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《生理学》第七章-能量代谢与体温调节


第七章 能量代谢与体温调节 (Temperature regulation)
能量代谢 动物体温的生理波动 机体的产热和散热过程
体温恒定的调节 外界温度对动物体温的影响

第一节
?

能量代谢

将生物体内物质代谢过程中所伴随着的能量释放、 转移、储存和利用过程,称为能量代谢。
新陈代谢:维持生命各种活动过程中化学变化的总称。 新陈代谢包括: 物质代谢(同化作用,异化作用) 能量代谢(吸热反应,放热反应)

? ? ? ?

一、能量的来源与利用
机体能量的来源是糖、脂肪和蛋白质在体内氧 化分解时释放出来的能量,在一般生理情况下,机 体主要利用糖(70%)和脂肪(30%)供能,少量的能量 依靠蛋白质分解供给。 既然机体消耗的能量都是来源于食物,是否可 以用每天摄取食物中所含的能量来估测机体能量的 消耗率呢





能量代谢的测定

测定整个机体在单位时间内向外界环境发散的 热量来计算能量代谢率的方法,是准确可靠的。 体内物质分解所释放的能量,50%以上迅速转化 为热能,用于维持体温。

其余不到50%的能量转移储存在ATP。机体利用 ATP的能量完成各种生命活动。

(一)直接测热法
将动物置于热量计中,就可收集和直接 测定一定时间内机体散发的总热量,此热量 就是能量代谢率,这种方法称为直接测热法。

Douglas chambre calorimeter

直接测热法图

(二)间接测热法 (indirect calorimetry)
是测定机体在一定时间内的耗氧量和二氧化 碳排出量来计算机体的产热量。 间接测热法比较简便易行,并且准确,是研究 动物营养、环境生理和内分泌的一种实验方法。

间接测热法的原理
依据是化学中的定比定律,即在一般化 学反应中,反应物的量与产物的量之间成一 定的比例关系。
C6H1206 + 602 → 6CO2 + 6H20 + 热量

间 接 测 热 法

(1)食物的热价
每克营养物质完全氧化时所释放的热量,叫做该物 质的热价(caloric value)。

营养物质在体外燃烧时释放的热量称物理热价;在体 内氧化分解到最终产物CO2和H2O时产生的热称生物热价。

V糖(物理)=V糖(生物) V脂肪(物理)=V脂肪(生物) V蛋白质(物理) >V蛋白质(生物)

表 6-1 三种营养物质氧化时的几种数据
产热量(KJ╱g) 营养物质 糖 蛋白质 脂肪 物理热价 17.17 23.45 39.77 生物热价 17.17 18.00 39.77 营养学热价※ 16.75 16.75 37.68 耗氧量
L╱ g

二氧化 氧热价 碳产量
L╱ g KJ╱ LO2

呼吸商
RQ

0.83 0.95 2.03

0.83 0.76 1.43

20.93 18.84 19.68

1.00 0.88 0.71

※营养学上通常采用概数来计算食物的热价

(2)氧热价
某种营养物质氧化时,消耗1升氧所产生的热 量,叫做该物质的氧热价。※ 氧热价在能量代谢测算方面有着重要意义,按 照定比关系,测知了氧热价,即根据机体在一定 时间内的耗氧量,就可以推算出能量消耗率。

(3) 呼吸商 ※
生理学上把机体在单位时间内CO2排出量与耗 氧量的比值称为呼吸商(respiratory quotient , 简称RQ)。 CO2排出量(L) 呼吸商RQ = ─────── 耗O2量(L)

糖的呼吸商为1.0,脂肪为0.71,蛋白质为0.80
? 如果测得的呼吸商接近于1,则体内氧化利 用的主要物质是糖; ? 如果呼吸商接近0.71,则氧化利用的主要物 质是脂肪。 ? 如果测得的呼吸商接近于0.80则氧化利用的 主要物质是

?



表 6-2 非蛋白呼吸商和氧热 价
RQ 占总热量的百分比 (%) 糖类 脂肪 0.00 1.10 4.76 8.40 12.0 15.6 19.2 22.8 26.3 29.9 33.4 36.9 40.3 43.8 47.2 50.7 100.0 98.9 95.2 91.6 88.0 84.4 80.8 77.2 73.7 70.1 66.6 63.1 59.7 56.2 52.8 49.3 氧热价 (KJ╱LO2) RQ 占总热量的百分比 (%) 糖类 脂肪 5.41 57.5 60.8 64.2 67.5 70.8 74.1 77.4 80.7 84.0 87.2 90.4 93.6 96.8 100.0 45.9 42.5 39.2 35.8 32.5 29.2 25.9 22.6 19.3 16.0 12.8 9.58 6.37 3.18 0.00 氧热价 (KL╱LO2)

0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85

19.606 19.623 19.673 19.723 19.778 19.828 19.878 19.933 19.983 20.033 20.087 20.138 20.188 20.242 20.292 20.343

0.86 0.87 0.88 0.89 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00

20.397 20.447 20.497 20.548 20.602 20.652 20.702 20.575 20.808 20.857 20.912 20.962 21.012 21.066 21.117

间接测热法计算步骤:
①测定CO2产生量和耗O2量; ②测定尿氮量; ③计算出NPRQ; ④查出非蛋白食物氧热价; ⑤计算出非蛋白食物的产热量; ⑥计算能量代谢。

?蛋白质的产热量 : 蛋白质平均含氮量为 16%,如有1 克尿氮产生,则有6.25克蛋白质被氧化分解。求出蛋 白质的量乘上蛋白质的生物热价,即得到蛋白质的产 热量。
?计算糖和脂肪的产热量。

?非蛋白呼吸商 : 计算方法是从总耗氧量中减去蛋白 质氧化时的耗氧量,从 CO2 的排出量中减去蛋白质分 解时 CO2 产生量,然后计算的呼吸商即为非蛋白质呼 吸商,具体计算过程如下:

蛋白质耗氧量=
尿氮量×6.25×0.95(每克蛋白质氧化耗氧量)

蛋白质CO2产生量=
尿氮量×6.25×0.76(每克蛋白质氧化CO2产生量)

非蛋白呼吸商=
总CO2产生量 ― 蛋白质CO2产生量 总耗氧量 ― 蛋白质耗氧量

表 6-2 非蛋白呼吸商和氧热
RQ 占总热量的百分比 (%) 糖类 脂肪 0.00 1.10 4.76 8.40 12.0 15.6 19.2 22.8 26.3 29.9 33.4 36.9 40.3 43.8 47.2 50.7 100.0 98.9 95.2 91.6 88.0 84.4 80.8 77.2 73.7 70.1 66.6 63.1 59.7 56.2 52.8 49.3 氧热价 (KJ╱LO2) RQ


氧热价 (KL╱LO2)

占总热量的百分比 (%) 糖类 脂肪 5.41 57.5 60.8 64.2 67.5 70.8 74.1 77.4 80.7 84.0 87.2 90.4 93.6 96.8 100.0 45.9 42.5 39.2 35.8 32.5 29.2 25.9 22.6 19.3 16.0 12.8 9.58 6.37 3.18 0.00

0.70 0.71 0.72 0.73 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85

19.606 19.623 19.673 19.723 19.778 19.828 19.878 19.933 19.983 20.033 20.087 20.138 20.188 20.242 20.292 20.343

0.86 0.87 0.88 0.89 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 1.00

20.397 20.447 20.497 20.548 20.602 20.652 20.702 20.575 20.808 20.857 20.912 20.962 21.012 21.066 21.117

应用呼吸商测算能量代谢时应注意几点:
(1)体内糖、脂肪和蛋白质在代谢时的互相转化可 影响呼吸商数值。

如糖在体内转化为脂肪时,呼吸商变大,甚至超过1.0。 如畜禽育肥时,体内积累脂肪,呼吸商常高于1.0;反 之,如果脂肪转化为糖,呼吸商可能低于0.7。※

(2)反刍动物呼吸商的测定值要校正
?从总产热量中减去发酵产生的热量,即为真正代谢 产热。瘤胃中每产生 1L甲烷,就有 9.42KJ( 2.25kcal ) 热量释放,故测定发酵过程中甲烷产生量,即可算出 发酵产热量。

?从二氧化碳排出总量中减去发酵产生的 CO2量: 根据 体外发酵产生CO2和甲烷的比为2.6:1,测定甲烷产生 量就可计算CO2产生量。

(3)动物剧烈运动或重度使役时可影响呼吸商测定值

强度肌肉收缩活动,氧一时供应不足,糖酵解增多, 将有大量乳酸进入血液,乳酸可和碳酸盐缓冲系统起反 应,产生大量CO2从肺排出,呼吸商变大。※

三、影响能量代谢的几个因素

(一) 食物的特殊动力效应※
(二) 肌肉活动的影响

(三) 神经—内分泌的影响
(四) 环境温度的影响

食物的特殊动力效应※
动物在采食后,虽处在安静状态,而其产热量 却比采食前有明显增加,这种由于摄食使机体产生 “额外热量”的现象,叫做食物的特殊动力效应。
若吃的全是蛋白质食物,则额外产生的热量可 达30%;以糖和脂肪为主,生热可增加4%~6%,一 般混合食物可增加10%左右。

四、基础代谢和静止能量代谢
(一) 基础代谢
人在基础状况下的代谢,称为基础代谢。单位时间 内的基础代谢称为基础代谢率。通常以每小时每平方米 体表面积的产热量(KJ/m2/h)来表示。

规定受试者至少12小时未吃食物,在室温20℃,静 卧休息半小时,保持清醒状态,不进行脑力和体力活动的 条件下测定的代谢率称为基础代谢率。基础代谢率意味着 在单位时间内维持清醒状态,生命活动所需要的最低能量 消耗。

(二) 静止能量代谢
在家畜,用静止能量代谢来代替基础代谢。其 条件是要求动物安静休息(伏卧);早饲前在普通 畜舍或实验室内进行测定;环境温度适中。 静止能量代谢和基础代谢的实际测定结果证明, 差异并不大。

在哺乳动物中,代谢率和体表面积相关。 如以单位体表面积来表示24小时的产热量,每 平方米几乎都在4186.80KJ(1000kcal)左右。 这种基础代谢率和体表面积成正比的关系称为 体表面积定律。

(三) 影响基础代谢的因素 1.个体大小 (袖狗)
2.性别 3.年龄

4.营养状况

第二节

体温及其调节

体温: 机体深部的平均温度。 体温恒定的维持有赖于机体产热和散热过程的平衡。 (1)体表温度: 包括皮肤、皮下组织和肌肉等机体表 层的温度,又称表层温度。 (2)体核温度: 包括心、肺、脑和腹部器官等机体深 部的温度,又称深部温度。 体核温度比体表温度高,且比较稳定.

体温调节

一、动物的体温及其正常变动
(一 ) 体 温

正常新陈代谢要求在一定 的温度条件下进行。哺乳动物 的体温超过 42℃或低于 25℃, 将引起代谢严重障碍甚至死亡。 所以,正常的体温对于生 命活动具有重要意义,也是机 体健康状况的重要指标。

体温调节

二、动物体温的生理波动
家禽的体温比家畜高 幼畜的体温比成年家畜略高 母畜较公畜略高 发情期、妊娠期体温较高,排卵时体温降低 肌肉活动时体温升高 采食后体温升高0.2~1℃,持续2~5h之久 清晨2~6时体温最低,午后1~6时最高

体温调节

三、机体的产热和散热过程
组织器官 脑 内脏 骨骼肌 其他 占体重百分 比(%) 2.5 34.0 56.0 7.5 产热量(%) 安静状态 劳动或运动 16 1 56 8 18 90 10 1

体温调节

机体产热的其它形式:
① 战栗产热(shivering thermogenesis):

骨骼肌同时发生不随意的节律性收缩。屈肌和伸肌同时 收缩,不做外功,但产热量很高。代谢率可增加4-5倍。
② 非战栗产热(non-shivering thermogenesis): 又称代谢产热,指体内发生广泛的 代谢产热增加。以褐色脂肪组织的产热 量最大,约占非战栗产热总量的70%。

体温调节

主要散热途径:
动物的主要散 热部位是皮肤; (75~85%) 其他的散热途径 还有呼吸器官、消化 器官和排尿等。

体温调节

辐射(radiation)散热
体热以红外线的形式传给外界温度较低物体。 传导(conduction)散热 散热方式 机体的热量直接传给同它接触的较冷物体。 对流(convection)散热 与体表接触的气体或液体流动来交换和散发热量。 蒸发(evaporation)散热 体表水分蒸发。



在气温接近或超过体温时,蒸发散热成为唯一有效的散热方式。

体温调节

四、体温恒定的调节
动物机体体温的调节主要有两种形式:
自主调节—— 下丘脑的体温调节中枢通过对产热和 散热的调节而使体温维持恒定。 行为调节—— 指动物通过自身行为的改变以控制散 热和产热的程度,维持体温的恒定。

出汗对调节散热有明显的畜种差异:
?马属动物:能大量出汗; ?牛”有中等程度的出汗能力; ?绵羊:可发汗,但热喘呼吸是主要散热方式; ?狗:几乎全部依靠热喘呼吸散热; ?啮齿动物:即不热喘呼吸也不发汗, 它们向毛 上吐抹唾液或水来蒸发散热。

热喘呼吸是炎热条件下增加蒸发散热的 一种形式,即呼吸频率升高到200~400次的 张口呼吸,呼吸深度减小,因而潮气量减少, 气体在无效腔中快速流动,唾液分泌有明显 增加,所以热喘呼吸时,不会发生通气过度 和呼吸性碱中毒。

体温调节

1、温度感受器:
① 外周温度感受器 冷感受器 热感受器 广泛分布于皮肤、粘膜和内脏。 ② 中枢温度感受器 热敏神经元(warm-sensitive neuron)

冷敏神经元(cold-sensitive neuron) 脊髓、延髓、脑干网状结构等处。

体温调节

2、体温调节中枢:
体温调节的基本 中枢位于下丘脑。
视前区-下丘脑前 部 (preoptic-anterior hypothalamus area, PO/AH) 是 体 温 调 节 中枢的关键部位。※

体温调节

3、信号传出途径与效应器:
1.植物性神经系统 主要通过对血管、呼吸、皮肤、汗腺和代谢的影响。 2.躯体神经系统 主要控制骨骼肌的紧张性和运动。 3.内分泌系统 通过分泌甲状腺激素和肾上腺皮质激素等。

产热活动的调节
⑵ 长期在寒冷环境中
⑴寒冷刺激时 ↓ 交感-肾上腺髓质 ↓ NE、E↑ ↓ 产热量↑ 特点: ? 作用迅速↑ ? 维持时间短。
↓ 甲状腺 ↓ T3 、T4 ↑ ↓ 代谢率↑(增加4~5倍) ↓ 产热量↑ 特点: ?作用缓慢 ?维持时间长。

体温调节

体温调定点学说:
在 PO/AH 区 中 有 一 个控制体温的调定点,而 PO/AH 区 的 温 度 敏 感 神 经元可能起调定点的结构 基础。hypothalamic 当体温处于调定点时,机体的产热和散热过程处于平 衡状态,体温维持在调定点设定的水平。

体温调节

五、外界温度对动物体温的影响
等热范围或代谢稳定区 家畜的耐热与抗寒
家畜对高温与低温的适应

体温调节

(一)等热范围或代谢稳定区:

体 热 产 生

体 温 降 低 低

物理性调节
化学性调节 等热范围
体 温 升 高 高

正常体温 环境温度

适当的环境温 度,就可以使 动物的代谢强 度和产热量保 持在生理的最 低水平,这种 温度称为动物 的等热范围或 代谢稳定区。

体温调节

(二)家畜的耐热与抗寒:
各种动物对炎热和寒冷的耐受能力不同;
骆驼(体表的蒸发散热和体温升高) 绵羊(喘息) 马(出汗散热) 牛(水浴)

猪的耐热能力较弱,尤其是仔猪更弱。 家畜的抗寒能力一般较强。

体温调节

(三)家畜对高温与低温的适应:
1.习服(acclimation) 动物短期(通常数月)生活在超常环境温 度(寒冷或炎热)中所发生的适应性反应。 2.风土驯化(accilimatization) 随着季节性变化机体发生的对环境温 度的适应。表现为被毛厚度和血管收缩性 发生变化等,以增强机体对外界温度变化 的适应能力。

体温调节

3.气候适应(climatic adaptation) 经过几代自然选择和人工选 择,动物的遗传特性发生变化, 不仅本身对当地的温度环境表现 良好的适应能力,而且能传给后 代。

1.为什么发热病人常伴有寒战反应?
某些疾病引起发热时,由于细菌生长和组织破坏 所产生的致热原,可以使视前区-下丘脑前部与调定点 有关的热敏神经元的阈值升高,使调定点上移,而机体 的温度通常需要一段时间才能达到调定点水平,在此之 间体温低于调定点温度。 由于调定点上移,下丘脑后部产热中枢兴奋加强, 骨骼肌出现不随意收缩,并伴有寒冷感觉称为寒战。寒 战开始后,产热过程明显加强,加上散热减弱,体温逐 渐上升,直到体温升高到新的调定点水平后,产热和散 热出现新的平衡,寒战终止。

2.试述人体体温相对恒定的原理?

①体温相对恒定有赖于体内产热与散热过程的动态平衡; ②产热主要来自体内食物分解代谢; ③散热方式有四种,辐射、传导和对流是物理性散热方式, 安静状态下以辐射散热为主,当环境温度等于或超过皮 肤温度时,则蒸发成为唯一散热途径; ④体温调节是反射活动。感受器分为外周温度感受器和中 枢温度感受器,当环境温度改变后通过感受器,将信息 传入体温中枢(下丘脑),然后通过传出神经作用于产热 和散热系统,使体温适应温度变化而恒定; ⑤人类还存在有行为性调节来保持体温恒定。

1、机体单位时间内的基础代谢率() A. 与身长成正比;B.与体重成正比;C.与体表面积 成正比 D.与身长和体重的乘积成正比;E.与上述诸 因素都无关 2 3

、对能量代谢率影响最为显著的因素是()。
A.寒冷;B.高温;C.精神活动;D.肌肉运动;E.进食

、食物的氧热价是指()
A.1 克食物氧化时所释放的能量;B. 1 克食物燃烧 时所释放的能量 C. 食物氧化消耗1升氧时所释放的 能量;D. 氧化1克食物消耗1升氧时所释放的能量; E. 以上都不是


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