混合呼吸商，称为比值为糖和脂肪的混合呼吸商，称为非蛋白呼吸商非蛋白呼吸商(non-protein respiratory quotient,NPRQ)。 根据非蛋白呼吸商根据非蛋白呼吸商值的大小，可推算机体值的大小，可推算机体糖和脂肪氧化的百分比，糖和脂肪氧化的百分比，并可直接计算氧化某一并可直接计算氧化某一种物质的氧耗量和二氧种物质的氧耗量和二氧化碳产量。化碳产量。3. 间接测热方法间接测热方法（1）测定机体在一定时间内的氧耗量和CO2产生量 闭合式测定法：肺量计、代谢仪 开放式测定法：化学分析（2）测定一定时间内尿中排出的氮量，可以计算出被氧化分解的蛋白质量。 蛋白质量 = 6.25 尿氮量 （克） 从分解的蛋白质量查表7-1，计算出其产热量、耗氧量和CO2生成量。（3）计算出NPRQ，查表7-2，求出非蛋白食物产热量（4）计算出总的产热量和能量代谢率间接测热法的测算方法间接测热法的测算方法(1) 测定：24 h 耗氧量400 L，CO2排出量340 L，尿氮排出量 12 g。(2) 蛋白质代谢：蛋白质分解量12 g6.2575 g 产热量18.42 kJ/g75 g1381.5 kJ 耗氧量0.96 L/g75 g72 L CO2产生量0.77 L/g75 g57.8 L(3) 非蛋白质代谢：耗氧量400 L72 L328 L CO2产生量340 L57.8 L282.2 L 非蛋白呼吸商=282.2 L328 L0.86 查表，NPRQ0.86时，氧热价为20.41 kJ/L 非蛋白代谢产热量20.41 kJ/L328 L6694.5 kJ(4) 24 h产热量：24 h产热量1381.5 kJ6694.5 kJ8076 kJ 即24 h能量代谢为8076 kJ4. 临床应用的简便方法临床应用的简便方法（1）通常将蛋白质的消耗量忽略不计，只测定单位时间内的二氧化碳产量和氧耗量，计算呼吸商，按非蛋白呼吸商查表，得到对应氧热价值，即可计算总产热量。（2）更简便测定方法是将呼吸商定为0.85（混合食物的呼吸商），只需测定单位时间内的氧耗量，便可计算机体的产热量。（二）影响能量代谢的因素（二）影响能量代谢的因素 1. 肌肉活动肌肉活动：最为显著。最为显著。 劳动或运动时耗氧量和能量代谢显著劳动或运动时耗氧量和能量代谢显著增加，可达安静时的增加，可达安静时的10-20倍，倍，因此能量代谢可作为劳动或运动时肌因此能量代谢可作为劳动或运动时肌肉活动强度的指标。肉活动强度的指标。2. 精神活动精神活动 当精神活动处于紧张状态（烦恼、愤怒、恐惧或当精神活动处于紧张状态（烦恼、愤怒、恐惧或强烈情绪激动时），强烈情绪激动时），产热量可显著增加。产热量可显著增加。 可能是由于肌紧张增强以及某些内分泌激素（肾可能是由于肌紧张增强以及某些内分泌激素（肾上腺素等）释放增加所引起。上腺素等）释放增加所引起。3. 环境温度环境温度 人处于安静状态下，环境温度在人处于安静状态下，环境温度在20-30时，能量代谢率最为稳时，能量代谢率最为稳定。当环境温度高于定。当环境温度高于30或低于或低于20时，能量代谢都将增加。体温每时，能量代谢都将增加。体温每升高升高l，能量代谢将增加，能量代谢将增加13左右左右。4. 食物的特殊动力效应食物的特殊动力效应 进食可使机体产生进食可使机体产生“额外额外”热量的现象称热量的现象称为食物的特殊动力效应。为食物的特殊动力效应。四、基础代谢四、基础代谢 (basic metabolism)基础状态指清晨、清醒、静卧；室温在基础状态指清晨、清醒、静卧；室温在2025；禁食；禁食12 h以上；情绪安定；体温正常。以上；情绪安定；体温正常。基础代谢基础代谢:指基础状态下的能量代谢。指基础状态下的能量代谢。基础代谢率基础代谢率(basic metabolism rate，BMR): 单位时间内的基础代谢单位时间内的基础代谢 。 （一）概念：（一）概念：（二）基础代谢率测定和表示方法：（二）基础代谢率测定和表示方法： 测测6分钟内耗氧量，求出每小时耗氧量。取混合饮食呼吸商为分钟内耗氧量，求出每小时耗氧量。取混合饮食呼吸商为0.82，其氧热价为，其氧热价为20.20 kJ， 则则BMR20.20每小时耗氧量每小时耗氧量体表体表面积。单位是面积。单位是kJ/ (hm2)。 将测定值将测定值与同性别、同年龄组的平均值进行比较。与同性别、同年龄组的平均值进行比较。 相差在相差在1015以内，仍属正常范围；以内，仍属正常范围；相差值在相差值在20以上则考虑为病态。以上则考虑为病态。 体表面积：体表面积：以单位体表面积(m2)的产热量作为衡量能量代谢率的标准，单位是kJ/ (hm2)。性别和年龄：性别和年龄：男女，年龄代谢率 甲亢时基础代谢率可高于正常值的甲亢时基础代谢率可高于正常值的2580； 甲状腺机能减退时比正常值低甲状腺机能减退时比正常值低2040。 此外，糖尿病、红细胞增多症、白血病和发热可使基础代谢率升高。阿狄森氏病、肾病综合征、脑垂体性肥胖以及机体处于病理性饥饿时，基础代谢率则降低。一、一、体核温度和体表温度体核温度和体表温度 体核温度：机体深部组织的温度体核温度：机体深部组织的温度 。 (肝温最高肝温最高) 体表温度：机体表层组织体表温度：机体表层组织 的温度的温度 。 寒冷环境 炎热环境 图8-1 体热模式第二节第二节 体温及其调节体温及其调节 在炎热环境中，体核温度可扩展到在炎热环境中，体核温度可扩展到四肢；在寒冷环境中，体核温度缩小到四肢；在寒冷环境中，体核温度缩小到机体深部。机体深部。（二）体温的正常值（二）体温的正常值 体温是指机体深部的温度。临床上以口腔、直肠和腋窝的温度代表体温。 v 腋下温度 口腔温度 直肠温度v 直肠温度：36.937.9v 口腔温度比直肠温度低0.2-0.3v 腋窝温度比口腔温度低0.3-0.4 34意识丧失；42细胞实质损害；45生命危险 （三）体温的生理波动（三）体温的生理波动1. 昼夜波动：昼夜波动：昼夜节律 (日节律, circadian rhythm) 清晨2-5时最低，午后2-5时最高，波动幅度不超过1。2. 性别：性别：女性高于男性0.3 女性体温还随月经波动。月经期至排卵这段时间体温较低，排卵后体温较高。 3. 年龄年龄 儿童代谢旺盛，体温高于成人。 老年人代谢降低，体温偏低。 新生儿特别是早产儿，体温调节机构发育不完善，调节能力差，体温容易受环境温度影响。4. 肌肉活动肌肉活动 剧烈的肌肉活动使产热量增加，体温升高。5. 其他：其他：情绪、进食、环境温度等二、机体的产热与散热二、机体的产热与散热 体热平衡体热平衡 (body heat content)：产热和散热两个生理过程之间的动态平衡，维持体温恒定。 图8-2 体热平衡模式热输出辐射传导对流蒸发热来源代谢环境(一一)产热产热 (Heat production)组织器官 安静时产热量 (%) 活动时产热量 (%)脑16 1内脏56 8骨骼肌 18 90其他 10 1几种组织器官的产热百分比几种组织器官的产热百分比1主要产热器官：主要产热器官：安静：内脏器官为主（肝脏）安静：内脏器官为主（肝脏） 运动：肌肉为主，运动：肌肉为主，90% 2.产热方式产热方式 (1) 寒战产热寒战产热 ：骨骼肌肌紧张：骨骼肌肌紧张、寒战、寒战(不随意的节律性收缩)。发生寒战时，屈肌和伸肌同时收缩， 所以基本上不作外功，所消耗的能量全部转变为热量，因而产热量很高，最多可达安静时的 4-5倍。 (2) 非寒战产热非寒战产热 ：代谢产热：代谢产热。 交感神经兴奋、去甲肾上腺素和肾上腺素细胞的分解代谢产热量(迅速、持续时间短) 下丘脑-腺垂体系统甲状腺素、肾上腺皮质激素分解代谢产热量(缓慢、持续时间长) 交感神经兴奋褐色脂肪(brown fat)迅速分解产热。3.产热调节产热调节n体液调节体液调节 ：激素：激素(甲状腺激素甲状腺激素 、去甲肾上腺素、去甲肾上腺素 )n神经调节：交感神经神经调节：交感神经-肾上腺髓质系统肾上腺髓质系统 (引起寒战引起寒战) （二）散热（二）散热1. 散热途径：散热途径：主要是皮肤（85），其次有呼吸、尿和粪便。皮肤散热在维持体温稳定中起重要作用。2. 机体内热量到达皮肤的途径机体内热量到达皮肤的途径 (1) 热传导热传导：脂肪的导热性较差，故肥胖者体内热量不易通过传导到达皮肤。 (2) 血液循环血液循环：皮肤血流量由机体深部到达皮肤的热量皮肤温度升高。 3. 皮肤散热方式皮肤散热方式 (1) 辐射辐射 (radiation)：热射线形式，不需导热介质，安静常温状态下占总散热量的60%。 (2) 传导传导 (conduction)：体热直接传给与之接触的较冷的物体。 衣服：保暖 冰帽、冰袋：使高热病人降低体温。 (3) 对流对流 (convection)：一种特殊的传导散热。 (4) 蒸发蒸发(evaporation)：蒸发分为不感蒸发蒸发分为不感蒸发(insensible evaporation)和和发汗发汗(sweating，sensible evaporation)。（2）发汗：）发汗： 汗腺分泌汗液的活动。是环境温度高于体温时的机体唯一有效汗腺分泌汗液的活动。是环境温度高于体温时的机体唯一有效 的散热途径。的散热途径。 小汗腺：皮肤上的细长管状腺。受交感胆碱能神经支配，可被阿托品阻断。分布： 手掌、足底 额、手背 四肢、躯干 大汗腺：腋窝、乳头、阴部等。不受神经支配，肾上腺素可刺激其分泌。 体液中的水分直接渗透出皮肤和呼吸道粘膜等表面而蒸发，并不为人们察觉，持续不断地进行。 每天1000ml，皮肤600 - 800ml，呼吸道200 - 400ml。（1）不感蒸发：）不感蒸发：辐射蒸发对流传导方式方式 原原 理理 影影 响响 因因 素素 应用应用 辐射辐射 热射线热射线 肤物温差肤物温差.有效面积有效面积(正变正变) 姿势姿势传导传导 直接传递直接传递 肤物温差肤物温差.热导率热导率(正变正变) 冰袋冰袋对流对流 直接传递直接传递 肤气温差肤气温差.风速风速(正变正变) 风扇风扇 n气温气温皮肤温度时，蒸发是惟一的散热方式皮肤温度时，蒸发是惟一的散热方式n环境温度较低时，辐射、对流、传导为主要散热方式环境温度较低时，辐射、对流、传导为主要散热方式汗腺的分泌汗腺的分泌 汗腺的分泌可由温热性刺激和精神紧张等刺激引起。(1) 温热性发汗温热性发汗：体内外温热性刺激引起的汗腺分泌。 意义：蒸发散热、调节体温。(2) 精神性发汗精神性发汗：精神紧张或情绪激动引起的发汗。 与体温调节无关。4. 机体对散热量的调节机体对散热量的调节 (1) 皮肤温度的调节：皮肤温度的调节： 炎热：交感神经紧张性皮肤血管舒张、动静脉吻合支开放皮肤血流量皮肤温度辐射、对流、传导散热。 寒冷：相反。 (2) 发汗：发汗： 炎热：下丘脑发汗中枢交感舒血管纤维汗腺分泌汗液 蒸发散热（反射）。三、体温调节三、体温调节 机体通过行为性体温调节和自主性体温调节来控制产热与散热过程的平衡，从而维持体温的恒定。 自主性体温调节：自主性体温调节：机体在下丘脑体温调节中枢的控制下，通过增减皮肤血流量、发汗、寒战等生理反应，经常维持产热和散热过程的动态平衡。体温调节的基础。 行为性体温调节：行为性体温调节：机体（包括变温动物）在不同的温度环境的姿势和行为。体温调节的补充，并使人具有预见性。（一）温度感受器（一）温度感受器 (temperature receptor)1. 外周温度感受器外周温度感受器 存在于皮肤、粘膜和内脏中的对温度变化敏感的游离神经末梢。 皮肤温度感受器： 热感受器少于冷感受器，1 ：4 - 10。 中枢温度敏感神经元，存在于下丘脑的视前区下丘脑前部视前区下丘脑前部(preoptic anterior hypothalamus, POAH)、脊髓、延髓、脑干网状结构等。 POAH的温度敏感神经元： 接受皮肤和其他部位的温度敏感神经元的温度信息； 感受所在部位的温度信息； 受致热原、单胺类物质以及各种多肽的影响。2. 中枢温度感受器中枢温度感受器（二）体温调节中枢（二）体温调节中枢 体温调节中枢存在于从脊髓到大脑皮层各级中枢部位，其基本中枢位于下丘脑。基本中枢位于下丘脑。 PO/AH是体温调节中枢整合的关键部位，是体温调节中枢整合的关键部位，在体温调节中起着调定点调定点的作用，任何偏离调定点的微小体温波动，将会引起明显的产热与散热量的改变，从而使体温恢复到正常水平。(三三) 体温调节反应体温调节反应1. 炎热环境炎热环境：散热、产热 (1) 皮肤血管舒张：交感神经紧张性皮肤血管舒张、动静脉吻合支开放皮肤血流量皮肤温度辐射、对流、传导散热。 (2) 发汗蒸发散热。 (3) 代谢产热2. 寒冷环境寒冷环境：产热、散热 (1) 骨骼肌肌紧张、寒战。强烈寒战时产热量增加45倍。 (2) 交感神经兴奋、肾上腺素、去甲肾上腺素和甲状腺激素代谢产热。 (褐色脂肪) (3) 皮肤血管收缩：交感神经紧张性皮肤血管收缩、动静脉吻合支关闭皮肤血流量皮肤温度辐射、对流、传导散热。调定点学说调定点学说(set-point theory) n调定点：调定点：调节体温调节体温 于恒定水平的于恒定水平的 规定数值。规定数值。 1.当体温偏离调定点水平时，机体通过产热和散热当体温偏离调定点水平时，机体通过产热和散热 活动的活动的改变而促使体温恢复到调定点水平。改变而促使体温恢复到调定点水平。 2.调定点改变时调定点改变时 ，机体的产热和散热活动在新的，机体的产热和散热活动在新的 调定点水调定点水平达到动态平衡平达到动态平衡 。体温调节过程体温调节过程调定点体温调节中枢产热过程散热过程温度感受器体核温度干扰体温气温下降气温下降散热过多散热过多体温趋于下降体温趋于下降寒寒 战战大脑皮层大脑皮层冷感受器兴奋冷感受器兴奋发汗中枢发汗中枢体体 温温 调调 节节 中中 枢枢发汗停止发汗停止代谢增强代谢增强血管收缩血管收缩行为调节行为调节散散 热热 减减 少少产产 热热 增增 多多体体 温温 趋趋 于于 正正 常常产热增多产热增多散热减少散热减少图图8-7 体温调节过程体温调节过程(以环境温度下降为例以环境温度下降为例)发热的机制发热的机制