能量代謝測定的原理和方法

能量代謝測定的原理和方法熱力學(xué)第一定律指出：能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的過程中，既不能增加，也不減少。這是所有形式的能量（動能、熱能、電能入化學(xué)能）互相轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律，也就是能量守恒定律。機體的能量代謝也遵循這一規(guī)律，即在整個能量轉(zhuǎn)化過程中，機體所利用的蘊藏于食物中的化學(xué)能與最終轉(zhuǎn)化成的熱能和所作的外功，按能量來折算是完全相等的。因此，測定在一定時間內(nèi)機體所消耗的食物，或者測定機體所產(chǎn)生的熱量與所做的外功，都可測算出整個機體的能量代謝率（單位時間內(nèi)所消耗的能量）。測定整個機體單位時間內(nèi)發(fā)散的總熱量，通常有兩類方法：直接測熱法和間接測熱法。（一）直接測熱法直接測熱法（directcalormetry）是測定整個機體在單位時間內(nèi)向外界環(huán)境發(fā)散的總熱量。此總熱量就是能量代謝率。如果在測定時間內(nèi)做一定的外功，應(yīng)將外功（機械功）折算為熱量一并計入。圖7-1是本世紀初Arwater-Benedict所設(shè)計的呼吸熱量計的結(jié)構(gòu)模式圖。它是由隔熱密封的房間，其中設(shè)一個銅制的受試者居室。用調(diào)節(jié)溫度的裝置控制隔熱壁與居室之間空氣的溫度，使之與居室內(nèi)的溫度相等，以防居室內(nèi)的熱量因傳導(dǎo)而喪失。這樣，受試者機體所散發(fā)的大部分熱量便被居室內(nèi)管道中流動的水所吸收。根據(jù)流過管道的水量和溫度差，將水的比熱考慮在內(nèi)，就可測出水所吸收的熱量。當然，受試者發(fā)散的熱量有一部分包含在不感蒸發(fā)（參看第二節(jié)）量中，這在計算時也要加進去。受試者呼吸的空氣由進出居室的氣泵管道系統(tǒng)來供給此系統(tǒng)中裝有硫酸和鈉石灰，用業(yè)吸收水蒸氣和CO。管道系統(tǒng)中空氣2中的0則由氧氣筒定時補給。2直接測熱法的設(shè)備復(fù)雜，操作繁鎖，使用不便，因而極少應(yīng)用。一般都采用間接測熱法。圖7-1直接測熱裝置示意圖（二）間接測熱法在一般化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物的量與產(chǎn)物量之間呈一定的比例關(guān)系，這就是定比定律。例如，氧化lmol葡萄糖，需要6mol氧，同時產(chǎn)生6molCO和6molHO,并釋放一定量的能。下列反應(yīng)式表明了這種關(guān)系：22CH0+60—6C0+6H0+AH6126222同一種化學(xué)反應(yīng)，不論經(jīng)過什么樣的中間步驟，也不論反應(yīng)條件差異多大，這種定比關(guān)系仍然不變。例如，在人本內(nèi)氧化lmol葡萄糖,同在體外氧化燃燒lmol葡萄糖一樣，都要消耗6molC0和6molH0,而且22產(chǎn)生的熱量也相等。一般化學(xué)反應(yīng)的這種基本規(guī)律也見于人體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)氧化供能的反應(yīng)（蛋白質(zhì)的情況下有些出入，參看下文），所以它成了能量代謝間接測熱法的重要依據(jù)。間接測熱法（indirectcalorimetry）的基本原理就是利用這種定比關(guān)系，查出一定時間內(nèi)整個人體中氧化分解的糖、脂肪、蛋白質(zhì)各有多少，然后據(jù)此計算出該段時間內(nèi)整個機體所釋放出來的熱量。因此，必須解決兩個問題：一是每種營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解時產(chǎn)生的能量有多少（即食物的熱價）；二要分清三種營養(yǎng)物質(zhì)各氧化了多少。食物的熱價應(yīng)用彈式熱量計，在體外測定了一定量的的糖、脂肪和蛋白質(zhì)燃燒時所釋放的熱量，并同這三類物質(zhì)在動物體內(nèi)氧化到最終產(chǎn)物C0和水時所產(chǎn)生的熱量相比較，證明了糖和脂肪在體外燃燒與2在體內(nèi)氧化分解所產(chǎn)生的熱量是相等的。于是將lg食物氧化（或在體外燃燒）時所釋放出來的能量稱為食物的熱價（thermalequivalentoffood）。食物的熱價分為物理熱價和生物熱價。前者指食物在體外燃燒時釋放的熱量，后者系食物經(jīng)過生物氧化所產(chǎn)生的熱量。糖（或脂肪）的物理熱價和生物熱價是相等的，而蛋白質(zhì)的生物熱價則小于它的物理熱價。因為蛋白質(zhì)在體內(nèi)不能被徹底氧化分解，它有一部分主要以尿素的形式從尿中排泄的緣故。三種營養(yǎng)物質(zhì)在物理熱價和生物熱價見表演7-1。呼吸商機體依靠呼吸功能從外界攝取氧，以供各種營養(yǎng)物質(zhì)氧化分解的需要，同時也將代謝終生物CO呼出體外，一定時間內(nèi)機體的C20產(chǎn)量與耗氧量的比值稱為呼吸商（respiratoryquotient,RQ）。各2種營養(yǎng)物質(zhì)在細胞內(nèi)氧化供能屬于細胞呼吸過程，因而雙將各種營養(yǎng)物質(zhì)氧化時的CO產(chǎn)量與耗氧量的比值稱為某物質(zhì)的呼吸商。嚴格說來,2應(yīng)該以CO和O的克分子（mol）比值來表示呼吸商。但是，因為在同一22溫度和氣壓條件下，容積相等的不同氣體，其分子數(shù)都是相等的，所以通常都用容積數(shù)（ml或L）來計算CO與O的比值，即：22RQ二產(chǎn)生的COmol數(shù)/消耗的Omol數(shù)二產(chǎn)生的COml數(shù)/產(chǎn)生的Oml數(shù)2222糖、脂肪和蛋白質(zhì)氧化時，它們的CO產(chǎn)量與耗氧量各不相同，三2者的呼吸商也不一樣。因為各種營養(yǎng)物質(zhì)無論在體內(nèi)或體外氧化，它們的耗氧量與CO產(chǎn)2量都取決于各該物質(zhì)的化學(xué)組成，所以，在理論上任何一種營養(yǎng)物質(zhì)的呼吸商都可以根據(jù)它的氧化成終產(chǎn)物（CO和H0）化學(xué)反應(yīng)式計算出22來的。糖的一般分子式為（CH0）n氧化時消耗的0和產(chǎn)生的C0分子數(shù)222相等，呼吸商應(yīng)該等于1。如上述葡萄糖氧化的反應(yīng)式所示，C0產(chǎn)量與2耗氧量均為6mol故：RH=6molCO/6molO=1.0022脂肪氧化時需要消耗更多的氧。在脂肪本身的分子結(jié)構(gòu)中，氧的含量遠較碳和氫少。因此，另外提供的氧不僅要用氧化脂肪分子中的碳，還要用來氧化其中的氫。所以脂肪的呼吸商將小于1?，F(xiàn)以甘油三酸酯（triolein）為例：CHO+80O=57CO+52HO571046222RQ=57molC0/80mol0=0.7122蛋白質(zhì)的呼吸商較難測算，因為蛋白質(zhì)在體內(nèi)不能完全氧化，而且它氧化分解途徑的細節(jié)，有些還不夠清楚，所以只能通過蛋白質(zhì)分子中的碳和氫被氧化時勢需氧量和C0產(chǎn)量，間接算出蛋白質(zhì)的呼吸商,2其計算值為0.80。在人的日常生活中，營養(yǎng)物質(zhì)不是單純的，而是糖、脂肪和蛋白質(zhì)混合而成的（混合膳食）。所以，呼吸商常變動于0.71-1.00之間。人體在特定時間內(nèi)的呼吸產(chǎn)要看哪種營養(yǎng)物質(zhì)是當時的主要能量來源而定。若能源主要是糖類，則呼吸商接近于1.00；若主要是脂肪，則呼吸商接近于0.71。在長期病理性饑餓情況下，能源主要來自機體本身的蛋白質(zhì)和脂肪，則呼吸商接近于0.80。一般情況下，攝取混合食物時，呼吸商常在0.85左右?，F(xiàn)將糖、脂肪和蛋白質(zhì)三者的熱價、氧熱窬及呼吸商等數(shù)據(jù)列于表7-1，以供理解和測算能量代謝率之用。表7-1三種營養(yǎng)物質(zhì)氧化時的幾種數(shù)據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)熱量(kj/g)耗氧量⑴廣量氧熱價呼吸商物理熱價(用彈式熱量計測得)生物熱價(體內(nèi)生物氧化什)營養(yǎng)學(xué)熱價*(L/g)(L/g)(kj/j)(RQ)糖16.70.830.83211.00蛋白質(zhì)23.51816.70.950.7618.80.80脂肪39.839.837.72.031.4319.70.71*營養(yǎng)學(xué)通常采用概數(shù)來計算食物的熱價影響呼吸商的其它因素：機體的組織、細胞不僅能同時氧化分解各種營養(yǎng)物質(zhì)，而且也使一種營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N營養(yǎng)物質(zhì)。糖的轉(zhuǎn)化為脂肪時，呼吸商可能變大，甚至超過1.00。這是由于當一部分糖轉(zhuǎn)化為脂肪時，原來糖分子中的氧即有剩余，這些氧可能參加機體代謝過程中氧化反應(yīng)，相應(yīng)地減少了從外界攝取的氧量，因而呼吸商變大。反過來，如果脂肪轉(zhuǎn)化為糖，呼吸商也可能低于0.71。這是由于脂肪分子中含氧比例小當轉(zhuǎn)化為糖時，需要更多的氧進入分子結(jié)構(gòu)，因而機體攝取并消耗外界氧的量增多，結(jié)果呼吸商變小。另外，還有其它一些代謝反應(yīng)也能影響呼吸商。例如，肌肉劇烈運動時，由于氧供不應(yīng)求，糖酵解增多，將有大量乳酸進入血液。乳酸和碳酸鹽作用的結(jié)果，會有大量由肺肺排出，此時呼吸商將變大。又如，肺過度通氣、酸中毒等情況下，機體中與生物氧化無關(guān)的CO大量排出，也可現(xiàn)呼吸大于1.00的情況。相2

反，肺通氣不足、堿中毒等情況下，呼吸商將降低。前已述，應(yīng)該測出在一定時間內(nèi)機體中糖、脂肪和蛋白質(zhì)三者氧化分解的比例。為此。首先必須查清氧化了多少蛋白質(zhì)，并且將氧化這些蛋白質(zhì)所消耗的氧量和所產(chǎn)生的CO從機體在該時間內(nèi)的總耗氧量2和總CO產(chǎn)量中減去，算出糖和脂肪氧化(非蛋白質(zhì)代謝)的CO產(chǎn)量和22耗氧量的比值，即非蛋白呼吸商(non-proteinrespiratoryquotient,NPRQ)，然后才有可能進一步查清糖和脂肪各氧化了多少克。尿氮測定尿中的氮物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物。因此可以通過尿氮來估算體內(nèi)被氧化的蛋白質(zhì)的數(shù)量。蛋白質(zhì)的平均重量組成是：C50%,0223%,N16%,S1%。蛋白質(zhì)中16%的N是完全隨尿排出的。所以，12g尿氮相當于氧分解6.25g蛋白質(zhì)，測得的尿氮重量（g）乘以6.25，便相當于體內(nèi)氧分解的蛋白質(zhì)量。非蛋白呼吸商它是估算非蛋白代謝中糖和脂肪氧化的相對數(shù)量的依據(jù)。研究工作者早已按從0.707到1.00范圍內(nèi)的非蛋白呼吸產(chǎn),算出糖和脂肪兩者氧化的各自百分比以及氧熱價（表7-2）。表7-2非蛋白呼吸商和氧熱價非蛋白呼吸商氧化的%氧熱價（J/L）糖脂肪0.700.00100.019.620.7198.919.640.724.7595.219.690.738.4091.619.740.7412.088.019.790.7515.684.419.840.7619.280.819.890.7722.877.219.950.7826.373.719.990.7929.070.120.050.8033.466.620.100.8136.963.120.150.8240.359.720.200.8343.856.220.260.8447,252.820.310.8550.749.320.360.8654.145.920.410.8757.542.520.460.8860.839.220.510.8964.235.820.560.9067.532.520.610.9170.829.220.670.9274.125.920.710.9377.422.620.770.9480.719.320.820.9584.016.020.870.9687.212.820.930.9790.49.5820.980.9893.66.3721.030.9996.83.1821.081.00100.00.021.13Lusk修訂間接測熱法計算原則實驗測得的機體24小時內(nèi)的耗氧量和CO產(chǎn)量2以及尿氮量，根據(jù)表7-1和7-2中相應(yīng)的一些數(shù)據(jù)計算。首先，由尿氮量算出被氧分解的蛋白質(zhì)量。由被氧化的蛋白質(zhì)量從表7-1中算出其產(chǎn)熱量、耗氧量和CO產(chǎn)量；其次從總耗氧量和總CO產(chǎn)量中減去蛋白質(zhì)耗22氧量和CO產(chǎn)量，計算出非蛋白呼吸商。根據(jù)非蛋白呼吸商查表7-2的相2應(yīng)的非蛋白呼吸商的氧熱價，計算出非蛋白代謝的產(chǎn)熱量；最后，24小時產(chǎn)熱量為蛋白質(zhì)代謝的產(chǎn)熱量與非蛋白代謝的產(chǎn)熱量之和。此外，從非蛋白呼吸還可推算出參加代謝的糖和脂肪的比例。間接測熱法的計算方法舉例首先測定受試者一定時間內(nèi)的耗氧量和CO產(chǎn)量，假定受試者24小2時的耗氧量為400L,CO產(chǎn)量為340L（已換算成標準狀態(tài)的氣體容積）。2另經(jīng)測定尿氮排出量為12g。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和查表7-1、7-2,計算24小時產(chǎn)熱量，其步驟如下：（1）蛋白質(zhì)氧化量=12X6.25=7g產(chǎn)熱量=18X75=1350kJ耗氧量=0.95X75=71.25LCO產(chǎn)量=0.76X75=57L2非蛋白代謝耗氧量=400-71.25=328.75L非蛋白代謝CO產(chǎn)量=340-57=283L2非蛋白呼吸商=283/328.75=0.86（3） 根據(jù)非蛋白呼吸商的氧熱價計算非蛋白代謝的熱量查表7-2,非蛋白呼吸商為0.86時,氧熱價為20.41。所以，非蛋白代謝產(chǎn)熱量=328.75X20.41=6709.8kj。（4） 計算24小時產(chǎn)熱量24小時產(chǎn)熱量=1350+6709.8=8059.8kJ（蛋白質(zhì)代（非蛋白代謝產(chǎn)熱量）謝產(chǎn)熱量）計算的最后數(shù)值8059.8kJ就是該受試者24小時內(nèi)的能量代謝率耗氧量與CO產(chǎn)量的測定方法及臨床應(yīng)用測定耗氧量和CO產(chǎn)量的22方法有兩種：閉合式測定法和開放式測定法。（1）閉合式測定法：在動物實驗中，將受試動物置于一個密閉的能吸熱的裝置中。通過氣泵，不斷將定量的氧氣送入裝置。動物不斷地攝取氧，可根據(jù)裝置中氧量的減少計算出該動物在單位時間內(nèi)的耗氧量。動物呼出的CO則由裝在氣體回路中的CO吸收劑吸收。然后根據(jù)22實驗前后CO吸收劑的重量差，算出單位時間內(nèi)的CO產(chǎn)量。由耗氧量和22CO產(chǎn)量算出呼吸商。2臨床上為了簡便，通常只使用肺量計（圖7-2）來測量耗氧量。該裝置的氣體中容器中裝置氧氣，受試者通過呼吸口瓣將氧氣吸入呼吸器官。此時氣體容器的上蓋隨吸氣而下降，并由連于上蓋的描筆記錄在記錄紙上。根據(jù)記錄紙上的方格還可讀出潮氣量值。受試者的呼出氣則通過吸收容器（呼出氣中的CO和水可除除掉）進入氣體容器中，2

于是氣體容器的上蓋又復(fù)升高，描筆也了隨之升高。由于受試者攝取了一定量的氧氣，呼出氣中CO又被除掉，氣體容器中的氧氣量因而逐2漸減少。描筆則記錄出曲線逐漸下降的過程。在一定時間內(nèi)（通常為6min），描筆的總下降高度，就是該時間內(nèi)的耗氧量。圖7-2肺量計結(jié)構(gòu)模式圖（2）開放式測定法（氣體分析法）：它是在機體呼吸空氣的條件下測定耗氧量和CO產(chǎn)量的方法，所以稱為開放法。其原理是，米集受2試者一定時間內(nèi)的呼出氣，測定呼出氣量并分析呼出氣中氧和co的容2積百分比。由于吸入氣就是空氣，所以其中氧和CO的容積百分比不必2另測。根據(jù)吸入氣和呼出氣中氧和CO的容積百分比的差數(shù)，可算出該2時間內(nèi)的耗氧量和CO排出量。2氣體分析方法很多，最簡便而又廣泛應(yīng)用的方法，是將受試者在一定時間內(nèi)呼出氣采集于氣袋中，通過氣量計測定呼氣量，然后用氣體分析器分析呼出氣的組成成分，進而計算耗氧量和CO產(chǎn)量，并算出2呼吸商。現(xiàn)舉出一個氣體分析實驗例?，F(xiàn)某健康成人安靜狀態(tài)下的呼出氣作氣體分析，結(jié)果為：O=16.226%；CO=4.14%。呼出氣量為1分鐘5.2L（通常將呼出氣量換算為不含水2蒸氣的標準狀態(tài)值；也有換算為被水蒸氣飽和的1個大氣壓、體溫狀態(tài)下的值）?？諝獾慕M成是：O=20.96%；N=79.00%；CO=0.04%。貝卩：22受試者從每100ml通過肺的氣體中