代谢，基础代谢和能量平衡

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分类: 健康趣谈

健身和减肥现在是美国和全世界都很热门的活动，各种各样的健身中心在世界各地如雨后春笋般不断涌现。与健身和减肥有关的网站也多如牛毛。然而，很多健身中心的教导和“健康”网站的信息却是错误百出，概念不清，似是而非，误人子弟的，这给健身者带来很多困扰。造成这种情况的原因，恐怕是很多文章的作者并不真正懂得运动生理，或是知其然不知其所以然，或只是互相抄袭，讹以传讹。有鉴于此，数年前就打算写一些有关的文字，给热衷于健身的朋友做参考，后来因事拖了下来，直到最近才有执笔的念头。

这篇文字的重点是澄清几个基本概念。

首先是代谢（metabolism）。广义的代谢是生物体内为维持其生命活动所产生的化学反应过程。这个过程包括两部分，一是合成代谢（anabolism），一是分解代谢（catabolism）。合成代谢是把基本营养成分的单体分子monomer，如葡萄糖glucose，氨基酸amino acid，脂肪酸fatty acid，和核苷酸nucleotide等，合成糖原glycogen，蛋白质protein，脂肪triglyceride，核酸nucleic acid的过程。这些合成的多体polymer物质要么成为能量的储存方式，要么成为生物的机体结构的一部分，要么成为执行生物生命功能的物质，如酶enzyme和辅酶Co-enzyme等。分解代谢是把多体物质分解成单体物质，然后再进一步把这些单体物质通过细胞呼吸cellular respiration的过程分解成能量供生命活动使用。（注意，细胞呼吸跟肺呼吸不是一回事）。狭义的代谢指机体消耗能量的过程。代谢快指单位时间里消耗的能量高，代谢慢指单位时间里消耗的能量低。能量基本计算单位是卡路里calorie，一卡路里是使一克水温度升高一摄氏度所需要的能量。但是，卡路里的单位太小了，实际使用不方便，因而最常用的单位是千卡Kcal，俗称大卡。也有把Kcal写成Cal的，但Cal跟cal容易产生混乱，健身界和食品生产厂商就经常Cal，cal不分，完全不知两者差了一千倍。许多学者建议不用用Cal，只用kcal，不过两者发音还是一样，仍然会引起混乱。一个简单的提醒，如果一篇讲健身讲减肥的文章用了calorie这个单位，这篇文章基本上不用看。

其次是基础代谢basal metabolism。基础代谢是指空腹静止休息状态下生物机体为维持基本生命活动所消耗的能量，这里面包括维持体温，心跳，呼吸，大脑细胞活动，消化道功能，肾脏功能等所消耗的能量。注意，这里指的是静止休息时的代谢，所以它的定义是“基础basal”。这个代谢不包括运动时肌肉所消耗的能量，但包括静止时维持最低肌张力所消耗的能量。它大致等于动物睡眠时的能量消耗，在冬眠动物，它是动物冬眠时的能量消耗。基础代谢量可以用呼入和呼出气中氧气和二氧化碳的量和浓度差准确计算出来，但设备和计算很复杂，只适合研究用。日常生活中使用的是估算法。衡量基础代谢量的高低是用基础代谢率Basal Metabolic Rate来计算的，它的定义是空腹静止休息状态下单位时间内所消耗的能量。它的单位用千卡/平方米体表面积/小时（Kcal/m2/hour）表示。BMR跟个体的大小和环境温度有关，但在个体大小和环境温度不变的情况下，影响BMR大小的主要因素是体温。体温在一天之内是呈周期性变化的，因而BMR的单位用小时来计算。但是，为了实用的方便，也常使用一个近似的单位，即千卡/公斤体重/天（Kcal/kg/day），因体表面积可以用身高体重大致推算出。BMR的个体差异很大。年龄，性别，体质，季节，环境温度，纬度，昼夜变化等都影响BMP。然而，这些条件归根结底是受激素的控制的，主要的激素是甲状腺激素thyroid hormone，肾上腺激素epinephrine and norepinephrine，以及性激素sexual hormones，其中最重要的是甲状腺激素。雄性激素增加BMR，所以男人消耗的能量就多。雌激素也增加BMR，所以青春期女性肥胖的也不多。孕激素减少BMR，增加脂肪合成，所以怀孕后期肥胖。女性更年期后雌孕激素的比例倒置，也是肥胖的原因之一。甲状腺激素增加BMR，所以甲亢的人消瘦，甲低的人肥胖。肾上腺素增加BMR，精神紧张时消瘦，而心宽则体胖。曾经有人说恋爱有助减肥，这话不假。有关激素在肌肉生理中的作用另文再谈，一个简单的总结是，影响BMR的主要激素是甲状腺激素，影响运动代谢率的主要激素是肾上腺激素，影响运动后肌肉建造的主要激素是雄性激素和生长激素。

 近似推算BMR的方法有很多种，包括传统的Harris-Benedict Equation，和近来流行的Katch-McArdle Fomula，Cunningham Formula等。用Harris-Benedict Equation的计算比较复杂，但相对准确。缺点是该公式是由正常体型的人计算出来的，对现在的大胖子不适用，容易偏高。用Katch-McArdle Fomula或Cunningham Formula推算BMR比较简单，但这些计算法容易引起误解，因为它们引进了一个概念，即lean body mass，容易让人以为BMR主要与肌肉的随意运动有关。其实用于肌肉的能量消耗只占BMR的18%，主要用于呼吸肌和肌张力的消耗。这个lean body mass的概念倒不如换成non-fat mass或non-fat weight来得靠谱一些。

根据Harris-Benedict Equation的计算，如果一个四十岁的男性，体重70公斤，身高175公分，BMR大约是1634大卡。如果是一位四十岁的女性，体重60公斤，身高168公分，BMR大约是1353大卡。

现在要谈一下能量平衡。能量平衡的意思，就是说如果要维持人的体重不变的话，人每天从食物中获得的总能量（用Ein来表示），应该等于人每天消耗的总能量（Eout）。如果Ein大于Eout，人的体重就增加，如果Ein小于Eout，人的体重就减少。

人每天所消耗的总能量Eout分三部分，第一部分是基础代谢率，第二部分是运动所消耗的能量，第三部分是消化吸收食物时所耗掉的能量。如前所说，基础代谢率其实较为恒定，变化不大。消化吸收食物时所消耗的能量与食物总能量有一定的比例，大约在10%左右，所以变化也不大。最大的变化是运动所消耗的能量，这部分消耗的能量根据运动量的大小，约占Eout20-40%或更多。常见运动所消耗的能量可参考这个表：

不同体重不同类型运动所消耗的能量（Kcal/minute）

举个例子，如果你的体重是160磅，以每小时10英里的速度骑了一小时，所消耗的能量是7.33X60=440大卡。如果你的BMR是1668大卡，这两者加起来就是2108大卡，加上约10%的食物消化吸收过程消耗，以及当天骑车以外的活动消耗，总消耗量Eout大约在2500大卡左右。

如果你骑了一小时车，又用每小时8英里的速度跑了一小时，又以每分钟40码的速度游泳一小时，你消耗的能量是440+14.10X60+10.50X60=1916大卡。加上BMR，进食消耗，Eout大约在3800大卡左右。

如果你前一天骑了一小时，跑了一小时，又游了一小时，累瘫了。第二天什么都不做，只是吃，那这一天的Eout是BMR加进食消耗，再加一点轻微活动所消耗的能量，Eout大约在2000大卡以内。

由此看出，活动量大小对每天的能量消耗量影响很大。但是，这样计算每天的活动量太复杂了，于是产生了许多懒人计算法，或者美其名曰实用计算法，其中一个就是将BMR乘以一个活动因子作为每天的Eout。BMR乘以活动因子的积就不再是BMR了，它是Eout的估算值，包括了运动消耗和消化消耗。有些网上文章还继续叫它BMR，这是概念不清。

活动因子activity factor依活动量大小从1.2到1.9分为五级。

1.20：宅男型—不运动，如只坐桌旁打电脑上网

1.37：懒人型—轻微运动，如普通上班族

1.55：勤人型—中度运动，如警察，管子工

1.72：猛人型—高强运动，如运动发烧友

1.90：铁人型—剧烈运动，如职业运动家，搬运工

举个例子。如果你的BMR是1500大卡，当你是网虫时，你的Eout就是1500X1.2=1800大卡。当你是铁人时，你的Eout就是1500X1.9=2850大卡。

以上这些计算都不尽令人满意，各种实用计算法，都有一定的适用范围，互相之间差别很大，只能作为参考。

计算Eout的目的，是为了计算Ein，即每日总进食量。如果想保持体重不变，Ein应该等于Eout，就是每天进食所产生的总能量，应等于每日消耗的总能量。把你消耗的能量吃回去。这就是能量平衡。

食物中的能量主要来自三种物质，糖，脂肪，蛋白质。一克糖产4大卡热，一克脂肪产9大卡热，一克蛋白产4大卡热。食物中的糖主要是淀粉，淀粉是多体大分子。脂肪也是多体，由三条长链脂肪酸加一个甘油组成。蛋白质也是多体，由成百上千的氨基酸组成。食物中的淀粉，脂肪，蛋白质要在消化道分解成单体的葡萄糖，短链脂肪酸，氨基酸才能被吸收。一般认为一个平衡的食谱中，糖，脂肪，蛋白的比例是40%-30%-30%，但此比例并无有力的研究支持。事实上，糖，脂肪，蛋白在体内可互相转化。因此，从产能的角度来说，只要总能量达到Ein，营养成分的比例并不重要，但是，在实际应用中，各种成分都不能过偏，因为除了能量平衡的考虑外，还有其他的考虑。比如，因脂肪的分解需要胆汁的帮助，如食物中的脂肪成分过量的话，会造成消化不良，导致腹泻。如食物中的葡萄糖含量过高的话，机体内没有足够的胰岛素将血糖送入肝细胞和肌肉内，高血糖就会造成多器官损害，并使部分血糖进入脂肪细胞合成脂肪。健身界倾向于进食大量的蛋白，其实人每天为合成肌肉蛋白所利用的氨基酸量是有限的，不超过1.8克/公斤体重/天，大部分进食的蛋白在分解成氨基酸被吸收后，像葡萄糖一样作为能量被烧掉了，并没有变成肌肉。

最后讲一下exercise after burn，运动后能量消耗。这个after burn的全名是excess post-exercise oxygen consumption（EPOC），运动后额外氧消耗。这个EPOC的意思是运动停止后，身体的代谢继续以高于BMR的代谢率持续一定的时间，因而是运动后能量的额外消耗。EPOC的持续时间在从15分钟到48小时不等，消耗的热量可以从小到可以忽略不计到数百大卡。影响EPOC大小的主要因素是运动的激烈程度和持续时间。总的来说，运动量大，EPOC就大，运动量小，EPOC就小。EPOC不是BMP的一部分，它的产生实际应该属于运动能量消耗的那部分，因为没有运动，就没有EPOC，而BMR是没有运动也存在的。EPOC产生的原因，部分是由于运动时的交感神经兴奋，肾上腺激素分泌增加，导致的呼吸加快，心律增高，体温升高，全身兴奋状态，这要一段时间才能恢复到静止水平；另外部分原因是运动时肌肉消耗掉了糖原，脂肪储备，运动后机体全身动员去补仓。这个过程消耗能量。补仓所需要的原材料，可以是外源的，如从食物中获得，也可以是内源的，如从自身的脂肪组织中获取脂肪去补充肌肉中脂肪的消耗。动员脂肪组织中的脂肪游离最有效的激素是肾上腺激素，而运动时和运动后肾上腺激素的水平都很高，是从皮下转移脂肪到肌肉的最好时机。EPOC的量也因人而异。运动员老油条，跑步后心跳也不增加，EPOC就很低；新手上路，跑一下就气喘吁吁，EPOC就很高。

好了。休息一下，有问题请举手。