人体在物质代谢中,伴随着能量释放、转移和利用的过程称为能量代谢。
人体的能量是从那里来的呢。从能量的角度来考虑,人体不能直接利用太阳提供的光能和热能,也不能利用外部供应的电能和机械能,人体唯一的能量来源,是靠摄入体内的营养物质中蕴藏的化学能。
机体摄取的营养物质包括碳水化物、脂肪、蛋白质、无机盐和维生素等。其中碳水化物、脂肪和蛋白质既是构成机体不可缺少的原料,也是机体需要热能的提供者。
1.碳水化物。碳水化物是机体热能的主要来源,在一般情况下,机体需要热能的70%大左右由碳水化物来供应。碳水化物在体内氧化和在体外燃烧放出的热能一样多。当1克碳水化物完全氧化时,能放出4.7千卡热能。
碳水化物的主要来源是淀粉食物,在消化道内变成单糖(主要是葡萄糖)被吸收进入血液循环,成为血糖。血糖可直接被组织细胞氧化利用,一时用不完的血糖,可变成糖原被机体贮存起来。
在肌肉中合成的糖原叫肌糖原,肌糖原可直接供应肌肉活动的热能需要;而在肝脏中合成的糖原叫肝糖原,这是机体贮存糖的主要形式。
肝糖原是在血糖浓度降低时,可再分解为葡萄糖进入血液循环,以维持血糖浓度。有些组织细胞本身贮糖很少,必须依靠从血液中摄取葡萄糖,来满足代谢需要,尤其是脑组织,它需要的热能几乎全靠分解葡萄糖来供应。因此,当血糖浓度降低时,供应脑细胞的热能不足,易出现眩晕。
2.脂肪。人体内的脂肪主要是靠食物供应获得。食物中的脂肪,在肠道内消化成甘油和脂肪酸后被吸收到体内,合成自身脂肪。此外,也有一部分脂肪是由体内的糖和蛋白质转化而来。人体内的脂肪,一部分构成人体组织细胞的成分,称为组织脂肪;另一部分贮存于皮下、内脏周围及肠系膜等处,称为贮存脂肪,也称为中性脂肪或甘油三酯。组织脂肪不能用来氧化供应能量,即使在人体饥饿时,也不会减少;而贮存脂肪在需要时可迅速分解成甘油和脂肪酸,经血液循环送到各器官组织以供氧化利用。
当体内能量供应充足,且机体的活动量减少时,则机体贮存脂肪量增多,身体发胖,体重增加;相反,如果体内的能源物质供应不足或活动量过大,均可由体内的贮存脂肪分解来供应能量,致使体内贮存减少,体重减轻。
脂肪分解释放的能量较多,1克脂肪完全氧化,能放出9.1千卡热能,是糖的2倍,但耗氧量也比较大。正常情况下,身体能源的40%左右由脂肪供应,如果在短期饥饿的情况下,由碳水化物供能不足时,脂肪将成为能量的主要来源。
3.蛋白质。蛋白质是构成体内细胞的主要成分,很少用来氧化供应热能。然而,在某些特殊情况下,如长期不能进食,或消耗量过大时,体内的糖及脂肪大量被消耗之后,热能的供应将要依靠组织蛋白分解。这样的病人,消瘦、无力的症状同时存在,严重地影响了机体组织、细胞的生长发育。
1克蛋白质在体内氧化可产生热能为5.6千卡,比在体外燃烧时产生的热能少,其原因是蛋白质在体内并未完全氧化,有一部分含氮物质如尿素、尿酸、肌酐等,随尿液排出体外。
4.能量分布。各种营养物质在体内氧化产生的能量,约有50%转化成热能以维持体温,其他部分大都作为“自由能”,以三磷酸腺(ATP)的形式贮存于体内,用来维持生命活动的需要,如肌肉收缩,腺体分泌,生物电的产生等等。当机体需要时,这些以贮存形式存在的能量,即以热能的形式释放出来,供人体完成各种动作需要。因此,只要计算出每日的产热量,就可以知道人体能量代谢的基本情况。
正常人体内每日需要的热能,没有一个固定的数值,其原因是,能量代谢受多种因素的影响。劳动或运动时肌肉收缩,对能量代谢的影响最明显,劳动强度越大,需要的热能就越多,反之则越少。
能量代谢还受精神活动、进食、环境温度的影响。平静思考问题时,热能消耗较少,当精神处于紧张状态时,如烦恼、恐惧或强烈的情绪激动时,热能消耗可明显增加。
环境温度对能量代谢也有明显的影响作用。人在20~30℃的环境中,能量代谢最稳定,当环境温度低于20℃时,代谢开始增加,10℃以下明显增加。其原因是由于寒冷的刺激,反射性地引起寒战及肌肉紧张度增加所致。当环境温度在30~45℃之间时,代谢率又开始升高,其原因是由于体内酶的活性最高,加速了体内的化学反应速度之故。
食物对能量代谢具有特殊效应,俗话说“肚中无食不耐寒”是有道理的。的确,人们在进食之后的一段时间,虽然处于安静状态,但产生的热能比进食前有所增加,饭后2~3小时,其代谢率升高达到最大值。吃不同的食物,其热能增加的幅度也不一样,如蛋白质最高,混合食物次之,碳水化物、脂肪又次之。因此,当在寒冷的环境中工作时,多吃些含蛋白质高的食物,对身体御寒会有一定帮助。
基础代谢可反映人体内,在基础状态下的能量代谢状况。所谓基础状态,是指人体在清醒、静卧,室内温度在18~25℃之间,且在进食后12~14小时。此时人体内的能量代谢,主要用来维持基本生命活动,如呼吸、消化、血液循环及神经传导等需要,其代谢率也比较稳定,它也是临床诊断某些疾病的常用指标。如甲状腺机能亢进时,基础代谢率明显升高;相反,如其机能低下时,基础代谢率降低。当然,基础代谢率与年龄、性别的关系也极为密切。