能量代谢测定

机体每天摄取的营养物质中的化学能，经过代谢，大部分直接以热能的形式不断地向外界发散； 另一部分载荷于ATP内为机体各种生理活动提供能源，但这部分能量（除少量静力功外）通过转化最后也变成热能而发散于体外。这样，当机体处于安静而体重不变的状态时，体内代谢所消耗的能量绝大部分都是以热能的形式发散于体外。单位时间内机体发散的热量，即产热量，可以用一定方法测定，而当肌肉作功时，其作功量也可换算成热量。另一方面，营养物质所蕴藏的化学能也是可以测定的。通过实验测定，人体在正常生理条件下体重保持稳定时，一定时间内摄入体内的化学能量与经过能量代谢最后转化为热能而发散到体外的能量非常接近(见表1)。也就是说，机体每天能量的摄入与消耗是接近平衡的。测定一定时间内机体的产热量即可了解机体能量消耗的情况。
直接测热法 因为机体消耗的能量是以热能的形式发散于体外，所以，通过一定的装置可直接测定此热的总量，其原理是单位时间内由人体散放的热能使一定量水的温度升高，根据水温升高的度数，即可算出人体发散的总热量。这称直接测热法。用于动物或人体的直接测热装置如图1。此装置主体为一大隔热室，动物或人体所发散的热可使室内铜管中循环的水的温度升高，根据水量的多少及水的温度即可求出一定时间内水所吸收的总热量，这也就是机体所发散的总热量。

表1 人体安静状态下24小时内能量的摄入与消耗的平衡

能量的摄入			能量的消耗
摄取食物量(g)		kcal	热发散的途径	kcal
蛋白质	56.8	237	由身体表面发散的热	1,374
脂肪	137.0	1,307	随呼吸发散的热	43
糖	79.9	335	随尿和粪发散的热	23
			肺水分蒸发所消耗的热	181
			皮肤水分蒸发所消耗的热	227
			校正值	11
共计		1,879	共计	1,859

图1 直接测热装置

机体安静状态下所发散的总热量就是机体同一时间内消耗的总能量。由于直接测热装置庞大，结构复杂，使用不便，难于广泛使用，这样就产生了间接测热法。
间接测热法 间接测热法是根据机体在单位时间内氧化消耗的营养物质的量或消耗的氧量，来计算它们所能产生的热量，这个量应等于同一时间内机体释放到外界的热量。根据化学原理，一定数量的某物质氧化供能，不论其中间过程如何，只要终产物相同，它在氧化过程中释放出的能量也相同。因此，三种营养物质在体内生物氧化过程中释放的能量，应当与这些物质在人体外燃烧时释放的能量相同，只要最后的生成物一样。这可用弹式热量计来测定。按照化学定比定律，一定量的氧所能氧化某一物质的量是一定的，因此，根据氧消耗量也能推算体内产热情况。弹式热量计的结构如图2所示。测定干燥食物的重量后，将它放在图中所示的金属筒内，然后利用电火花使食物燃烧。燃烧放出的热量可使金属筒周围的水温上升。根据水温的变化及水的重量便可求出食物的放热量。

图2 弹式热量计的结构

食物的卡价 一克营养物质氧化或燃烧时所释放的热量，称为该物质的卡价。
氧的热价 某物质消耗一升氧时所产生的热量，称为该物质氧的热价。
呼吸商 某种营养物质氧化过程生成的二氧化碳量与所消耗的氧量的容积比值(CO₂/O2)称为此物质的呼吸商。糖、脂肪与蛋白质分子中所含的碳、氢与氧的相对含量各不相同，因此，呼吸商也不一致。例如一分子葡萄糖氧化时：

即糖的呼吸商等于1.00
一分子脂肪（以三橄榄酯酸甘油酯为例）氧化时；C₃H₆(C₁₈H₃₃O2)₃+80O₂→57CO₂+52H₂O

通常以此值代表脂肪的呼吸商，即脂肪的呼吸商为0.71。
机体可利用的蛋白质分子种类很多，通常将其呼吸商推算为0.80。

表2 糖、脂肪、蛋白质的呼吸商，氧的热价及其卡价

营养 物质	卡价(kcal/g)			氧 耗 量 (L/g)	二氧 化碳 生成 量 (L/g)	氧的 热价 (kcal/ L)	呼 吸 商 (CO2/ O2)
	在弹式 热量计 中燃烧	在机 体内 氧化	生理 的概 数
糖	4.1	4.1	4.0	0.81	0.81	5.0	1.00
脂肪	9.3	9.3	9.0	1.96	1.39	4.7	0.71
蛋白质	5.6	4.1	4.0	0.94	0.75	4.5	0.80

呼吸商可帮助判定，估计机体能量的来源以及体内营养物质的转化。它与食物的热价、氧的热价同样是计算机体能量代谢不可缺少的数据。体内营养物质中糖氧化量大时，则呼吸商接近于1.00，脂肪量大时，则接近于0.71。人们通常吃混合食物，混合呼吸商接近于0.85～0.90。如果机体中出现大量糖向脂肪转化的情况时，由于糖分子中氧的相对含量高于脂肪及蛋白质，它代谢释放的过剩的氧可参与氧化，所以此时吸入氧的耗量减少，呼吸商可高达1.30。又如，糖尿病患者由于含氧较少的脂肪与蛋白质在体内转化为含氧较多的糖，所以需氧量增多，呼吸商因而变小，可等于或低于0.71。此外，肌肉激烈运动时，由于乳酸蓄积，血液缓冲作用的结果，使二氧化碳大量从肺呼出，呼吸商因而增大，有时高达2.0。酸中毒时过度呼吸也可导致同样结果。反之，肺通气不足或碱中毒时，呼吸商可变小。
用间接测热法测定人体产热量时，先要测出一定时间内机体的氧耗量和二氧化碳生成量，然后据以求出呼吸商。由于尿中氮含量绝大部分来自蛋白质，而蛋白质的平均含氮量是一定的，因此根据一定时间内尿氮的排出量，就可推算出同一时间内氧化分解的蛋白质的量，以及氧化分解这么多的蛋白质所需的氧量和产生的CO2量，由蛋白质氧化产生的热量也可由蛋白质的卡价算出。从整体总的氧耗量及二氧化碳生成量中减去蛋白质分解所需的氧耗量和二氧化碳生成量，可求出非蛋白呼吸商。根据非蛋白呼吸商表(表3)可查出该条件下糖和脂肪氧化的百分比，与此相对应的氧热价即表示1升氧按这样比例氧化糖和脂肪时释放出的热量。整体耗O2减去与蛋白质氧化有关的O₂量，乘以表中求出的氧热价，就可求出该条件下糖与脂肪氧化所产生的热量，再加上蛋白质氧化产生的热量，就是机体总产热量。

表3 非蛋白呼吸商与氧的热价相关表

非蛋白呼吸商	糖	脂 肪	每升氧的热价
0.707 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00	0.000 0.016 0.055 0.094 0.134 0.173 0.213 0.254 0.294 0.334 0.375 0.415 0.456 0.498 0.539 0.580 0.622 0.666 0.708 0.741 0.793 0.836 0.878 0.922 0.966 1.010 1.053 1.098 1.142 1.185 1.232	0.502 0.497 0.482 0.465 0.450 0.433 0.417 0.400 0.384 0.368 0.350 0.334 0.317 0.301 0.284 0.267 0.249 0.232 0.215 0.197 0.180 0.162 0.145 0.127 0.109 0.091 0.073 0.055 0.036 0.018 0.000	4.686 4.690 4.702 4.714 4.727 4.739 4.751 4.764 4.776 4.788 4.801 4.813 4.825 4.838 4.850 4.868 4.875 4.887 4.899 4.911 4.924 4.936 4.948 4.961 4.973 4.985 4.998 5.010 5.022 5.035 5.047

注： 呼吸商每增加0.01氧的热价便增加0.0123。
上述方法虽然精确但颇复杂，实际工作中很少应用。在生理及临床工作中，可考虑采用简化方法，亦即不考虑三种营养物质氧化的比例，只需测得整体在单位时间内的耗O₂量的升数，乘以4.825 (相当于非蛋白呼吸商为0.82时的氧热价)，其值即为整体在单位时间内的总产热量，这样求出的结果与上述复杂方法算出的数值，所差有限，可供一般使用。单位时间的耗O2量可用闭合式气体代谢测定装置测得(图3)。

图3 闭合式气体代谢测定装置