生理学第七版校对版 第七章 能量代谢与体温

第七章 能量代谢与体温第一节 能量代谢新陈代谢是生命的基本特征之一。新陈代谢包括合成代谢和分解代谢两个方面，前者是指生物体不断地从外界摄取营养物质来构筑和更新自身，并储存能量；而后者则为机体利用储存的能量或分解体内自身物质而转变成能量，用以维持体温和进行各种功能性活动，如躯体运动、心脏射血、细胞的生物电活动和生物分子的合成等。可见物质代谢与能量代谢是相伴随发生的。生理学中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 (energy metabolism)。一、机体能量的来源与利用 (一)能量的来源 1三磷酸腺苷的生成与作用 机体能利用的能量来源于食物中糖、脂肪和蛋白质分子结构中蕴藏的化学能。当这些营养物质被氧化分解时，碳氢键断裂，释放出能量。但机体的组织细胞在进行各种生理活动时并不能直接利用这种能量形式，组织细胞所需要的能量实际上是由三磷酸腺苷 (adenosine triphosphate，ATP)直接提供的。ATP是糖、脂肪和蛋白质在生物氧化过程中合成的一种高能化合物，当ATP水解为二磷酸腺苷 (adenosine diphosphate，ADP)及磷酸时，同时释放出能量 (在生理条件下可释放51.6kJ/mo1)供机体利用。ATP既是体内直接的供能物质，又是体内能量储存的重要形式。人体在生命活动过程中所消耗的ATP，由营养物质在体内被氧化分解所释放的能量不断地使ADP重新氧化磷酸化而得到补充。 除ATP外，体内还有其他高能化合物，如磷酸肌酸 (creatine phosphate，CP)等。CP主要存在于肌肉和脑组织中。当物质氧化释放的能量过剩时，ATP将高能磷酸键转给肌酸，在肌酸激酶催化下合成磷酸肌酸。反过来，当组织消耗的ATP量超过营养物质氧化生成ATP的速度时，磷酸肌酸的高能磷酸键又可快速转给ADP，生成ATP，以补充ATP的消耗。因此，磷酸肌酸是体内ATP的储存库。从机体能量代谢的整个过程来看，ATP的合成与分解是体内能量转化和利用的关键环节。 2三大营养物质的能量转化 (1)糖：糖 (carbohydrate)的主要生理功能是供给机体生命活动所需要的能量。人体所需能量的5070是由糖类物质的氧化分解提供的。食物中的糖经过消化被分解为单糖，在被吸收的单糖中，葡萄糖占总量的80，通常所说的血糖是指血中的葡萄糖。体内的糖代谢途径可因供氧情况的不同而有所不同。在氧供应充足的情况下，葡萄糖进行有氧氧化，生成CO2和水，1mol葡萄糖完全氧化所释放的能量可合成38mol ATP；在缺氧的情况下，葡萄糖进行无氧酵解，生成乳酸，此时1mol葡萄糖只能合成2mol ATP。在一般情况下，大多数组织细胞有足够的氧供应，因此，以糖的有氧氧化供能为主。糖酵解虽然只能释放少量能量，但在人体处于缺氧状态时极为重要，因为这是人体的能源物质唯一不需O2的供能途径。例如，人在进行剧烈运动时，骨骼肌的耗氧胃剧增但由于循环、呼吸等功能活动只能逐渐加强，不能很快满足机体对O2的需要，骨骼肌因而处于相对缺氧的状态，这种现象称为氧债 (oxygen debt)。在这种情况下，机体只能动用储备在磷酸肌酸等分子中的高能磷酸键和进行无氧酵解来提供能量。在肌肉活动停止后的一段时间内，循环、呼吸活动仍维持在较高水平，因而可摄取较多的O2，以偿还氧债。此外，某些细胞。如成熟红细胞，由于缺乏有氧氧化的酶系，也主要依靠糖酵解来供能。而正常成年人脑组织则主要依赖葡萄糖的有氧氧化供能。脑组织的耗氧量高，对缺氧非常敏感。成年人的脑每日消耗100150g葡萄糖，由于脑组织的糖原储存量较少，对血糖的依赖性也较高，因此，当发生低血糖时，可引起脑功能活动的障碍，出现头晕等症，重者可发生抽搐甚至昏迷。 (2)脂肪：脂肪 (fat)在体内的主要功能是储存和供给能量。体内储存的脂肪量较多，可占体重的20左右。每克脂肪在体内氧化所释放的能量约为糖的2倍。通常成年人储备的肝糖原在饥饿24小时后即被耗尽，而储存的脂肪所提供的能量可供机体使用多达10多天至2个月之久。当机体需要时，储存的脂肪首先在脂肪酶的催化下分解为甘油和脂肪酸。甘油主要在肝脏被利用，经过磷酸化和脱氢而进入糖的氧化分解途径供能，或转变为糖。脂肪酸的氧化分解可在心、肝、骨骼肌等许多组织细胞内进行。脂肪酸与辅酶A结合后，经过-氧化，逐步分解为乙酰辅酶A而进入糖的氧化途径，同时释放能量。 (3)蛋白质：蛋白质 (protein)的基本组成单位是氨基酸。不论是由肠道吸收的氨基酸，还是由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蛋白质，成为细胞的构成成分，以实现组织的自我更新，或用于合成酶、激素等生物活性物质。为机体提供能量则是氨基酸的次要功能。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，机体才会依靠由组织蛋白质分解所产生的氨基酸供能，以维持基本的生理功能。 (二)能量的利用 各种能源物质在体内氧化过程中释放的能量，50以上转化为热能，其余部分是以化学能的形式储存于ATP等高能化合物的高能磷酸键中，供机体完成各种生理功能，如肌肉的收缩和舒张，细胞组分及生物活性物质的合成，产生生物电活动的某些离子转运，神经传导，小肠和肾小管细胞对某些物质的主动转运，腺体的分泌和递质的释放等。除骨骼肌收缩对外界物体做一定量的机械功 (简称外功)外，其他用于进行各种功能活动所做的功最终都转化为热能。热能是最低形式的能量，主要用于维持体温，而不能转化为其他形式的能，因此不能用来做功。用于维持体温的这部分体热最终由体表散发到外界环境中去；此外，还有小部分体热则通过呼出气、排泄物等被带出体外。 (三)能量平衡 人体的能量平衡是指机体摄入的能量与消耗的能量之间的平衡。若在一段时间内体重不变，便可认为此时人体的能量达到“收支”平衡，即这段时间内人体摄入的能量与消耗的能量基本相等。人体每日消耗的能量主要包括基础代谢的能量消耗、食物的特殊动力效应 (见后述)、身体运动的能量消耗和其他的生理活动 (包括生长发育)所需能量。若摄人食物的能量少于消耗的能量，机体即动用储存的能源物质；因而体重减轻，称为能量的负平衡；反之，若机体摄入的能量多于消耗的能量，多余的能量则转变为脂肪等机体组织，导致肥胖，因而体重增加，称为能量的正平衡。肥胖与许多疾病 (如糖尿病、高血压)的发生或代谢异常 (如血脂紊乱)有关。临床上常用体重指数 (bodymass index)、腰围和腰臀围比作为判断肥胖的简易诊断指标。体重指数是以身高 (m)的平方除体重 (kg)所得之商，主要反映全身性超重和肥胖。在我国，体重指数24为超重界限，28为肥胖界限。腰围和腰臀围比也能反映体内脂肪总量和脂肪分布情况。因此，在日常生活中，人们须根据自身的实际生理状况、活动强度等给予适当的能量供应，以保证机体的能量平衡。 体内有很多影响能量代谢的蛋白和活性肽。如解耦联蛋白，瘦素、增食因子、神经肽Y、黑色素浓缩激素、脂联素、抵抗素等。解耦联蛋白 (uncoupfing protein，UCP)是一种线粒体的质子转运蛋白，可调节H+的跨膜转运，消除H+在线粒体内膜两侧的电化学梯度，解除呼吸链氧化磷酸化和ATP合成的耦联，使H+氧化过程中释出的能量转化为热量释放。而不生成ATP。目前已发现5种UCP家族成员，UCP1主要在棕色脂肪组织 (brown adipose tissue，BAT)中表达，这对新生儿的体温调节具有重要意义 (见后文)。UCP2分布在白色脂肪组织、BAT、骨骼肌、心脏、脾、肾和淋巴结等处，在基础代谢的调节中起重要作用；UCP3主要在骨骼肌、BAT和心肌中表达，是产热的重要调节因素；UCP4在脑组织中表达；UCP5则在脑组织和睾丸组织中表达，可能参与体温调节的产热作用和脑组织的代谢。瘦素 (leptin)是由肥胖 (obese)基因编码的16kD的单链蛋白质，在脂肪组织表达。通过中枢及外周受体影响摄食、能量消耗、脂肪分解等。当机体能量摄入过剩而转换成脂肪储存，脂肪细胞含脂质增多而增大时，能促进瘦素表达。瘦素与靶细胞受体结合后，可激活JAK，进而使STAT磷酸化，磷酸化的STAT进入核内调节细胞的代谢活动和能量消耗 (细胞内机制)；另外，瘦素还可抑制下丘脑的摄食中枢而兴奋饱中枢，抑制食欲，减少食物的摄入量 (细胞外机制)。增食因子 (orexin)是具有增强食欲作用的神经肽，分为orexin A和orexin B两种亚型。神经元胞体主要位于下丘脑外侧区和穹隆周围核。主要作用是刺激摄食和减少能量消耗，与肥胖的发生密切相关。二、能量代谢的测定 (一)能量代谢的测定原理 机体的能量代谢遵循能量守恒定律，即在整个能量转化过程中，机体摄入的蕴藏于食物中的化学能与最终转化的热能和所做的外功，按能量来折算是完全相等的。因此，要想测定整个机体的能量代谢率 (energy metabolism rate)，即单位时间内所消耗的能量，可通过测定机体在一定时间内所消耗的食物，按照食物的热价 (见后文)计算出这些食物所包含的能量，也可测定机体一定时间内产生的热量与所做的外功。但实际上机体在一定时间内所消耗的食物量是很难测出的，因此，通常是测定机体一定时间内所消耗的能量，再计算出机体的能量代谢率。如果排除机体所做的外功，则在一定时间内机体产生的热量即为机体消耗的全部能量。这样，只需要测量单位时间内机体的产热量即可得到机体的能量代谢率。 (二)与能量代谢测定有关的几个概念 利用测定单位时间内机体的产热量来测定能量代谢率，需了解与能量代谢测定有关的几个基本概念，主要包括食物的热价、氧热价和呼吸商。 1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，这是由于蛋白质在体内不能完全被氧化，有一部分包含在尿素、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。因此，其牛物热价小于物理热价。 2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。由于各种营养物质中所含的碳、氢和氧等元素的比例不同，因此，同样消耗1升O2，各种物质氧化时所释放的热量也不相同 (表7-1)。 3呼吸商 营养物质在细胞内氧化供能的过程中，需要消耗O2，并产生CO2。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 quotient，RQ)。由于各种营养物质中O2的含量不同，其呼吸商也有差异 (见表7-1)。测算呼吸商时，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，所以常可用CO2与O2的容积数 (ml或L)来计算呼吸商，即 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，呼吸商一般在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，但事实上这种看法与实际情况并不完全吻合。例如，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成另一种营养物质。由于脂肪的分子组成中O2的含量较少，当一部分糖转化为脂肪时，原来糖分子中的O2就有剩余，这些剩余的O2可参加机体代谢过程中的氧化反应，相应减少了从外界摄入的O2量，从而使呼吸商变大，甚至超过l。另外，在肌肉剧烈活动时，由于出现氧债，糖酵解就加强。因而可产生大量乳酸，乳酸与体内缓冲系统作用，结果使肺排出的CO2量明显增加；在肺过度通气或酸中毒等情况下，CO2的排出量也增多，这些情况均可使呼吸商变大。相反，在肺通气不足或碱中毒等情况下，呼吸商则变小。 在一般情况下，体内能量主要来自糖和脂肪的氧化，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)。不同的非蛋白呼吸商所对应的糖和脂肪各自氧化的百分比以及相应的氧热价列于表7-2中。利用这些数据，可使能量代谢的测算更为方便。 (三)能量代谢的测定方法 测定整个机体能量代谢率通常有三种方法：直接测热法、间接测热法和双标记水法。前两种测定方法是在受试者安静状态下进行直接测定散热量或间接测定产热量，最后一种方法则能够测定机体在自由活动状态下的能量代谢量。 1直接测热法 让受试者居于一个特殊的隔热小房间内，收集受试者安静状态下在一定时间内发散的总热量，这种方法称为直接测热法 (direct calorimetry)。直接测热法所使用的装置结构较为复杂，操作也很繁琐，故其应用受到很大限制，一般主要用于科学研究。 2间接测热法 根据化学反应中反应物与产物的量之间呈一定比例的关系，即定比定律，就可知道体内的糖、脂肪和蛋白质氧化分解时的耗氧量和CO2产生量以及释放的热量都有一定的比例。间接测热法 (indirect calorimetry)就是利用这种定比关系来测定受试者在一定时间内产热量的一种方法。例如，氧化1mol葡萄糖时，需要消耗6molO2，并将产生6mol CO2和6mol H2O，同时释放一定的热量。其反应式如下C6H12O6+6O26CO2+6H2O+H (1)间接测热法的步骤： 1)计算氧化蛋白质食物的产热量：需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0.16g左右的尿氮 (粪便中的氮排出量忽略不计)。以0.16除测出的尿氮量，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)，即可计算出氧化蛋白质食物的产热量。 2)计算氧化非蛋白食物的产热量：需先测定机体在一定时间内总的耗氧量和总的CO2产生量。根据1g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蛋白质食物氧化时的耗氧量和CO2产生量，分别从总耗氧量和总CO2产生量中减去蛋白质食物氧化时的耗氧量和CO2产生量，即为非蛋白部分 (糖和脂肪)食物氧化时的耗氧量和CO2产生量，由此即可求得非蛋白呼吸商 (NPRQ)。然后查表7-2可得此NPRQ相对应的非蛋白氧热价，从而计算出氧化非蛋白食物的产热量。 3)计算出总产热量：将氧化蛋白质食物与非蛋白质食物两部分的产热量相加，即可算出总产热量。 现以一个具体例子来说明间接测热法的测算方法。假定某受试者24小时的耗氧量是400L，CO2产生量为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，氧化蛋白质食物的氧化量=12g0.16=75g产热量=18kJ/g75g=1 350kJ耗氧量=0.95L/g75g=71.25LCO2产生量=0.76L/g75g=57L氧化非蛋白食物的耗氧量=400L-71.25L=328.75LCO2产量=340L-57L=283LNPRQ=283L328.75L=0.86查表7-2，当NPRQ为0.86时，氧热价为20.41kJ/L，因此，氧化非蛋白食物的 产热量=20.41kJ/L328.75L=6 709.79kJ所以，该受试者24小时内的 总产热量=1 350kJ+6 709.79kJ=8 059.79kJ 由于上述经典的测算方法较为繁琐，故在临床上和劳动卫生工作实践中，能量代谢率的测定常用以下两种简化方法计算：忽略不计蛋白质食物的氧化量，测得一定时间内的耗氧量和CO2产生量，将求出的呼吸商视为非蛋白呼吸商，经查表取得相对应的氧热价，便可计算出这段时间内的产热量。仅测定一定时间内的耗氧量，根据国人的统计资料，基础状态下的非蛋白呼吸商约为0.82，与此相对应的氧热价则为20.20kJ/L，以测定的耗氧量与此氧热价相乘，即可求得这段时间内的产热量。实际上，用简化法所得数值与上述经典测算方法所得数值非常接近。 (2)测定耗氧量和CO2产生量的方法 1)闭合式测定法：临床上常采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所吸收。描计装置与气体容器的上盖相连，可自动记录呼吸曲线。吸气时上盖下降，呼气时则上盖升高。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，描笔不能回到原来的高度。随着呼吸的持续进行，气体容器中的O2逐渐减少，描笔记录出曲线逐渐下降。在一定时间内 (通常测试6min)，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，即能算出单位时间的CO2产生量。 2)开放式测定法：即气体分析法，是在受试者呼吸空气的条件下测定耗氧量和CO2产生量的方法。该方法是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的容积百分比的差值，计算出这段时间内的耗氧量和CO2产生量。 3双标记水法 上述检测方法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 labelled water，DLW)则可在受试者自由活动的状态下进行。给予受试者一定量的氘 (2H)和18氧 (18O)标记水2H2O、H218O，在一定期间内 (通常为10天左右)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产生量可以通过18O代谢率和2H代谢率之差而求得。呼吸商则根据受试者实际摄入的食物组成推算，这样就可以得出总的耗氧量，求出每日总能量消耗量。由于此方法不需要限制受试者的活动，可应用于儿童生长发育、运动生理、营养学等方面的研究。检测使用的双标记水是无放射性的，对健康无不良影响，且采用非侵人性的口服方法，检测结果较为精确。但由于测试费用较高，所需时间较长，测定时需要同位素比值质谱仪等特定的测试仪器及检测技术等，遂使此法的使用受到一定限制。影响能量代谢的主要因素 (一)肌肉活动 肌肉活动对于能量代谢的影响最为显著，机体任何轻微的运动即可提高代谢率。人在体育运动或劳动时，由于肌肉活动所消耗的能量需要通过营养物质的氧化来补充，因而可引起机体的耗氧量显著增加。机体耗氧量的增加与肌肉活动的强度呈正比关系，机体持续体育运动或劳动时的耗氧量可达安静时的1020倍。肌肉活动的强度通常用单位时间内机体的产热量来表示，因此，可以把能量代谢率作为评估肌肉活动强度的指标。从表7-3可以看到不同劳动强度或运动时的能量代谢率。 (二)精神活动 与肌肉组织相比，脑组织的血流量大，代谢水平也高，在安静状态下，每100g脑组织的耗氧量为33.5ml/min (氧化的葡萄糖量约4.5mg/min)，此值约为肌肉组织安静时耗氧量的20倍，但在不同精神活动状态下脑组织的能量代谢率却变化不大。研究发现，在睡眠时和在精神活动活跃的状态下，脑中葡萄糖的代谢率却几乎没有差异。人在平静地思考问题时，产热量增加一般不超过4。但当人处于精神紧张状态时，如烦恼、恐惧或情绪激动时，能量代谢率可显著增高。这是由于随之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所致。 (三)食物的特殊动力效应 人在进食后的一段时间内，即使在安静状态下，也会出现能量代谢率增加的现象，一般从进食后1小时左右开始，延续78小时。进食能刺激机体额外消耗能量的作用，称为食物的特殊动力效应 (specific dynamic effect)。实验证明，在三种主要营养物质中，进食蛋白质产生的特殊动力效应最为显著，能提供100kJ能量的蛋白质，在被摄入后所产生的特殊动力可达30kJ，即进食蛋白质的特殊动力效应约为30；进食糖和脂肪的特殊动力效应分别为6和4左右；进食混合性食物约为10。因此，在计算所需能量摄人量时，应注意到额外消耗的这部分能量而给予相应的补充。有关食物特殊动力效应产生的确切机制目前尚不清楚。实验表明，将氨基酸经静脉注射后仍然可以看到这种现象，但在切除肝脏后此现象即消失。因而认为，食物的特殊动力效应与食物在消化道内的消化和吸收无关，可能主要与肝脏处理氨基酸或合成糖原等过程有关。 (四)环境温度 当人在安静时，环境温度在2030范围内，在裸体或只穿薄衣的情况下，其能量代谢最为稳定。当环境温度低于20时，代谢率便开始增加；在10以下时，则显著增加。环境温度较低时，代谢率的增加主要是由于寒冷刺激反射性地引起寒战以及肌肉紧张度的增强。在2030时，代谢率较为稳定，主要是因为肌肉比较松弛。当环境温度超过30时，代谢率又将逐渐增加，这与体内化学反应速度加快，发汗功能旺盛以及呼吸、循环功能增强等因素有关。四、基础代谢 基础代谢 (basal metabolism)是指基础状态下的能量代谢。基础代谢率 (basal metabolism rate，BMR)则是指在基础状态下单位时间内的能量代谢。所谓基础状态是指人体处在清醒而又非常安静，不受肌肉活动、精神紧张、食物及环境温度等因素影响时的状态。因此，测定基础代谢需要在清醒、静卧，未作肌肉活动，无精神紧张，食后1214h、室温保持在2025的条件下进行。此时能量消耗主要用以维持血液循环、呼吸等基本生命活动，在这种状态下，基础代谢是比较稳定的。因此，基础代谢率常作为评价机体能量代谢水平的指标。基础代谢率比一般安静时的代谢率低，是人体在清醒时的最低能量代谢水平。在熟睡时机体的各种生理功能减弱至更低水平，此时的能量代谢率更低，但在做梦时可增高。 事实证明，不同大小的个体，其能量代谢量有较大的差异。若以每公斤体重的产热量进行比较，则身材矮小的人每公斤体重的产热量要高于身材高大的人。研究表明，与机体的心输出量、肺通气量等生理活动指标一样，若以每平方米体表面积的产热量进行比较，则不论身材大小，每平方米体表面积每小时的产热量就非常接近。即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。因此，能量代谢率常以单位时间内每平方米体表面积的产热量为单位，即用kJ/ (m2h)来表示。 人体的体表面积可应用Stevenson公式进行测算，即体表面积 (m2)=0.006 1身高 (cm)+0.0128体重 (kg)=0.1529 (7-2) 近年来对国人体表面积的测算结果显示。利用Stevenson公式的计算值较实测值略小。 另外，体表面积还可以在体表面积测算图 (图7-2)上直接读取。具体做法是在图中分别找出受试者的身高值和体重值在各自标尺上的对应点，这两点的连线与体表面积标尺交点的读数，就是该受试者的体表面积。 在对基础代谢率进行测定时，一般采用能量代谢测定的简化方法测算，即将非蛋白呼吸商定为0.82，与之相对应的氧热价为20.20kJ/L，因此，只需在基础状态下测定一定时间内的耗氧量和体表面积，即可计算出基础代谢率。例如，某受试者，男性，20岁，在基础状态下，lh的耗氧量为14L，测算的体表面积为1.6m2，故其基础代谢率为： 20.20kJ/L14L/h1.6m2=176.75kJ/ (m2h) 基础代谢率随性别、年龄的不同而有差异 (表7-4)。当其他情况相同时，男性的基础代谢率平均值比同年龄组的女性高；儿童比成人高；年龄越大，代谢率越低。 临床上在评价基础代谢率时，常将实测值和表7-4中的正常平均值进行比较，即采用相对值来表示。如相差在15之内，都视为属于正常范围；差值超过20时，才有可能是病理性变化。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。当甲状腺功能低下时，基础代谢率可比正常值低2040；而甲状腺功能亢进时，基础代谢率可比正常值高2580。其他如肾上腺皮质和垂体功能低下、肾病综合征、病理性饥饿等，常出现基础代谢率降低；糖尿病、红细胞增多症、白血病以及伴有呼吸困难的心脏病等，基础代谢率可升高。当人体发热时，基础代谢率也升高，一般情况下，体温每升高1，基础代谢率将升高13左右。基础代谢率的测定是临床上某些疾病的辅助诊断方法之一，尤其是用于甲状腺疾病的辅助诊断；但目前由于可直接测定反映甲状腺功能的血清激素水平，故在甲状腺疾病的诊断上已很少应用基础代谢率的测定方法。第二节 体温及其调节 生理学在研究人体的体温时把人体分为核心与表层两个部分。机体核心部分的温度称为核心温度 (core temperature)；机体表层部分的温度称为表层温度 (shell temperature)。临床上所说的体温 (body temperature)是指机体核心部分的平均温度。鸟类、哺乳动物和人的体温是相对稳定的，故称为恒温动物 (homeotherm)。而低等动物，如爬虫类、两栖类的体温则随环境温度的变化而变化，因而称为变温动物 (poikilotherrn)。恒温动物保持正常的体温是机体进行新陈代谢和生命活动的必要条件。 (一)表层温度和核心温度 尽管机体的温度可分为表层温度与核心温度，但机体核心部分与表层部分的比例并不是固定不变的，随着环境温度的变化，其比例也发生改变。如图7-3所示，在寒冷的环境中，核心温度分布区域缩小，主要集中在头部与胸腹内脏，表层温度分布区域相应扩大，表层部分与核心部分之间存在着温度梯度。相反，在炎热环境中，核心温度分布区域扩大，可扩展到四肢，而表层温度分布区域明显缩小。 1表层温度 机体表层的温度低于核心温度，而且由表层向深部存在着比较明显的温度梯度。表层温度易受环境温度的影响，各部位之间的温度差异较大。机体表层的最外层即皮肤的温度称为皮肤温度 (skin temperature)。当环境温度为23时，足部皮肤温度约27，手部约30，躯干部约32，额部为3334。四肢末梢皮肤温度最低，越近躯干、头部，皮肤温度越高。当气温达32以上时，皮肤温度的部位差别将变小。在寒冷环境中，随着气温下降，手、足部皮肤温度降低最为显著，而头部皮肤温度的变动相对较小。皮肤温度与局部血流量有密切的关系。凡能影响皮肤血管舒缩的因素，如环境温度变化或精神紧张等都能改变皮肤温度。例如，人在情绪激动时，交感神经兴奋，皮肤血管紧张性增高，皮肤温度，特别是手的皮肤温度显著降低。可从30骤降至24。由于皮肤温度的变化在一定程度上可以反映血管的功能状态，因此，临床上常用皮肤温度作为诊断外周血管疾病的指标。 2核心温度 核心温度是相对稳定的，各部位之间的温度差异很小。其中肝脏在全身各器官中温度最高，为38左右；脑产热量较多，也接近38；肾、胰腺及十二指肠等器官温度略低；直肠的温度则更低，约37.5。由于机体深部各个器官通过循环的血液交换热量而使温度趋于一致，因此机体深部血液的温度可以代表内脏器官温度的平均值。 由于机体深部温度特别是血液温度不易测量，所以临床上通常用直肠、口腔和腋窝等部位的温度来代表体温。直肠温度 (rectal temperature)的正常值为36.937.9，测量时温度计应插入直肠6cm以上，才能比较接近深部温度。口腔温度 (oral temperature)的正常值为36.737.7，测量时应将温度计含于舌下，由于应用比较方便，因而是临床上常用的测温方法。但需注意口腔温度受经口呼吸及进冷、热食物等因素的影响；此外，对于不能配合测量的一些患者，如哭闹的小儿和精神病患者，则不宜测口腔温度。腋窝温度 (axillary temperature)的正常值为36.037.4。测量时需注意腋窝处是皮肤表面的一部分，其表层温度并不能代表核心部的体温，只有让被测者将上臂紧贴胸廓，使腋窝紧闭而形成人工体腔，机体内部的热量才能逐渐传至腋窝，使腋窝的温度逐渐升高至接近于机体深部温度的水平，此时所测得的温度才能反映深部温度。因此，测量腋窝温度的时间一般需要持续510min，还应保持腋窝处干燥。 此外，食管温度比直肠温度低0.3左右。食管中央部分的温度与右心房内的温度大致相等，而且两者在体温调节中发生反应的时间过程也是一致的，所以在实验研究中可将食管温度作为深部温度的一个指标。此外，鼓膜的温度大致与下丘脑温度相近，在研究体温调节的生理学实验中常用鼓膜温度作为脑组织温度的指标。随着鼓膜温度计的开发，现在临床上也将鼓膜温度用作衡量体温的指标。 (二)体温的正常变动 在生理情况下，体温可随昼夜、年龄、性别等因素而有变动，但这种变动幅度一般不超过1。 1体温的昼夜变化 体温在一昼夜之间有周期性的波动，在清晨26时体温最低，午后16时最高。机体功能活动的周期节律性变化的特性，称为生物节律 (见第十章)。人体体温的这种昼夜周期性波动，称为体温的昼夜节律或日节律 (circadian rhythm)。研究结果表明，体温的日节律是由一种内在的生物节律所决定的，而与机体的精神或肌肉活动状态等没有因果关系。比如，让受试者处于特定的环境中，将一切标志时间的外在因素，如昼夜明暗周期、环境温度的规律性变化、定时的进餐等都去除，此时受试者的体温仍表现出昼夜节律性波动的特性，但这种节律的周期要比地球的自转周期 (24h)略长，故称为自由运转周期 (free-running period)。人在日常生活中，由于上述各种外在因素的作用，自由运转周期就和24h运转周期同步化了。因此，体温的昼夜节律与地球自转周期是相吻合的。目前认为，生物节律现象主要受下丘脑视交叉上核的控制。 2性别的影响 在相同状态下，男性和女性体温略有差别，成年女性的体温平均高于男性0.3。此外，女性的基础体温随月经周期而变动 (图7-4)。基础体温是指在基础状态下的体温，通常在早晨起床前测定。在卵泡期内体温较低，排卵日最低，排卵后升高0.30.6。因此，通过每天测定基础体温有助于了解有无排卵和排卵的日期。排卵后体温升高是由于黄体分泌的孕激素的作用所致 (见第十二章)。 3年龄的影响 儿童和青少年的体温较高，而老年人因基础代谢率低，体温偏低。新生儿，特别是早产儿，由于其体温调节机构的发育还不完善，调节体温的能力差，因此体温易受环境因素的影响而变动。如果不注意保温，洗澡时婴儿的体温可降低24，因此，对婴幼儿应加强保温护理。 4肌肉活动的影响 肌肉活动时由于代谢增强，产热量增加，可使体温升高。所以，临床上测量体温应让受试者先安静一段时间后再进行，测量小儿体温时应防止小儿哭闹。 此外，情绪激动、精神紧张、进食等情况对体温也会产生影响，所以测定体温时，应予充分考虑。二、机体的产热与散热 如前所述，营养物质代谢所释放的化学能在体内转化中，50以上直接转变成热能，其余不足50的化学能载荷于ATP等高能化合物的高能磷酸键上，经过转化与利用，最终大部分也变成热能。体内的一部分热能用以维持体温，多余的热量则由循环血液传送到体表并散发到体外。恒温动物之所以能维持相对稳定的体温，就是因为在体温调节机构的控制下，产热 (heat production)和散热 (heat loss)两个生理过程能取得动态平衡的结果。 (一)产热过程 1主要产热器官 体内的热量是由三大营养物质在组织细胞中进行分解代谢时产生的，其中对体温影响较大的主要产热器官是肝和骨骼肌。从表7-5中可见，机体在安静时主要由内脏产热，占总产热量的56。在各内脏中肝的代谢最旺盛，产热量最高，肝的血液温度比主动脉血液温度高0.40.8。当机体进行体育运动或劳动时，肌肉则成为主要的产热器官。由于骨骼肌的总重量约占体重的40，因而具有巨大的产热潜力，骨骼肌的紧张度稍有增强，其产热量即可发生明显改变。当剧烈运动时，其产热量约可增加40倍，占机体总产热量的90左右。在新生儿，还有棕色脂肪组织参与非寒战产热 (后述)。 2产热的形式 机体有多种产热形式，如基础代谢产热、骨骼肌运动产热、食物的特殊动力效应产热、寒战和非寒战产热等。通常，机体的产热量大部分来自全身各组织器官的基础代谢，其中内脏器官和脑组织的产热量约占基础代谢产热量的70。机体安静时在寒冷环境中主要依靠寒战产热 (shivering thermogenesis)和非寒战产热 (non-shivering thermogenesis)两种形式增加产热量。 (1)寒战产热：寒战是指在寒冷环境中骨骼肌发生不随意的节律性收缩，其节律为每分钟911次。寒战的特点是屈肌和伸肌同时收缩，许多肌纤维同步化放电，此时肌肉收缩不做外功，能量全部转化为热量。当发生寒战时，机体的代谢率可增加45倍，有利于维持机体在寒冷环境中的体热平衡。 (2)非寒战产热：非寒战产热又称代谢产热，是一种通过提高组织代谢率来增加产热的形式。非寒战产热作用最强的组织是分布在肩胛下区、颈部大血管周围、腹股沟等处的棕色脂肪组织，在棕色脂肪组织细胞的线粒体内膜上存在解耦联蛋白 (UCP)，UCP的作用是使线粒体呼吸链中的氧化磷酸化和ATP合成之间的耦联被解除，从而使氧化还原反应过程中释放的能量不能被用来合成ATP，而是转化为热量散发出来。棕色脂肪组织的代谢产热量约占非寒战产热总量的70。在人类，棕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，不能发生寒战，所以非寒战产热对新生儿的意义尤为重要。 3产热活动的调节 (1)体液调节：甲状腺激素是调节产热活动最重要的体液因素。如果机体暴露于寒冷环境中数周，甲状腺的活动明显增强，甲状腺激素大量分泌，使机体代谢率可增加2030。甲状腺激素调节代谢的特点是作用缓慢，但持续时间长。肾上腺素、去甲肾上腺素以及生长激素等也可刺激产热，其特点是起效较快，但维持时间较短。 (2)神经调节：寒冷刺激可使位于下丘脑后部的寒战中枢兴奋，经传出通路到达脊髓前角运动神经元，引起寒战。还可使交感神经系统兴奋，进而引起肾上腺髓质活动增强，导致肾上腺素和去甲肾上腺素等激素释放增多，使代谢产热增加。前述寒冷促使甲状腺激素释放的机制也是通过神经系统完成的，即寒冷刺激可通过某种递质引起下丘脑释放促甲状腺激素释放激素，后者再刺激腺垂体释放促甲状腺激素，从而加强甲状腺的活动 (见第十一章)。 (二)散热过程 1散热的部位 人体的主要散热部位是皮肤。当环境温度低于表层温度时，大部分体热可通过辐射、传导和对流等方式向外界发散，小部分体热则随呼出气、尿、粪等排泄物排出体外。当环境温度高于表层温度时，则通过蒸发散热来发散体热。 2散热的方式 (1)辐射散热：辐射散热 (thermal radiation)是指人体以热射线的形式将体热传给外界较冷物质的一种散热方式。人体在21的环境中，在裸体情况下，约有60的热量是通过辐射方式发散的。辐射散热量的多少主要取决于皮肤与周围环境之间的温度差，当皮肤温度高于环境温度时，温度差越大，散热量就越多。反之，若环境温度高于皮肤温度，则机体不仅不能散热，反将吸收周围环境中的热量。此外，辐射散热还取决于机体的有效散热面积，有效散热面积越大，散热量就越多。由于四肢的表面积较大，因而在辐射散热中起重要作用。 (2)传导散热：传导散热 (thermal conduction)是指机体的热量直接传给与之接触的温度较低物体的一种散热方式。经这种方式发散的热量取决于皮肤温度与接触物体之间的温度差、接触面积，以及与皮肤接触的物体的导热性能等。空气的导热性较小，在空气中通过直接传导散热量极小。棉、毛织物也是热的不良导体，所以体热因传导而散失的热量并不多。另外，人体脂肪的导热效能也较小，因而肥胖的人身体深部的热量不易传向表层，在炎热的天气里就容易出汗。由于水的比热较大，导热性能较好，在临床治疗中常利用水的热传导作用进行局部加温处理或利用冰帽、冰袋等给高热患者降温。 (3)对流散热：对流散热 (thermal convection)是指通过气体流动进行热量交换的一种散热方式。通过对流散失热量的多少，除取决于皮肤与周围环境之间的温度差和机体的有效散热面积外，受风速的影响较大。风速越大，散热量就越多；相反，风速越小，散热量也越少。衣服覆盖皮肤表面，加之棉毛纤维间的空气不易流动，这些因素都可使对流难以实现而有利于保温。 (4)蒸发散热：蒸发 (evaporation)是水分从体表汽化时吸收热量而散发体热的一种方式。在正常体温条件下，蒸发1g水可使机体散发2.43kJ的热量。因此，体表水分的蒸发是一种十分有效的散热形式。当环境温度等于或高于皮肤温度时，蒸发将成为唯一有效的散热形式。患有无汗症的人，在冷环境中的反应与正常人无异，但在热环境中，由于不能借助于汗液蒸发散热，因而容易发生中暑。蒸发散热有不感蒸发和发汗两种形式。 1)不感蒸发：不感蒸发 (insensible perspiration)是指体液的水分从皮肤和黏膜 (主要是呼吸道黏膜)表面不断渗出而被汽化的形式。这种蒸发形式不被人们所察觉，且与汗腺活动无关。其中水分从皮肤表面的蒸发又称不显汗。在环境温度低于30时，人体通过不感蒸发所丢失的水分相当恒定，为1215g/(hm2)。人体24h的不感蒸发量一般约1 000ml，其中从皮肤表面蒸发的水分为600800ml，通过呼吸道黏膜蒸发的水分为200400ml。在肌肉活动或发热状态下，不显汗可增加。婴幼儿不感蒸发的速率比成人大，因此，在缺水的情况下，婴幼儿更易发生严重脱水。临床上给病人补液时，应注意勿忘补充由不感蒸发丢失的这部分体液。在有些不能分泌汗液的动物，不感蒸发是一种有效的散热途径，如狗，在炎热环境下，常采取热喘呼吸 (panting)的方式来加强散热。 2)发汗：发汗 (sweating)是指汗腺主动分泌汗液的过程。通过汗液蒸发可有效带走大量体热。发汗可被意识到，故又称可感蒸发 (sensible evaporation)。人体皮肤上分布有大汗腺和小汗腺。大汗腺局限于腋窝和阴部等处，开口于毛根附近。它从青春期开始活动，所以可能和性功能有关。小汗腺可见于全身皮肤，其分布密度因部位而异，手掌和足跖最多，额部和手背次之，四肢和躯干最少。然而，汗腺的分泌能力却以躯干和四肢为最强。 汗液中水分约占99，固体成分约占1。在固体成分中，大部分为NaCl，也有乳酸及少量KCl和尿素等。实验测得，在汗腺分泌时分泌管腔内的压力可高达250mmHg以上，表明汗液不是简单的血浆滤出物，而是汗腺细胞的主动分泌物。刚从汗腺分泌出来的汗液是与血浆等渗的，但在流经汗腺管腔时，在醛固酮的作用下，汗液中的Na+和Cl-被重吸收，最后排出的汗液是低渗的。因此，当机体大量发汗时会导致血浆晶体渗透压升高，造成高渗性脱水。但当发汗速度快时，由于汗腺管不能充分吸收NaCl，汗液中的NaCl浓度高，机体丢失大量水分的同时，也丢失大量NaCl，因此应注意在补充水的同时补充食盐。以免引起水和电解质平衡紊乱，甚至由于神经系统和骨骼肌组织的兴奋性改变而发生热痉挛。 发汗是一种反射性活动，最主要的发汗中枢位于下丘脑，它可能在体温调节中枢或其附近。人体的汗腺主要接受交感胆碱能纤维的支配，故乙酰胆碱有促进汗腺分泌的作用。由温热性刺激引起的发汗称为温热性发汗 (thermal sweating)，见于全身各处，主要参与体温调节。在手掌、足跖和前额等处，有些汗腺受肾上腺素能纤维支配，精神紧张时可引起这些部位发汗，称为精神性发汗 (mental sweating)。精神性发汗与体温调节的关系不大，其中枢可能在大脑皮层运动区。通常这两种形式的发汗并非截然分开，常同时出现。 汗腺的活动除受神经调节和体液性因素调节外，发汗量和发汗速度还受环境温度、湿度及机体活动的影响。正常人在安静状态下，当环境温度达到30左右时便开始发汗；如果空气湿度较高，且衣着较多时，气温在25时便可引起发汗，加之湿度高时汗液不易被蒸发，体热就不易散失，可反射性地引起大量出汗；在进行劳动或体育运动时，气温虽在20以下，也可产生发汗，而且发汗量往往较多；相反，若在高温环境中停留时间过久，发汗速度可因汗腺疲劳而明显减慢。 3循环系统在散热中的作用 分布到皮肤的动脉穿透隔热层 (如脂肪组织等)，在真皮的乳头下形成微动脉网，再经迂回曲折的毛细血管网延续为丰富的静脉丛。此外，皮下还有大量动-静脉吻合支。皮肤血液循环的这些结构特点决定了皮肤血流量可在很大范围内发生变动。如前所述，通过辐射、传导和对流等散热方式散失热量的多少，取决于皮肤和环境之间的温度差，而皮肤温度的高低与皮肤的血流量有关。因此，机体可以通过改变皮肤血管的舒缩状态来调节体热的散失量。机体的体温调节机构通过交感神经控制皮肤血管的口径，调节皮肤的血流量，使散热量能符合当时条件下体热平衡的要求。例如，在炎热环境中，交感神经紧张性活动降低，皮肤小动脉舒张，动-静脉吻合支开放，皮肤血流量因而大大增加。据推算，全身皮肤的血流量最多可达到心输出量的12。皮肤血流量增多时，有较多的体热可从机体深部被带到表层，使皮肤温度升高，故散热量增加。此时汗腺的活动也加强，皮肤血流量增加也给汗腺分泌提供必要的水分。在寒冷环境中，交感神经紧张性活动增强，皮肤血管收缩，皮肤血流量减少，散热量也因此大大减少，此时身体表层宛如一个隔热器，可起防止体热散失的作用。当环境温度在2030时，机体的产热量没有大幅度变化，机体既不发汗，也无寒战，仅仅通过调节皮肤血管的口径，改变皮肤温度，即可控制机体的散热量以维持体热的平衡。另外，由于四肢深部的静脉和动脉相伴行，这样的结构相当于一个热量的逆流交换系统，即从四肢远端回流的静脉血温度较低，可从与其伴行的动脉摄取热量，而动脉血在流向四肢远端的过程中温度逐渐降低 (图7-5)。逆流交换的结果使机体热量的散失减少。三、体温调节 人体体温的相对恒定有赖于自主性体温调节和行为性体温调节的功能活动。自主性体温调节 (autonomic thermoregulation)是在体温调节中枢的控制下，通过增减皮肤的血流量、发汗或寒战等生理调节反应，维持产热和散热过程的动态平衡，使体温保持相对稳定的水平。行为性体温调节 (behavioral thermoregulation)是指有意识的调节体热平衡的活动，即通过在不同环境中采取的姿势和发生的行为来调节体热的平衡。例如，人可增减衣着，动物则在寒冷环境中具有日光趋向性和在炎热时躲在树荫下或钻进洞穴中。行为性体温调节是变温动物的重要调节手段，而在恒温动物，显然以自主性体温调节为基础，而行为性体温调节则是对自主性体温调节的补充，两者不能截然分开。例如，人在严寒环境中，如果衣着不暖，则在发生肌肉寒战的同时，还会采取拱肩缩背的姿势和踏步或跑步等御寒行为。以下主要讨论自主性体温调节。 机体的体温通过自主性体温调节使体温维持相对稳定是依靠负反馈控制系统实现的。下丘脑的体温调节中枢是控制部分，它发出的传出信息控制受控系统的活动，如肝和骨骼肌等产热器官的活动改变，还有皮肤血管、汗腺等散热器官的活动改变，从而使体温维持在相对稳定的水平。而体温总是因内、外环境因素的变化而受到干扰，这些干扰通过温度检测装置，即皮肤及机体深部的温度感受器，将干扰信息反馈至体温调节中枢。经过中枢的整合，再调整受控系统的活动，建立起当时条件下的体热平衡，使体温保持相对稳定 (图7-6)。 (一)温度感受器 根据温度感受器存在的部位可将它们分为外周温度感受器和中枢温度感受器；根据温度感受器感受温度的性质又可将它们分为冷感受器和热感受器。 1外周温度感受器 外周温度感受器 (peripheral thermoreceptor)是存在于皮肤、黏膜和内脏中的对温度变化敏感的游离神经末梢。当局部温度升高时，热感受器兴奋；反之，当温度降低时冷感受器兴奋。温度感受器在皮肤呈点状分布，冷感受器较多，大约是热感受器的511倍。这两种感受器各自对一定的温度敏感。例如，冷感受器在低于正常体温的某一温度时放电频率最高，而热感受器在高于正常体温的某一温度时放电频率达高峰。当温度偏离各自敏感的温度时，感受器发放冲动的频率将减少。此外，皮肤的温度感受器对温度的变化速率更为敏感。 2中枢温度感受器 中枢温度感受器 (central thermoreceptor)是指存在于中枢神经系统内的对温度变化敏感的神经元。下丘脑、脑干网状结构和脊髓等处都含有温度敏感神经元。其中，热敏神经元 (Warm-sensitive neuron)在局部组织温度升高时发放冲动频率增加；而冷敏神经元 (cold-sensitive neuron)则在局部组织温度降低时发放冲动频率增加。动物实验表明，在视前区-下丘脑前部 (preoptic-anterior hypothalamus area，PO/AH)，热敏神经元居多；而在脑干网状结构和下丘脑的弓状核，则冷敏神经元较多。当局部脑组织温度变动0.1时，这两种神经元的放电频率都会发生变化，且不出现适应现象。 近年来发现一种被称为瞬时感受器电位 (transient receptor potential，TRP)的非选择性阳离子通道，在感觉神经末梢、皮肤和中枢神经系统等多种组织中广泛表达。根据氨基酸残基序列的同源性，哺乳动物的TRP通道家族可分为6个亚家族，即TRPC、TRPV、TRPM、TRPA、TRPP和TRPML，每一亚家族再分为若干亚型。各种TRP通道的共同作用是调节细胞内的Ca2+、Na+浓度和膜电