生活中的能量及其来源

生活中的能量及其来源

生活能量包括维持人体生化反应所需的化学能，保证这些反应正常进行的环境所需的热能（体温），以及日常活动所消耗的能量等，这些能量都靠食物供给。

一、日常活动的能量消耗

1．基础代谢率

人体空腹静卧于18℃～25℃环境中，维持体温和器官最基本生命活动所需的能量称为基础代谢能量。每千克体重每小时所耗的能量称为基础代谢率（BMR）。相当于人绝对休息时的能耗，正常成年人的相应功率为67焦/秒～87焦/秒。

2．一些主要活动的能量消耗

开展一般活动的成年人，每天约消耗1万千焦能量。对学生而言，一个50千克体重的男生，平均每天能量消耗大约为12600千焦（按1千卡＝4．184千焦，大约为3000千卡）能量。一个40千克体重的女生，平均每日能量消耗大约为8820千焦（2100千卡）。

国际卫生组织规定人均日摄取热量达到1万千焦（合约2400千卡），就算达到了温饱线。美、俄、法、加、澳为1．4万千焦～1．5万千焦，日本为1．2万千焦。我国于1982年第二次营养调查结果显示，全国男女老少平均日摄入热量为1．04万千焦，表明我国人民的温饱问题早已基本解决。

二、能量的来源

人体能量来源于食物。食物通常包括主食、维生素和无机物质（特别是微量元素）三种成分。其中食物主体指糖、蛋白质和脂肪，是它们提供人体正常能量需求。维生素及微量元素则在能量的转换和保证机体的正常运行中发挥独特作用。

1．主食

糖、蛋白质和脂肪都属于碳水化合物。这些碳水化合物被氧气氧化成二氧化碳和水，同时放出大量的热。我们平时讲的“消化”，实质上就是这种氧化。由于每种成分作用不同，因而食物需要保证适当的配比。按上述温饱水平的日摄取能量要求，一个成年人每天需要摄取：

（1）糖，300～400克。1克糖约提供17千焦能量，300～400克糖理论上可提供5100～6800千焦能量，即可满足人体需要。其中1/3为食糖，2/3为淀粉，占总能量的35%～45%。

（2）蛋白质，80～120克。1克蛋白质也大约可提供17千焦能量，每天摄入46～56克蛋白质（相当于310克瘦肉或3个鸡蛋）就可达到要求。但考虑到实际吸收效率，一般每天应供给80～120克蛋白质，放出1360～2040千焦能量，相当于饮食总热量的10%～15%。

（3）脂肪，100～150克。每克脂肪可提供37千焦能量，每天摄取100～150克脂肪，可放出3700～5550千焦，占总能量的35%～50%。由于脂肪的摄入量与心脏病有关，故有人建议应将其降至30%～35%。

2．微量成分

维生素和微量元素被称为生物催化剂，起促进化学反应、转换能量及维持各种代谢的重要作用。

（1）维生素。20世纪初就认识到吃蔬菜、水果不仅是为了调味，而且是为了吸取维生素。1907年维丹斯（德，1928年诺贝尔奖得主）在研究胆固醇过程中合成了维D3，从而开创了维生素研究的新纪元。维生素在机体内的作用与酶有密切关系，缺乏某种维生素会引起特定的疾病。例如，缺维生素A会导致夜盲症；缺维生素D会生佝偻病；缺维生素E导致不孕；缺维生素B、C会贫血等。

（2）微量元素。通常指铁、锌、铜、锰、铬、钴、钼、钒、硒、氟、硼、碘等元素，是动植物生命体系的营养元素或必需元素，它们都有重要的生理功能。例如，人们早就知道缺铁会导致耳聋，缺碘会导致甲状腺肿。近来报道长期饮用含镉量较高的水会“只生女，不生男”，即影响到染色体的活动能力。

三、能量的转换和利用

食物主体和微量成分虽可提供能量，但它们本身还不是能量，需要经过转换而加以利用。

1．消化和吸收

从化学观点看，消化作用是指被摄入的食物通过水解得到断裂产物，进而通过肠壁吸收到体液中并参与新陈代谢的过程。这些水解反应需要酶催化，每种水解反应都有特定的酶作催化剂。糖、蛋白质和脂肪的水解分别产生单糖、氨基酸和脂肪酸，进而在酶的催化下氧化（或称燃烧）释放出热量。

（1）糖。糖是快速能源。唾液中的淀粉酶作用于淀粉或糖元，产生二糖（如麦芽糖），这是消化作用的第一步。进入胃后，食物被胰脏分泌的酶作用，使糖继续水解成麦芽糖，再水解成葡萄糖，最后形成一些单糖的混合物。然后这些单糖被吸收进入血液，成为血糖，其浓度受激素胰岛素的调节和控制。如果血糖含量过高，单糖将在肝中转化为多糖糖元，成为肝糖，在人肝中约为6%。如果血糖含量太低，则肝中贮藏的糖元被水解，从而提高血糖水平。在酶催化下，被吸收后转化产生的单糖（如葡萄糖）才被“氧化”（燃烧），提供人体所需要的能量。葡萄糖氧化的反应式为：

（2）蛋白质。在胃蛋白酶的作用下，蛋白质的水解从胃中开始，并且延续到小肠中。食物蛋白质在胃酸的协助下，由胃蛋白酶分解为朊及胨。食物在胃内的滞留时间，随蛋白质的质地而异。肉的蛋白质含量高，停留3～4小时，此时胃液酸性强；蔬菜和水果的蛋白质含量低，停留1．5～2小时，胃液酸度亦低。吃肉不容易肚子饿，就是这个原因。

经胃加工后出来的蛋白质，经多种蛋白酶的作用最后分解为氨基酸，通过肠壁吸收。

（3）脂肪。与糖和蛋白质不同，脂肪的消化主要在肠道中进行。帮助脂肪水解的酶是水溶性的，然而脂肪又不溶于水，这个矛盾怎么解决呢？靠肝脏分泌的胆盐使油乳化生成的小油珠，为酶提供了化学反应的表面，其作用很像洗涤剂分子。主要的胆盐（如甘氨胆酸钠）就具有亲油、亲水的双亲结构。

唾液中不含脂肪分解酶，所以此时脂肪不被水解。进入胃后，在胃液中脂肪分解酶的作用下，一部分脂肪分解为甘油与脂肪酸。但该酶的最适宜pH为5．0，而胃液的pH约为1～2，故其作用很弱。因为婴儿胃液的pH值比成人高，约为4．5～5．0，故易将乳汁中的脂肪分解消化。

2．能量的转换

在能量的转换中，酶起专一的催化作用，参与一切生化过程。

（1）酶的作用。酶的基体是蛋白质，但光有基体，还不具备活性。须有活动辅助剂存在或分子结构中有相当于此辅助剂的活性基团才可产生效力。前者称为酶朊，后者称为辅酶。要使酶活化（即发生作用），酶朊必须先和辅酶结合。正像要打开银行保险箱需要两把钥匙一样。被酶作用的物质称为底物。

酶催化作用除了具有极好的专一性外，还有一个显著的优点是速率巨大。据测算，一个β－淀粉酶分子一秒钟能催化断裂直链淀粉中4000个键。这不能单纯用随机碰撞或用钥匙插入锁孔来解释，而要求有某种成分？“钥匙”吸入“锁孔”内，这种成分就是酶、辅酶或底物上的电极性区域特定的离子部位。

（2）最重要的辅酶——三磷酸腺甙（ATP）。1980年日本学者葛西道生在研究生物体运动（包括从肌肉运动到精神活动）中的能量转换问题时指出，所有的细胞都有1～15毫摩尔的ATP。它的特点是随时可发生反应，释出193千焦/摩尔的反应热：

ATP＋H₂══ADP＋H₃PO₄＋193千焦

这个热量就是我们赖以生存的能量。那么ATP又是从何而来的呢？它由葡萄糖那样的高能物质通过能量代谢而制得：在氧存在下，葡萄糖氧化的同时生成ATP；在无氧存在时，葡萄糖能在糖酵解体系中分解生成乳酸的同时生成ATP。反应式为：

C₆H₁₂O₆＋6O₂＋34ADP＋34H₃PO₄══6CO₂＋34ATP＋40H₂O

C₆H₁₂O₆＋2ADP＋2H₃PO₄══2CH₃CHOHCOOH＋2ATP＋H₂O

这类反应大约和70种反应同时进行，但是生成ATP的反应是主要反应（式中ADP为二磷酸腺甙）。食物产生能量的反应可以归结为：

食物＋O₂─→ATP（＋CO₂＋H₂O）─→△H（＋ADP＋H₃PO₄）

式中，△H＝生化合成＋肌肉运动＋热（体温）＋其他能耗。

所以ATP被戏称为生物体内的能量通货，相当于将难以花费的大钞（食物）兑换成常用的硬币（ATP）。有人曾对ATP进行过研究，已测定其pK值、电离度等。在通常的细胞中，由于Mg^2＋浓度较高，所以大都以MgATP^2－或MgATP－的1∶1配合物形式存在。它们的性质均很活泼。ATP端的两个磷酸基和ADP末端的一个磷酸基的链称为酐键，是辅酶最活跃的部位，是“锁孔”吸引“钥匙”的某种活性区域所在。

人体消化液中的这种酶，虽能将食物中的主要成分淀粉水解成为人体能吸收的葡萄糖。但不能催化纤维素水解。牛、羊等吃草动物的消化系统中寄生了某些衍生物，可以分泌出使纤维素水解的酶，这种酶可使纤维素迅速水解转化为葡萄糖。用这种酶催化的专一性理论可以解释人不能靠吃草过活而牛羊可以靠吃草生活的原因。

C．J．斐德逊等人，在酶和底物相互作用（契合）的基础上逐步发展形成了主客体化学和超分子化学因而荣获1987年诺贝尔化学奖。他们制成了冠醚（二苯并18－冠－6）和穴醚（大二环、大三环、大四环）化合物，其特点是可作为Na^＋或K^＋的载休。已用以制成脱盐的海水淡化膜及提取钾的萃取剂，并有可能据此制成模拟细胞膜。

3．人的饥饿和口渴

（1）饥饿。饥饿是指一段禁食期之后对食物的生理欲求，而食欲则是对现存食物的认识反应或习惯反应。摄入食物是为了向体内补充能源，由食欲来自行调节。当胃中有食物时，它会不停地蠕动，而一旦空腹，胃就强烈收缩，伴有不适即饥饿感。对这种作用目前有两种解释：①化学静力学说。认为下丘脑对血液中营养成分如糖、脂肪等特别敏感，一旦浓度下降，下丘脑外侧的进食中枢受到刺激，就发出求食信号；浓度高时，进食中枢抑制，同时下丘脑中下区域的饱感中心受到刺激，发出拒食信号。②化学热学说。认为下丘脑在人体热量调节中起重要作用，当其温度降低时，引起饥饿感。

动物试验表明，用电极刺激下丘脑的上述两个部位，就会作出相应反应；如果进食或饱感中心受到损害，就会不知道饿，甚至饿了也拒食，最终导致饿死；相反，则使食欲不可遏制。此外，血糖值低是饥饿的自然信号，人在清晨空腹时血糖量约为80毫克，感到饿；进食后，血糖值可达140毫克，几小时内都感到饱，并且精力充沛。

（2）口渴。所谓口渴是指有意识地想喝水。这种心理感受在控制体内水分和钠离子浓度上极为重要。它影响体内的水平衡，调节水的摄入。饮水中枢位于下丘脑的视上核前面的视前区两侧。用埋藏电极刺激此中枢，动物在几秘钟内就开始喝水；注入高渗盐水（由于使水分子从神经细胞中渗出，从而造成脱水），可使它们狂饮。

当体液中钠离子浓度比正常值高2毫摩尔/升时，就会刺激饮水中枢，表示口渴。饮水的目的主要是使钠离子浓度恢复常态。深入的研究表明，止渴分暂时止渴和长久止渴两种。前者指胃肠道还未吸收水分前就不渴了，因而不想喝了，一般可维持15分钟；后者则指水进入消化道，胃充盈时的停喝。由于水吸收到组织液中需要半小时以上，如果口渴的感觉不能在喝水后暂时解除，人就会饮入过量水，最终造成营养严重流失。所以暂时止渴有重要生理意义。试验表明，某种物理原因或心理原因也可止渴，例如把一个气球放入胃中并充气，可使人在5～30分钟内消渴。