人体功能与代谢

一、人体功能与环境的联系——新陈代谢

（一）新陈代谢

人体的组成元素多达几十种，其中C、H、O、N（碳、氢、氧、氮）四种元素含量最多。组成人体的元素以无机化合物（包括水和无机盐）和有机化合物（主要是糖类、脂类、蛋白质和核酸等生物大分子）两种形式存在，其中蛋白质和核酸为人体内最重要的物质，它们是生命现象的物质基础。人体在生活过程中，一方面不断地破坏自身已衰老的结构，分解旧的物质，释放能量，供机体生命活动的需要，并把分解产物排出体外，即异化作用；另一方面，人体又不断的从外界环境摄取营养物质，重建新的结构，合成新的物质，贮存能量，即同化作用。机体在与周围环境进行物质交换和能量转换基础上的自我更新过程，称为新陈代谢。新陈代谢是人体与外环境最基本的联系，也是生命现象最基本的特征.在新陈代谢的基础上，人体才具有对环境的一定变化作出反应的能力（即兴奋性），人体才能在生长发育到一定阶段后具有复制新个体的能力（即生殖功能）。新陈代谢伴随人体生命现象的始终，如果新陈代谢停止，那么生命也就终止了。

（二）内环境因素

1.内环境的概念 细胞是人体结构和功能的基本单位。人体绝大部分细胞并不与外环境直接接触，而是生活在体内的液体环境之中。人体内的水分及其中溶解的物质统称为体液，约占成人体重的60%；其中2／3存在于细胞内称为细胞内液，约1／3分布于细胞外，包括血浆、组织液、淋巴液、脑脊液等，称为细胞外液。在细胞内液和细胞外液之间隔有细胞膜，在组织液和血浆之间隔有毛细血管壁。由于细胞膜和毛细血管壁都属于生物半透膜，具有一定的通透性，因而各部分体液既彼此隔开，又互相沟通。组织液直接浸浴全身组织细胞，供给细胞以氧和营养物质，并接纳细胞代谢产物。血浆在心血管系统内循环流动，一方面与组织液进行物质交换；另一方面又通过肺、肾、消化器官等与外环境沟通，摄取氧和营养物质，排出代谢产物。所以，组织液、血浆等细胞外液是细胞直接生活的场所，特称其为机体内环境，以区别于机体所生存的外环境。

2.内环境稳态 在正常情况下，细胞外液的化学成分和理化特性，经常随着细胞代谢水平的高低和外环境的影响而处于变动之中，但是由于在神经、体液调节下各器官、系统协同作用的结果，使其变动幅度很小，细胞外液化学成分和理化特性保持相对稳定的状态，称为稳态。稳态是细胞进行正常生命活动的必要条件，稳态一旦遭到破坏，机体某些功能将会出现紊乱，甚至引起疾病。

（三）外环境因素

1.外环境的概念 对人类而言，外环境包括自然环境和社会环境。自然环境是指存在于自然界中的各种因素。如空气、阳光、水、土壤、动物、植物等的总和，它是人类赖以生存和发展的物质基础。社会环境是指人与自然之间、人与人之间双重关系的复合体。人既生活在自然环境中，又生活在社会环境中；既是生物躯体，又有精神世界；既是个体，又是群体中的一员。人不仅有衣食住行方面的基本生理需求，更具有被尊重、实现自我价值等精神方面的高层次需求。所以，社会心理因素对人体生命活动有很大的影响。

2.机体对外环境的适应 人体能随着环境条件的变化，不断地调整各个部分的生理功能和心理活动，使其与环境保持协调平衡。人体按外环境的变化调整自身生理功能和心理活动的过程称为适应。例如，人从明亮处突然进入暗处，起初一无所见，随着眼对光的敏感性提高，逐渐恢复了暗视觉，这就是眼的暗适应过程。

（四）生物节律

机体在维持内环境稳态和对外环境适应的过程中，各种功能活动常按一定的时间顺序发生周而复始的节律性变化，称为生物节律。有按年、按月、按周变化的低频节律，如育龄妇女的月经周期，又称为月周期。有按日变化的中频节律，如体温、血压、血细胞数、糖皮质激素、代谢水平等均呈昼夜节律变动，又称日周期。还有节律周期短于1天的高频节律，如呼吸周期、心动周期等。生物节律的构成包括两个方面：一是机体本身具有的内在节律；二是受自然环境变化的影响，生物节律与环境同步。据研究，下丘脑存在有控制生物节律的中心。

二、能量代谢

新陈代谢是机体生命活动的基本特征。新陈代谢包括物质代谢与相伴的能量代谢，简称代谢。

糖、脂肪、蛋白质三种营养物质，经消化转变成可吸收的小分子营养物质而被吸收入血。在细胞中，这些营养物质经过同化作用（合成代谢），构筑机体的组成成分或更新衰老的组织；同时经过异化作用（分解代谢）分解为代谢产物。合成代谢和分解代谢是物质代谢过程中互相联系的，不可分割的两个侧面。

在分解代谢过程中，营养物质蕴藏的化学能便释放出来。这些化学能经过转化，便成了机体各种生命活动的能源，所以说分解代谢是放能反应。而在合成代谢过程中，需要供给能量，因此是吸能反应。可见，在物质代谢过程中，物质的变化与能量的代谢是紧密联系的。生物体内物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移和利用等，称为能量代谢（energ，metabolism）。

机体所需的能量来源于食物中的糖、脂肪和蛋白质，这些能源物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成CO2和H2O，同时释放出蕴藏的能。这些能量的50%以上迅速转化为热能，用于维持体温，并向体外散发，其余不足50%则以高能磷酸键的形式储存于体内，供机体利用。体内最主要的高能磷酸键化学物是三磷腺苷（ATP）。此外，还可有高能硫酯键等。机体利用ATP合成各种细胞组成成分，各种生物活性物质和其他一些物质；细胞利用ATP去进行各种离子和其他一些物质的主动转运，维持细胞膜两侧离子浓度差所形成的势能，肌肉还可利用ATP所载荷的自由能进行收缩和舒张，完成多种机械功。总的看来，除骨骼肌运动时所完成的机械功（外功）以外，其余的能量最后都转变为热能。例如心肌收缩所产生的势能（动脉血压）与动能（血液流速），均于血液在血管内流动过程中，因克服血流内、外所产生的阻力而转化为热能，在人体内，热能是最“低级”形式的能，热能不能转化为其他形式的能，不能用来作功。

本节主要阐述整个机体的能量代谢测定的原理与方法，基础代谢以及机体在某些状态下的代谢等问题，不涉及能量代谢的各个方面。

通用的法定计量的热量单位为焦耳（J）。过去热量单位是卡或千卡，1卡＝4.187焦耳，1千卡＝4.187千焦耳。1焦耳／秒为1瓦特（W）。

（一）能量代谢测定的原理和方法

热力学第一定律指出：能量由一种形式转化为另一种形式的过程中，既不能增加，也不减少。这是所有形式的能量（动能、热能、电能及化学能）互相转化的一般规律，也就是能量守恒定律。机体的能量代谢也遵循这一规律，即在整个能量转化过程中。机体所利用的蕴藏于食物中的化学能与最终转化成的热能和所做的外功，按能量来折算是完全相等的。因此，测定在一定的时间内机体所消耗的食物，或者测定机体所产生的热量与所做的外功，都可测算出整个机体的能量代谢率（单位时间内所消耗的能量。）

测定整个机体在单位时间内发散的总热量，通常有2种方法；直接测热法和间接测热法。

1.直接测热法 直接测热法（direct calorimetry）是测定整个机体在单位时间内向外界环境发散的总热量。此总热量就是能量代谢率。如果在测定时间内做一定的外功，应将外功（机械功）折算为热量一并计入。20世纪初Atwater-benedict设计的呼吸热量计的结构模式是由隔热壁密封的房间，其中设一个铜制的受试者居室。用调节温度的装置控制隔热壁与居室之间空气的温度，使之与居室内的温度相等，以防居室内的热量因传导而丧失。这样，受试者机体所散发的大部分热量便被居室内管道中流动的水所吸收。根据流过管道的水量和温度差，将水的比热考虑在内，就可测出水所吸收的热量。当然，受试者发散的热量有一部分包含在不感蒸发量中，这在计算时也要加进去。受试者呼吸的空气由进出居室的气泵管道系统来供给。此系统中装有硫酸和钠石灰，用来吸收水蒸气和CO2。管道系统中空气中的O2则由氧气筒定时补给。

直接测热法的设备复杂，操作繁琐，使用不便，因而极少应用。一般都采用间接测热法。

2.间接测热法 在一般化学反应中，反应物的量与产物量之间呈一定的比例关系，这就是定比定律。例如，氧化1mol葡萄糖，需要6mol氧，同时产生6molCO2和6molH2O，并释放一定量的能。下列反应式表明了这种关系：

C6H12O6＋6O2→6CO2＋6H2O

同一种化学反应，不论经过什么样的中间步骤，也不论反应条件差异多大，这种定比关系仍然不变。例如，在人体内氧化1mol葡萄糖，同在体外氧化燃烧1mol葡萄糖一样，都要消耗6mol氧，同时都产生6molCO2和6molH2O，而且产生的热量也相等。一般化学反应的这种基本规律也见于人体内营养物质氧化供能的反应，所以它成了能量代谢间接测热法的重要依据。

要测食物的热价：将1g食物氧化（或在体外燃烧）时所释放出来的能量称为食物的热价。还要测食物的氧热价：将某种营养物质氧化时，消耗1L氧所产生的热量称为该物质的氧热价。最后要测呼吸商：一定时间内机体的CO2产量与耗氧量的比值称为呼吸商（CO2／O2）。还要做尿氮测定，因尿中的含氮物质主要是蛋白质的分解产物。因此可以通过尿氮来估算体内被氧化的蛋白质的数量。

（二）基础代谢

1.概念 机体在基础状态下的能量代谢称为基础代谢。单位时间内的基础代谢称为基础代谢率。

基础状态包括①清晨、清醒、静卧；②空腹（禁食12小时以上）；③室温在18～25℃；④精神安定的条件下。

基础状态下各种生理活动都比较稳定，因而代谢率也比较稳定，但它不是机体最低水平的能量代谢率，熟睡时还要再低8%～10%。

2.测算 基础代谢率按上述简化法测算。首先测出受检者1小时的耗氧量（通常测出6分钟的耗氧量乘以10），算出1小时产热量，即耗氧量（L）乘以氧热价（20.195kJ或4.825kcal）。再用此数值除以受检者的体表面积（m2），即得到基础代谢率（kJ／m2·h或kcal／m2·h）。

基础代谢率因年龄、性别而有所差异。在相同条件下，男性略高于女性，儿童和少年略高于成人，成人随年龄增长而逐渐下降。

临床上常用基础代谢率的相对值来表示，其计算公式如下：

基础代谢率＝

正常人的基础代谢率比较恒定，相对值变动在±15%以内属正常。甲状腺功能低下时，基础代谢率将比正常值低20%～40%；甲状腺功能亢进时，基础代谢率将比正常值高出25%～80%。因此测定基础代谢率常作临床诊断甲状腺疾病的辅助手段。