生活中的能量及其來源

生活能量包括維持人體生化反應(yīng)所需的化學(xué)能，保證這些反應(yīng)正常進(jìn)行的環(huán)境所需的熱能（體溫），以及日?；顒?dòng)所消耗的能量等，這些能量都靠食物供給。

一、日常活動(dòng)的能量消耗

1．基礎(chǔ)代謝率

人體空腹靜臥于18℃～25℃環(huán)境中，維持體溫和器官最基本生命活動(dòng)所需的能量稱為基礎(chǔ)代謝能量。每千克體重每小時(shí)所耗的能量稱為基礎(chǔ)代謝率（BMR）。相當(dāng)于人絕對(duì)休息時(shí)的能耗，正常成年人的相應(yīng)功率為67焦/秒～87焦/秒。

2．一些主要活動(dòng)的能量消耗

開展一般活動(dòng)的成年人，每天約消耗1萬千焦能量。對(duì)學(xué)生而言，一個(gè)50千克體重的男生，平均每天能量消耗大約為12600千焦（按1千卡＝4．184千焦，大約為3000千卡）能量。一個(gè)40千克體重的女生，平均每日能量消耗大約為8820千焦（2100千卡）。

國(guó)際衛(wèi)生組織規(guī)定人均日攝取熱量達(dá)到1萬千焦（合約2400千卡），就算達(dá)到了溫飽線。美、俄、法、加、澳為1．4萬千焦～1．5萬千焦，日本為1．2萬千焦。我國(guó)于1982年第二次營(yíng)養(yǎng)調(diào)查結(jié)果顯示，全國(guó)男女老少平均日攝入熱量為1．04萬千焦，表明我國(guó)人民的溫飽問題早已基本解決。

二、能量的來源

人體能量來源于食物。食物通常包括主食、維生素和無機(jī)物質(zhì)（特別是微量元素）三種成分。其中食物主體指糖、蛋白質(zhì)和脂肪，是它們提供人體正常能量需求。維生素及微量元素則在能量的轉(zhuǎn)換和保證機(jī)體的正常運(yùn)行中發(fā)揮獨(dú)特作用。

1．主食

糖、蛋白質(zhì)和脂肪都屬于碳水化合物。這些碳水化合物被氧氣氧化成二氧化碳和水，同時(shí)放出大量的熱。我們平時(shí)講的“消化”，實(shí)質(zhì)上就是這種氧化。由于每種成分作用不同，因而食物需要保證適當(dāng)?shù)呐浔取０瓷鲜鰷仫査降娜諗z取能量要求，一個(gè)成年人每天需要攝取：

（1）糖，300～400克。1克糖約提供17千焦能量，300～400克糖理論上可提供5100～6800千焦能量，即可滿足人體需要。其中1/3為食糖，2/3為淀粉，占總能量的35%～45%。

（2）蛋白質(zhì)，80～120克。1克蛋白質(zhì)也大約可提供17千焦能量，每天攝入46～56克蛋白質(zhì)（相當(dāng)于310克瘦肉或3個(gè)雞蛋）就可達(dá)到要求。但考慮到實(shí)際吸收效率，一般每天應(yīng)供給80～120克蛋白質(zhì)，放出1360～2040千焦能量，相當(dāng)于飲食總熱量的10%～15%。

（3）脂肪，100～150克。每克脂肪可提供37千焦能量，每天攝取100～150克脂肪，可放出3700～5550千焦，占總能量的35%～50%。由于脂肪的攝入量與心臟病有關(guān)，故有人建議應(yīng)將其降至30%～35%。

2．微量成分

維生素和微量元素被稱為生物催化劑，起促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)、轉(zhuǎn)換能量及維持各種代謝的重要作用。

（1）維生素。20世紀(jì)初就認(rèn)識(shí)到吃蔬菜、水果不僅是為了調(diào)味，而且是為了吸取維生素。1907年維丹斯（德，1928年諾貝爾獎(jiǎng)得主）在研究膽固醇過程中合成了維D3，從而開創(chuàng)了維生素研究的新紀(jì)元。維生素在機(jī)體內(nèi)的作用與酶有密切關(guān)系，缺乏某種維生素會(huì)引起特定的疾病。例如，缺維生素A會(huì)導(dǎo)致夜盲癥；缺維生素D會(huì)生佝僂?。蝗本S生素E導(dǎo)致不孕；缺維生素B、C會(huì)貧血等。

（2）微量元素。通常指鐵、鋅、銅、錳、鉻、鈷、鉬、釩、硒、氟、硼、碘等元素，是動(dòng)植物生命體系的營(yíng)養(yǎng)元素或必需元素，它們都有重要的生理功能。例如，人們?cè)缇椭廊辫F會(huì)導(dǎo)致耳聾，缺碘會(huì)導(dǎo)致甲狀腺腫。近來報(bào)道長(zhǎng)期飲用含鎘量較高的水會(huì)“只生女，不生男”，即影響到染色體的活動(dòng)能力。

三、能量的轉(zhuǎn)換和利用

食物主體和微量成分雖可提供能量，但它們本身還不是能量，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換而加以利用。

1．消化和吸收

從化學(xué)觀點(diǎn)看，消化作用是指被攝入的食物通過水解得到斷裂產(chǎn)物，進(jìn)而通過腸壁吸收到體液中并參與新陳代謝的過程。這些水解反應(yīng)需要酶催化，每種水解反應(yīng)都有特定的酶作催化劑。糖、蛋白質(zhì)和脂肪的水解分別產(chǎn)生單糖、氨基酸和脂肪酸，進(jìn)而在酶的催化下氧化（或稱燃燒）釋放出熱量。

（1）糖。糖是快速能源。唾液中的淀粉酶作用于淀粉或糖元，產(chǎn)生二糖（如麥芽糖），這是消化作用的第一步。進(jìn)入胃后，食物被胰臟分泌的酶作用，使糖繼續(xù)水解成麥芽糖，再水解成葡萄糖，最后形成一些單糖的混合物。然后這些單糖被吸收進(jìn)入血液，成為血糖，其濃度受激素胰島素的調(diào)節(jié)和控制。如果血糖含量過高，單糖將在肝中轉(zhuǎn)化為多糖糖元，成為肝糖，在人肝中約為6%。如果血糖含量太低，則肝中貯藏的糖元被水解，從而提高血糖水平。在酶催化下，被吸收后轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的單糖（如葡萄糖）才被“氧化”（燃燒），提供人體所需要的能量。葡萄糖氧化的反應(yīng)式為：

（2）蛋白質(zhì)。在胃蛋白酶的作用下，蛋白質(zhì)的水解從胃中開始，并且延續(xù)到小腸中。食物蛋白質(zhì)在胃酸的協(xié)助下，由胃蛋白酶分解為朊及胨。食物在胃內(nèi)的滯留時(shí)間，隨蛋白質(zhì)的質(zhì)地而異。肉的蛋白質(zhì)含量高，停留3～4小時(shí)，此時(shí)胃液酸性強(qiáng)；蔬菜和水果的蛋白質(zhì)含量低，停留1．5～2小時(shí)，胃液酸度亦低。吃肉不容易肚子餓，就是這個(gè)原因。

經(jīng)胃加工后出來的蛋白質(zhì)，經(jīng)多種蛋白酶的作用最后分解為氨基酸，通過腸壁吸收。

（3）脂肪。與糖和蛋白質(zhì)不同，脂肪的消化主要在腸道中進(jìn)行。幫助脂肪水解的酶是水溶性的，然而脂肪又不溶于水，這個(gè)矛盾怎么解決呢？靠肝臟分泌的膽鹽使油乳化生成的小油珠，為酶提供了化學(xué)反應(yīng)的表面，其作用很像洗滌劑分子。主要的膽鹽（如甘氨膽酸鈉）就具有親油、親水的雙親結(jié)構(gòu)。

唾液中不含脂肪分解酶，所以此時(shí)脂肪不被水解。進(jìn)入胃后，在胃液中脂肪分解酶的作用下，一部分脂肪分解為甘油與脂肪酸。但該酶的最適宜pH為5．0，而胃液的pH約為1～2，故其作用很弱。因?yàn)閶雰何敢旱膒H值比成人高，約為4．5～5．0，故易將乳汁中的脂肪分解消化。

2．能量的轉(zhuǎn)換

在能量的轉(zhuǎn)換中，酶起專一的催化作用，參與一切生化過程。

（1）酶的作用。酶的基體是蛋白質(zhì)，但光有基體，還不具備活性。須有活動(dòng)輔助劑存在或分子結(jié)構(gòu)中有相當(dāng)于此輔助劑的活性基團(tuán)才可產(chǎn)生效力。前者稱為酶朊，后者稱為輔酶。要使酶活化（即發(fā)生作用），酶朊必須先和輔酶結(jié)合。正像要打開銀行保險(xiǎn)箱需要兩把鑰匙一樣。被酶作用的物質(zhì)稱為底物。

酶催化作用除了具有極好的專一性外，還有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是速率巨大。據(jù)測(cè)算，一個(gè)β－淀粉酶分子一秒鐘能催化斷裂直鏈淀粉中4000個(gè)鍵。這不能單純用隨機(jī)碰撞或用鑰匙插入鎖孔來解釋，而要求有某種成分？“鑰匙”吸入“鎖孔”內(nèi)，這種成分就是酶、輔酶或底物上的電極性區(qū)域特定的離子部位。

（2）最重要的輔酶——三磷酸腺甙（ATP）。1980年日本學(xué)者葛西道生在研究生物體運(yùn)動(dòng)（包括從肌肉運(yùn)動(dòng)到精神活動(dòng)）中的能量轉(zhuǎn)換問題時(shí)指出，所有的細(xì)胞都有1～15毫摩爾的ATP。它的特點(diǎn)是隨時(shí)可發(fā)生反應(yīng)，釋出193千焦/摩爾的反應(yīng)熱：

ATP＋H₂══ADP＋H₃PO₄＋193千焦

這個(gè)熱量就是我們賴以生存的能量。那么ATP又是從何而來的呢？它由葡萄糖那樣的高能物質(zhì)通過能量代謝而制得：在氧存在下，葡萄糖氧化的同時(shí)生成ATP；在無氧存在時(shí)，葡萄糖能在糖酵解體系中分解生成乳酸的同時(shí)生成ATP。反應(yīng)式為：

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

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

這類反應(yīng)大約和70種反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，但是生成ATP的反應(yīng)是主要反應(yīng)（式中ADP為二磷酸腺甙）。食物產(chǎn)生能量的反應(yīng)可以歸結(jié)為：

食物＋O₂─→ATP（＋CO₂＋H₂O）─→△H（＋ADP＋H₃PO₄）

式中，△H＝生化合成＋肌肉運(yùn)動(dòng)＋熱（體溫）＋其他能耗。

所以ATP被戲稱為生物體內(nèi)的能量通貨，相當(dāng)于將難以花費(fèi)的大鈔（食物）兌換成常用的硬幣（ATP）。有人曾對(duì)ATP進(jìn)行過研究，已測(cè)定其pK值、電離度等。在通常的細(xì)胞中，由于Mg^2＋濃度較高，所以大都以MgATP^2－或MgATP－的1∶1配合物形式存在。它們的性質(zhì)均很活潑。ATP端的兩個(gè)磷酸基和ADP末端的一個(gè)磷酸基的鏈稱為酐鍵，是輔酶最活躍的部位，是“鎖孔”吸引“鑰匙”的某種活性區(qū)域所在。

人體消化液中的這種酶，雖能將食物中的主要成分淀粉水解成為人體能吸收的葡萄糖。但不能催化纖維素水解。牛、羊等吃草動(dòng)物的消化系統(tǒng)中寄生了某些衍生物，可以分泌出使纖維素水解的酶，這種酶可使纖維素迅速水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖。用這種酶催化的專一性理論可以解釋人不能靠吃草過活而牛羊可以靠吃草生活的原因。

C．J．斐德遜等人，在酶和底物相互作用（契合）的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展形成了主客體化學(xué)和超分子化學(xué)因而榮獲1987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。他們制成了冠醚（二苯并18－冠－6）和穴醚（大二環(huán)、大三環(huán)、大四環(huán)）化合物，其特點(diǎn)是可作為Na^＋或K^＋的載休。已用以制成脫鹽的海水淡化膜及提取鉀的萃取劑，并有可能據(jù)此制成模擬細(xì)胞膜。

3．人的饑餓和口渴

（1）饑餓。饑餓是指一段禁食期之后對(duì)食物的生理欲求，而食欲則是對(duì)現(xiàn)存食物的認(rèn)識(shí)反應(yīng)或習(xí)慣反應(yīng)。攝入食物是為了向體內(nèi)補(bǔ)充能源，由食欲來自行調(diào)節(jié)。當(dāng)胃中有食物時(shí)，它會(huì)不停地蠕動(dòng)，而一旦空腹，胃就強(qiáng)烈收縮，伴有不適即饑餓感。對(duì)這種作用目前有兩種解釋：①化學(xué)靜力學(xué)說。認(rèn)為下丘腦對(duì)血液中營(yíng)養(yǎng)成分如糖、脂肪等特別敏感，一旦濃度下降，下丘腦外側(cè)的進(jìn)食中樞受到刺激，就發(fā)出求食信號(hào)；濃度高時(shí)，進(jìn)食中樞抑制，同時(shí)下丘腦中下區(qū)域的飽感中心受到刺激，發(fā)出拒食信號(hào)。②化學(xué)熱學(xué)說。認(rèn)為下丘腦在人體熱量調(diào)節(jié)中起重要作用，當(dāng)其溫度降低時(shí)，引起饑餓感。

動(dòng)物試驗(yàn)表明，用電極刺激下丘腦的上述兩個(gè)部位，就會(huì)作出相應(yīng)反應(yīng)；如果進(jìn)食或飽感中心受到損害，就會(huì)不知道餓，甚至餓了也拒食，最終導(dǎo)致餓死；相反，則使食欲不可遏制。此外，血糖值低是饑餓的自然信號(hào)，人在清晨空腹時(shí)血糖量約為80毫克，感到餓；進(jìn)食后，血糖值可達(dá)140毫克，幾小時(shí)內(nèi)都感到飽，并且精力充沛。

（2）口渴。所謂口渴是指有意識(shí)地想喝水。這種心理感受在控制體內(nèi)水分和鈉離子濃度上極為重要。它影響體內(nèi)的水平衡，調(diào)節(jié)水的攝入。飲水中樞位于下丘腦的視上核前面的視前區(qū)兩側(cè)。用埋藏電極刺激此中樞，動(dòng)物在幾秘鐘內(nèi)就開始喝水；注入高滲鹽水（由于使水分子從神經(jīng)細(xì)胞中滲出，從而造成脫水），可使它們狂飲。

當(dāng)體液中鈉離子濃度比正常值高2毫摩爾/升時(shí)，就會(huì)刺激飲水中樞，表示口渴。飲水的目的主要是使鈉離子濃度恢復(fù)常態(tài)。深入的研究表明，止渴分暫時(shí)止渴和長(zhǎng)久止渴兩種。前者指胃腸道還未吸收水分前就不渴了，因而不想喝了，一般可維持15分鐘；后者則指水進(jìn)入消化道，胃充盈時(shí)的停喝。由于水吸收到組織液中需要半小時(shí)以上，如果口渴的感覺不能在喝水后暫時(shí)解除，人就會(huì)飲入過量水，最終造成營(yíng)養(yǎng)嚴(yán)重流失。所以暫時(shí)止渴有重要生理意義。試驗(yàn)表明，某種物理原因或心理原因也可止渴，例如把一個(gè)氣球放入胃中并充氣，可使人在5～30分鐘內(nèi)消渴。