[科普中国]-能量代谢

能量代谢，新陈代谢是生命最基本的特征之一,其包括物质代谢和能量代谢两个方面。机体通过物质代谢，从外界摄取营养物质，同时经过体内分解吸收将其中蕴藏的化学能释放出来转化为组织和细胞可以利用的能量，人体利用这些能量来维持生命活动。通常将在物质代谢过程中所伴随的能量的释放、转移、贮存和利用称为能量代谢（energy metabolism）。

简介机体从外界摄取的营养物质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、微量元素、水及维生素等，其中碳水化合物、脂肪和蛋白质是机体的主要能源。机体内能量底物（如蛋白质、碳水化合物、脂类等）氧化产生能量的过程称为能量消耗（energy expenditure）。人体每日总能量消耗（Total daily energy expenditure, TEE）分为三个部分：基础能量消耗（Basal Energy Expenditure，BEE），食物生热作用（Diet-induced thermogenesis，DIT）和身体活动能量消耗（Activity induced energy expenditure, AEE）。

其中基础能量代谢（BEE）决定了人体能量最基本的需要量，它对生命存活起了一系列重要的作用，如体内细胞功能、蛋白质合成等。它占据了每日能量需要的60%-75%。BEE相比较于DIT和PAEE来说更加稳定，每天变化很小，它是区分不同人之间能量需要的重要指标。BEE是通过基础能量代谢率（Basal metabolic rate, BMR）即人体每分钟的基础能量消耗(BEE/1440）计算得到的。

基础能量代谢率（BMR）是指在中性温和的环境中（20 ～ 25°C)，清晨醒来，人体处于消化吸收后状态（即消化系统处于非活动状态，需要至少隔夜12个小时禁食），正常呼吸并完全放松(平躺，没有任何外部肌肉运动）时人体每分钟消耗的能量。

能量利用机体各种能源物质在体内氧化时所释放的能量，约有50%以上迅速转化成为热能的形式，主要用于维持机体的体温。热能不能再转化为其他形式的能，因此不能用来做功。其余不足50%的能量是可以用于做功的“自由能”。这部分自由能的载体是三磷酸腺苷（adenosine triphosphate ,ATP），能量贮存于ATP的高能磷酸键中。在机体能量转化的过程中，ATP既是一种重要的贮能物质，又是直接供能的物质。机体的组织细胞进行各种功能活动时，能量的直接来源是ATP中的贮备能。除ATP外，体内还有另一种含有高能磷酸键的贮能化合物，即磷酸肌酸（creatinephosphate,CP）。当体内物质分解生成的能量增多，使形成的ATP浓度升高时，ATP会将高能磷酸键转移给肌酸，生成CP。将能量贮存起来；反之，当组织细胞耗能增加，ATP浓度降低时，又将贮存的能量转移给二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP），生成新的ATP。因此，CP常被看作是ATP的贮存库。从能量代谢的整个过程来看，ATP的合成与分解是体内能量转换和利用的关键环节。

人体的能量需求源于消耗的能量的需要。总能量平衡时，能量摄入（比如饮食摄入）和能量消耗（总能量消耗）达到平衡，人体处在一个稳定的状态，即可以满足能量消耗的补给的需要。能量平衡是一种动态平衡。然而能量失衡时，比如能量摄入过多，会导致生长速度减缓、瘦体重减轻、脂肪堆积，甚至增加诸如冠心病、糖尿病、中风、肥胖等一系列疾病发生的风险。另外很多疾病会影响机体的能量代谢，比如有哮喘、慢性阻塞性肺病、气胸、上呼吸道感染、发热、恶性肿瘤、甲状腺功能亢进症、糖尿病、高血压和肾脏疾病等疾病。

能量测量按照国际单位系统的规定，法定能量计量单位是焦耳（joule，J）或千焦耳（kJ）。在生理学上有关能量代谢的研究中，热量单位传统使用卡（cal）或千卡（kcal），1千卡是指能使1升纯水从15℃加热到16℃所需的能量。卡和焦耳之间的换算关系是：1cal=4.187J或1J=0.23885cal。

能量代谢的测量方法有很多，比如直接测热法、间接测热法、双标水法、心率检测法、运动传感器法、自我报告法等。

直接测热法的原理是将受试者置于密闭的舱室内，用舱内管道中流动的水来吸收受试者机体所散发的热量，并根据流过的水量以及温度差，来测出水所吸收的热量，以此来确定机体单位时间向外界散发的总热量，此总热量即为能量代谢率。此方法被认为是金标准，测量精确并且受试者可以进行自由活动，但由于设备复杂、造价昂贵以及操作繁琐，很少使用。

间接测热法是通过测量氧气消耗量以及二氧化碳产生量来计算能量消耗。经典的有道格拉斯袋(Douglas bag)，但是这种装置使用较为繁琐。其他主要的设备还有人体能量代谢测试舱，其原理是用近似密闭的舱室来连续收集氧气和二氧化碳以此来分析舱内两种气体含量的变化，从而计算能量消耗。这种方法的优点在于受试者在舱内可以自由活动，并且提供了一个不受外界环境干扰的稳定的测试环境。间接热量测试方法被认为是精度比较高的测试方法。通常情况下间接热量测试法用于评定其它测试方法的有效度和可靠性。

双标水法的原理是受试者口服含有氢(H)和氧(O)的稳定同位素的水(H2O)，通过收集尿液或唾液中这两种同位素浓度的变化来计算能量消耗。这种方法的优点是无创，准确度和精确度高，但其缺点是价格昂贵而且难以获得能量消耗以及身体活动的模式。

心率检测法的原理是在有氧运动范围内，根据心率和氧气消耗量之间所存在的线性关系，建立校准曲线来估算能量消耗。其优点是操作简单，价格低廉。但是所确立的心率和氧气消耗关系个体性较强，不具有普遍性。

运动传感器可以分为计步器(Pedometers)和加速度计(Accelerometers)两种，其原理是由运动传感器测量躯体相应部位的运动或加速度信息，经过计算间接获得能量消耗。这种方法的特点在于数据可以直接被计算机处理，操作简单，便携性好。目前较新的运动感应器有IDEEA、armband。

自我报告包括身体活动记录表和调查问卷。这种方法的优点是过程简单，便于操作，成本较低。但是由于受试者存在着很强的主观性等因素，此方法不能作为准确测量能量代谢的方法。同时研究人员通过大样本量的人群实验建立了基于性别、年龄、身高、体重的能量预测的代谢方程，通过计算能量代谢来应用于很多领域人群的能量平衡控制，即通过计算能量消耗来估计能量需要，比如可以应用于学校饮食制定、体重管控、住院患者的营养管控等。

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[8]朱文玉主编. 医学生理学. 第2版. 北京：北京大学医学出版社，2009.

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张宽 - 教授 - 首都医科大学生物医学工程学院