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代謝,基礎代謝,能量平衡--淩誌(ZT)

(2011-09-06 14:30:50) 下一個
健身和減肥現在是美國和全世界都很熱門的活動,各種各樣的健身中心在世界各地如雨後春筍般不斷湧現。與健身和減肥有關的網站也多如牛毛。然而,很多健身中心的教導和“健康”網站的信息卻是錯誤百出,概念不清,似是而非,誤人子弟的,這給健身者帶來很多困擾。造成這種情況的原因,恐怕是很多文章的作者並不真正懂得運動生理,或是知其然不知其所以然,或隻是互相抄襲,訛以傳訛。有鑒於此,數年前就打算寫一些有關的文字,給熱衷於健身的朋友做參考,後來因事拖了下來,直到最近才有執筆的念頭。

這篇文字的重點是澄清幾個基本概念。

首先是代謝(metabolism)。廣義的代謝是生物體內為維持其生命活動所產生的化學反應過程。這個過程包括兩部分,一是合成代謝(anabolism),一是分解代謝(catabolism)。合成代謝是把基本營養成分的單體分子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,蛋白質protein,脂肪triglyceride,核酸nucleic acid的過程。這些合成的多體polymer物質要麽成為能量的儲存方式,要麽成為生物的機體結構的一部分,要麽成為執行生物生命功能的物質,如酶 enzyme和輔酶Co-enzyme等。分解代謝是把多體物質分解成單體物質,然後再進一步把這些單體物質通過細胞呼吸cellular respiration的過程分解成能量供生命活動使用。(注意,細胞呼吸跟肺呼吸不是一回事)。狹義的代謝指機體消耗能量的過程。代謝快指單位時間裏消耗的能量高,代謝慢指單位時間裏消耗的能量低。能量基本計算單位是卡路裏calorie,一卡路裏是使一克水溫度升高一攝氏度所需要的能量。但是,卡路裏的單位太小了,實際使用不方便,因而最常用的單位是千卡Kcal,俗稱大卡。也有把Kcal寫成Cal的,但Cal跟cal容易產生混亂,健身界和食品生產廠商就經常Cal,cal不分,完全不知兩者差了一千倍。許多學者建議不用用Cal,隻用kcal,不過兩者發音還是一樣,仍然會引起混亂。一個簡單的提醒,如果一篇講健身講減肥的文章用了calorie這個單位,這篇文章基本上不用看。

其次是基礎代謝basal metabolism。基礎代謝是指空腹靜止休息狀態下生物機體為維持基本生命活動所消耗的能量,這裏麵包括維持體溫,心跳,呼吸,大腦細胞活動,消化道功能,腎髒功能等所消耗的能量。注意,這裏指的是靜止休息時的代謝,所以它的定義是“基礎basal”。這個代謝不包括運動時肌肉所消耗的能量,但包括靜止時維持最低肌張力所消耗的能量。它大致等於動物睡眠時的能量消耗,在冬眠動物,它是動物冬眠時的能量消耗。基礎代謝量可以用呼入和呼出氣中氧氣和二氧化碳的量和濃度差準確計算出來,但設備和計算很複雜,隻適合研究用。日常生活中使用的是估算法。衡量基礎代謝量的高低是用基礎代謝率Basal Metabolic Rate來計算的,它的定義是空腹靜止休息狀態下單位時間內所消耗的能量。它的單位用千卡/平方米體表麵積/小時(Kcal/m2/hour)表示。 BMR跟個體的大小和環境溫度有關,但在個體大小和環境溫度不變的情況下,影響BMR大小的主要因素是體溫。體溫在一天之內是呈周期性變化的,因而BMR 的單位用小時來計算。但是,為了實用的方便,也常使用一個近似的單位,即千卡/公斤體重/天(Kcal/kg/day),因體表麵積可以用身高體重大致推算出。BMR的個體差異很大。年齡,性別,體質,季節,環境溫度,緯度,晝夜變化等都影響BMP。然而,這些條件歸根結底是受激素的控製的,主要的激素是甲狀腺激素thyroid hormone,腎上腺激素epinephrine and norepinephrine,以及性激素sexual hormones,其中最重要的是甲狀腺激素。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。孕激素減少BMR,增加脂肪合成,所以懷孕後期肥胖。女性更年期後雌孕激素的比例倒置,也是肥胖的原因之一。甲狀腺激素增加BMR,所以甲亢的人消瘦,甲低的人肥胖。腎上腺素增加BMR,精神緊張時消瘦,而心寬則體胖。曾經有人說戀愛有助減肥,這話不假。有關激素在肌肉生理中的作用另文再談,一個簡單的總結是,影響BMR的主要激素是甲狀腺激素,影響運動代謝率的主要激素是腎上腺激素,影響運動後肌肉建造的主要激素是雄性激素和生長激素。

近似推算 BMR的方法有很多種,包括傳統的Harris-Benedict Equation,和近來流行的Katch-McArdle Fomula,Cunningham Formula等。用Harris-Benedict Equation的計算比較複雜,但相對準確。缺點是該公式是由正常體型的人計算出來的,對現在的大胖子不適用,容易偏高。用Katch-McArdle Fomula或Cunningham Formula推算BMR比較簡單,但這些計算法容易引起誤解,因為它們引進了一個概念,即lean body mass,容易讓人以為BMR主要與肌肉的隨意運動有關。其實用於肌肉的能量消耗隻占BMR的18%,主要用於呼吸肌和肌張力的消耗。這個lean body mass的概念倒不如換成non-fat mass或non-fat weight來得靠譜一些。

根據Harris-Benedict Equation的計算,如果一個四十歲的男性,體重70公斤,身高175公分,BMR大約是1634大卡。如果是一位四十歲的女性,體重60公斤,身高168公分,BMR大約是1353大卡。

現在要談一下能量平衡。能量平衡的意思,就是說如果要維持人的體重不變的話,人每天從食物中獲得的總能量(用Ein來表示),應該等於人每天消耗的總能量(Eout)。如果Ein大於Eout,人的體重就增加,如果Ein小於Eout,人的體重就減少。

人每天所消耗的總能量Eout分三部分,第一部分是基礎代謝率,第二部分是運動所消耗的能量,第三部分是消化吸收食物時所耗掉的能量。如前所說,基礎代謝率其實較為恒定,變化不大。消化吸收食物時所消耗的能量與食物總能量有一定的比例,大約在10%左右,所以變化也不大。最大的變化是運動所消耗的能量,這部分消耗的能量根據運動量的大小,約占Eout20-40%或更多。常見運動所消耗的能量可參考這個表:

不同體重不同類型運動所消耗的能量(Kcal/minute)

運動類型--------體重105-115 lb----127-137lb----160-170 lb----182-192 lb
自行車10 mph-------5.41------------6.16-----------7.33------------7.91
瑜伽-------------------3.91------------4.50-----------7.33-----------7.91
有氧體操--------------5.83------------6.58-----------7.83-----------8.58
跑步5.5 mph---------8.58------------9.75----------11.50----------12.66
跑步8.0 mph--------10.40-----------11.90--------14.10----------15.50
劃艇/輕鬆------------3.91------------4.50-----------5.25-----------5.83
劃艇/奮力------------8.58------------9.75----------11.50----------12.66
滑雪/下滑------------7.75------------8.83----------10.41----------11.50
滑雪/平滑9mph-----13.08----------14.83---------17.58----------19.33
遊泳20 y/m---------3.91------------4.50-----------5.25-----------5.83
遊泳40 y/m---------7.83-------------8.91---------10.50-----------11.58
遊泳55 y/m---------11.00-----------12.50--------14.75----------16.25
走路2 mph-----------2.40-------------2.80----------3.30-----------3.60
走路4 mph-----------4.50-------------5.20----------6.10-----------6.80

舉個例子,如果你的體重是160磅,以每小時10英裏的速度騎了一小時,所消耗的能量是7.33X60=440大卡。如果你的BMR是1668大卡,這兩者加起來就是2108大卡,加上約10%的食物消化吸收過程消耗,以及當天騎車以外的活動消耗,總消耗量Eout大約在2500大卡左右。

如果你騎了一小時車,又用每小時8英裏的速度跑了一小時,又以每分鍾40碼的速度遊泳一小時,你消耗的能量是440+14.10X60+10.50X60=1916大卡。加上BMR,進食消耗,Eout大約在3800大卡左右。

如果你前一天騎了一小時,跑了一小時,又遊了一小時,累癱了。第二天什麽都不做,隻是吃,那這一天的Eout是BMR加進食消耗,再加一點輕微活動所消耗的能量,Eout大約在2000大卡以內。

由此看出,活動量大小對每天的能量消耗量影響很大。但是,這樣計算每天的活動量太複雜了,於是產生了許多懶人計算法,或者美其名曰實用計算法,其中一個就是將BMR乘以一個活動因子作為每天的Eout。BMR乘以活動因子的積就不再是BMR了,它是Eout的估算值,包括了運動消耗和消化消耗。有些網上文章還繼續叫它BMR,這是概念不清。

活動因子activity factor依活動量大小從1.2到1.9分為五級。

1.20:宅男型—不運動,如隻坐桌旁打電腦上網
1.37:懶人型—輕微運動,如普通上班族
1.55:勤人型—中度運動,如警察,管子工
1.72:猛人型—高強運動,如運動發燒友
1.90:鐵人型—劇烈運動,如職業運動家,搬運工

舉個例子。如果你的BMR是1500大卡,當你是網蟲時,你的Eout就是1500X1.2=1800大卡。當你是鐵人時,你的Eout就是1500X1.9=2850大卡。

以上這些計算都不盡令人滿意,各種實用計算法,都有一定的適用範圍,互相之間差別很大,隻能作為參考。

計算Eout的目的,是為了計算Ein,即每日總進食量。如果想保持體重不變,Ein應該等於Eout,就是每天進食所產生的總能量,應等於每日消耗的總能量。把你消耗的能量吃回去。這就是能量平衡。

食物中的能量主要來自三種物質,糖,脂肪,蛋白質。一克糖產4大卡熱,一克脂肪產9大卡熱,一克蛋白產4大卡熱。食物中的糖主要是澱粉,澱粉是多體大分子。脂肪也是多體,由三條長鏈脂肪酸加一個甘油組成。蛋白質也是多體,由成百上千的氨基酸組成。食物中的澱粉,脂肪,蛋白質要在消化道分解成單體的葡萄糖,短鏈脂肪酸,氨基酸才能被吸收。一般認為一個平衡的食譜中,糖,脂肪,蛋白的比例是40%-30%-30%,但此比例並無有力的研究支持。事實上,糖,脂肪,蛋白在體內可互相轉化。因此,從產能的角度來說,隻要總能量達到Ein,營養成分的比例並不重要,但是,在實際應用中,各種成分都不能過偏,因為除了能量平衡的考慮外,還有其他的考慮。比如,因脂肪的分解需要膽汁的幫助,如食物中的脂肪成分過量的話,會造成消化不良,導致腹瀉。如食物中的葡萄糖含量過高的話,機體內沒有足夠的胰島素將血糖送入肝細胞和肌肉內,高血糖就會造成多器官損害,並使部分血糖進入脂肪細胞合成脂肪。健身界傾向於進食大量的蛋白,其實人每天為合成肌肉蛋白所利用的氨基酸量是有限的,不超過1.8克/公斤體重/天,大部分進食的蛋白在分解成氨基酸被吸收後,像葡萄糖一樣作為能量被燒掉了,並沒有變成肌肉。

最後講一下exercise after burn,運動後能量消耗。這個after burn的全名是excess post-exercise oxygen consumption(EPOC),運動後額外氧消耗。這個EPOC的意思是運動停止後,身體的代謝繼續以高於BMR的代謝率持續一定的時間,因而是運動後能量的額外消耗。EPOC的持續時間在從15分鍾到48小時不等,消耗的熱量可以從小到可以忽略不計到數百大卡。影響EPOC大小的主要因素是運動的激烈程度和持續時間。總的來說,運動量大,EPOC就大,運動量小,EPOC就小。EPOC不是BMP的一部分,它的產生實際應該屬於運動能量消耗的那部分,因為沒有運動,就沒有EPOC,而BMR是沒有運動也存在的。EPOC產生的原因,部分是由於運動時的交感神經興奮,腎上腺激素分泌增加,導致的呼吸加快,心律增高,體溫升高,全身興奮狀態,這要一段時間才能恢複到靜止水平;另外部分原因是運動時肌肉消耗掉了糖原,脂肪儲備,運動後機體全身動員去補倉。這個過程消耗能量。補倉所需要的原材料,可以是外源的,如從食物中獲得,也可以是內源的,如從自身的脂肪組織中獲取脂肪去補充肌肉中脂肪的消耗。動員脂肪組織中的脂肪遊離最有效的激素是腎上腺激素,而運動時和運動後腎上腺激素的水平都很高,是從皮下轉移脂肪到肌肉的最好時機。EPOC的量也因人而異。運動員老油條,跑步後心跳也不增加,EPOC就很低;新手上路,跑一下就氣喘籲籲,EPOC就很高。

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評論
bymyheart 回複 悄悄話 杜姐,鬆,我也是覺得這篇文章很專業,就轉過來留著需要是對照看一下。
DUMARTINI 回複 悄悄話 跑步和遊泳確實很可取。。。
走路呢,必須走得很快上氣不接下氣那種才行~~

謝謝心妹好文指導!
南山鬆 回複 悄悄話 很專業啊,學習了。

謝謝心心分享:)
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