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    熱力學(xué)第一定律

　　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(dòng)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(jī)體的能量代謝也遵循這一規(guī)律，即在整個(gè)能量轉(zhuǎn)化過程中，機(jī)體所利用的蘊(yùn)藏于食物中的化學(xué)能與更終轉(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(cè)定在一定時(shí)間內(nèi)機(jī)體所消耗的食物，或者測(cè)定機(jī)體所產(chǎn)生的熱量與所做的外功，都可測(cè)算出整個(gè)機(jī)體的能量代謝率

（單位時(shí)間內(nèi)所消耗的能量）。

　　測(cè)定整個(gè)機(jī)體單位時(shí)間內(nèi)發(fā)散的總熱量，通常有兩類方法：直接測(cè)熱法和間接測(cè)熱法。

　　直接測(cè)熱法

　　直接測(cè)熱法

（directcalormetry）是測(cè)定整個(gè)機(jī)體在單位時(shí)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(cè)定時(shí)間內(nèi)做一定的外功，應(yīng)將外功

（機(jī)械功）折算為熱量一并計(jì)入。它是由隔熱密封的房間，其中設(shè)一個(gè)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(jī)體所散發(fā)的大部分熱量便被居室內(nèi)管道中流動(dòng)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(cè)出水所吸收的熱量。當(dāng)然，受試者發(fā)散的熱量有一部分包含在不感蒸發(fā)量中，這在計(jì)算時(shí)也要加進(jìn)去。受試者呼吸的空氣由進(jìn)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CO2。管道系統(tǒng)中空氣中的O2則由氧氣筒定時(shí)補(bǔ)給。

　　直接測(cè)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(cè)熱法。

　　間接測(cè)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1mol葡萄糖，需要6mol氧，同時(shí)產(chǎn)生6molCO2和6molH2O，并釋放一定量的能。下列反應(yīng)式表明了這種關(guān)系：

　　C6H12O6 602→6CO2 6H20 △H

　　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1mol葡萄糖，同在體外氧化燃燒1mol葡萄糖一樣，都要消耗6molCO2和6molH20，而且產(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(yíng)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(cè)熱法的重要依據(jù)。

　　間接測(cè)熱法

（indirectcalorimetry）的基本原理就是利用這種定比關(guān)系，查出一定時(shí)間內(nèi)整個(gè)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(jì)算出該段時(shí)間內(nèi)整個(gè)機(jī)體所釋放出來的熱量。因此，必須解決兩個(gè)問題：一是每種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化分解時(shí)產(chǎn)生的能量有多少

（即食物的熱價(jià)）；二要分清三種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)各氧化了多少。

　　食物的熱價(jià)應(yīng)用彈式熱量計(jì)，在體外測(cè)定了一定量的的糖、脂肪和蛋白質(zhì)燃燒時(shí)所釋放的熱量，并同這三水生物的新陳代謝類物質(zhì)在動(dòng)物體內(nèi)氧化到更終產(chǎn)物C02和水時(shí)所產(chǎn)生的熱量相比較，證明了糖和脂肪在體外燃燒與在體內(nèi)氧化分解所產(chǎn)生的熱量是相等的。于是將1g食物氧化

（或在體外燃燒）時(shí)所釋放出來的能量稱為食物的熱價(jià)

（thermalequivalentoffood）。食物的熱價(jià)分為物理熱價(jià)和生物熱價(jià)。前者指食物在體外燃燒時(shí)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(jià)和生物熱價(jià)是相等的，而蛋白質(zhì)的生物熱價(jià)則小于它的物理熱價(jià)。因?yàn)榈鞍踪|(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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在物理熱價(jià)和生物熱價(jià)。

　　呼吸商機(jī)體依靠呼吸功能從外界攝取氧，以供各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化分解的需要，同時(shí)也將代謝終生物CO2呼出體外，一定時(shí)間內(nèi)機(jī)體的CO2產(chǎn)量與耗氧量的比值稱為呼吸商

（respiratoryquotientRQ）。各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)氧化供能屬于細(xì)胞呼吸過程，因而雙將各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氧化時(shí)的CO2產(chǎn)量與耗氧量的比值稱為某物質(zhì)的呼吸商。嚴(yán)格說來，應(yīng)該以CO2和O2的克分子

（mol）比值來表示呼吸商。但是，因?yàn)樵谕�一溫度和氣壓條件下，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(jì)算CO2與O2的比值，即：糖、脂肪和蛋白質(zhì)氧化時(shí)，它們的CO2產(chǎn)量與耗氧量各不相同，三者的呼吸商也不一樣。

　　因?yàn)楦鞣N營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)無論在體內(nèi)或體外氧化，它們的耗氧量與CO2產(chǎn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的呼吸商都可以根據(jù)它的氧化成終產(chǎn)物

（CO2和H20）化學(xué)反應(yīng)式計(jì)算出來的。

　　糖的一般分子式為

（CH20）n，氧化時(shí)消耗的02和產(chǎn)生的C02分子數(shù)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，C02產(chǎn)量與耗氧量均為6mol故：脂肪氧化時(shí)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(yuǎn)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：RQ＝57molC02/80mol02＝0.71

　　蛋白質(zhì)的呼吸商較難測(cè)算，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)在體內(nèi)不能完全氧化，而且它氧化分解途徑的細(xì)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(shí)勢(shì)需氧量和C02產(chǎn)量，間接算出蛋白質(zhì)的呼吸商，其計(jì)算值為0.80。

　　在人的日常生活中，營(yíng)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(dòng)于0.71-1.00之間。人體在特定時(shí)間內(nèi)的呼吸產(chǎn)要看哪種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是當(dāng)時(shí)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(zhǎng)期病理性饑餓情況下，能源主要來自機(jī)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(shí)，呼吸商常在0.85左右。

　　影響呼吸商的其他因素

　　影響呼吸商的其它因素：機(jī)體的組織、細(xì)胞不僅能同時(shí)氧化分解各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而且也使一種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。糖的轉(zhuǎn)化為脂肪時(shí)，呼吸商可能變大，甚至超過1.00。這是由于當(dāng)一部分糖轉(zhuǎn)化為脂肪時(shí)，原來糖分子中的氧即有剩余，這些氧可能參加機(jī)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(dāng)轉(zhuǎn)化為糖時(shí)，需要更多的氧進(jìn)入分子結(jié)構(gòu)，因而機(jī)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(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氧供不應(yīng)求，糖酵解增多，將有大量乳酸進(jìn)入血液。乳酸和碳酸鹽作用的結(jié)果，會(huì)有大量由肺肺排出，此時(shí)呼吸商將變大。又如，肺過度通氣、酸中毒等情況下，機(jī)體中與生物氧化無關(guān)的CO2大量排出，也可現(xiàn)呼吸大于1.00的情況。相反，肺通氣不足、堿中毒等情況下，呼吸商將降低。

　　應(yīng)該測(cè)出在一定時(shí)間內(nèi)機(jī)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CO2從機(jī)體在該時(shí)間內(nèi)的總耗氧量和總CO2產(chǎn)量中減去，算出糖和脂肪氧化

（非蛋白質(zhì)代謝）的CO2產(chǎn)量和耗氧量的比值，即非蛋白呼吸商

（non-proteinrespiratoryquotient,NPRQ），然后才有可能進(jìn)一步查清糖和脂肪各氧化了多少克。

　　尿氮測(cè)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%，O223%，N16%，S1%。蛋白質(zhì)中16%的N是完全隨尿排出的。所以，1g尿氮相當(dāng)于氧分解6.25g蛋白質(zhì)，測(cè)得的尿氮重量

（g）乘以6.25，便相當(dāng)于體內(nèi)氧分解的蛋白質(zhì)量。

　　間接測(cè)熱法計(jì)算原則實(shí)驗(yàn)測(cè)得的機(jī)體24小時(shí)內(nèi)的耗氧量和CO2產(chǎn)量以及尿氮量，。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)量算出其產(chǎn)熱量、耗氧量和CO2產(chǎn)量；其次從總耗氧量和總CO2產(chǎn)量中減去蛋白質(zhì)耗氧量和CO2產(chǎn)量，計(jì)算出非蛋白呼吸商。根據(jù)非蛋白呼吸商查表7-2的相應(yīng)的非蛋白呼吸商的氧熱價(jià)，計(jì)算出非蛋白代謝的產(chǎn)熱量；更后，24小時(shí)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�！　� 

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