人体组成学研究近况

1、1人体组成学研究近况作者：陈强谱 傅廷亮 管清海 【关键词】 人体 【关键词】 人体组成学；模型；组成规律 人体组成学（human body composition）是人体生物学的重要分支之一，主要研究人体内各种组成成分之间的数量规律、体内外各种因素对组分间数量关系的影响以及活体测定人体组分的方法。在欧美一些国家，人体组成学研究已较为成熟，广泛应用于保健医学、体质测定、营养评定、运动医学领域，而在国内，这方面的研究才刚刚起步。本文就人体组成学的概念与理论问题综述如下。1 人体组成学研究的历史回顾 人类很早就开始探索自己身体组成的奥秘。公元前 440 年，古希腊医生 Hippocrates 就认为，人体由四种要素即血液、粘液质、黄胆质和黑胆汁所组成。古代中国学者则认为人体包含了金、木、水、火、土五种组分，并认为这种组分的平衡维系着人体的健康。人体组成学成为现代科学的一个分支，通常认为始于德国化学家Justus von Liebig(18031873)。1850 年，Liebig 采用化学分析的手段，发现人体中许多成分在食物中也同样存在。同时还发现人体组织中含有高浓度的钾和低浓度的钠，而体

2、液中则含有低浓度的2钾和高浓度的钠。1900 年以前，由于不能在活体上测定人体组分，所以人们主要依靠尸体研究来探讨体内组分之间的数量关系。通过尸体研究，积累了大量人体组成的基本数据，这对探索人体组分之间的数量关系和规律起了重大的作用。进入 20 世纪后，活体研究成为人体组成学研究的主要方向，并相继阐明了许多人体组分之间的数量规律和发明了多种测定人体组成成分的方法（见表 1） 。从20 世纪 60 年代开始，人体组成学研究进入了一个新阶段，逐渐进入成熟期，参与人体组成学研究的学者越来越多，并取得了许多瞩目的成果。表 1 人体组成学研究的历史（略） 2 人体组成模型及概念 人体是由 50 多种元素组成的，但在活体上很难测定它们的含量。为了便于研究和测定人体组成成分，人们便将人体设定成是由多种模块组成的，即人体组成模型。人体组成模型是人体组成测定的基础，也是研究物质、能量代谢的核心。1942 年 Behnke 等首次建立了人体组成二元件模型，即将人体分为体脂和非体脂两部分，此后，许多学者在此基础上发展了多种模型。 21 二元件组成模型 二元件模型是将人体分为脂肪物质（fat mass,FM）

3、和非脂肪物质（fatfree mass,FFM）两部分。直接测定人体脂肪的含量目前仍然是困难的，但如果测定出 FFM，那么，根据公式： FM=Wt-FFM 就可以间接计算出脂肪的含量。由于 FFM 含水量是恒定的，即 0.732 L/kg，所以只要测定出人体总水量（total body 3water,TBW）便可根据公式计算出 FFM=TBW/0732。TBW 目前可采用同位素稀释法测定。二元件模型已应用 50 多年，但仍在发挥重要作用，尤其是在评价新的体脂测定技术方面。二元件模型亦存在许多不足之处，比如将所有的无脂群均归在一类中，而其中各组成部分的功能却明显不同。近年来的研究还发现，不同年龄群体FFM 中水的含量并不恒定在 732%，因而造成人体各组分分析时有误差。 22 三元件组成模型 三元件组成模型是将 FFM 进一步分成水分和瘦肉物质3 ；另一种是将人体分成细胞总体（body cell mass,BCM） 、细胞外液（extracellular water,ECW）和细胞外固体（extracellular solids,ECS） 。BCM 可通过测定人体总体钾获得，ECS 可用

4、稀释溴化物和 35S 硫酸根测得。这种模型较二元模型有改进，适合于健康的成年人和稍大的儿童，但对严重营养不良的病人测定结果可能不准确。 23 四元件组成模型 四元件组成模型是将人体分成水、蛋白质、矿物质和脂肪四部分。通过中子激活法可测出人体氮和钙的含量，从而可计算出蛋白质和矿物质的含量，进而可推算出机体内其他成分的含量。矿物质可进一步分为骨内和骨外部分，羟磷灰石钙是骨骼主要矿物质，占人体总矿物质的 75%以上，结晶的羟磷灰石钙与其他离子和水结合，形成骨内矿物质；骨外矿物质分布于细胞内、外液中，称为细4胞矿物质。 24 多元件组成模型 1992 年，Wang 等提出了人体组成的五层次模型（ The fiveLevel Model of Human Body Composition） 4 。这个模型把已知的大约四十种人体组分归纳到五个逐渐复杂的层次中，即原子层次、分子层次、细胞层次、组织器官层次和整体层次46 。 在原子层次上，人体由 50 多种元素所组成。含量最丰富的元素是氧，约占体重的 60%。而含量最丰富的六种元素（氧、碳、氢、氮、钙、磷）共占了体重的约 98%，若再加上钠、钾、氯、

5、镁、硫，则占体重的 995%。身体的质量（ BM）等于所有元素质量的总和。 BM=O+C+H+N+Ca+P+S+K+Na+Cl+Mg+others。目前，机体内的多种元素可以在活体测定，常用的测定方法有总体钾计数法、示踪剂稀释法及中子激活分析法。 在分子层次上，人体由超过 100 000 种化合物所组成。这些化合物的复杂性与分子量有着极大的差异，最简单者如水，最复杂者如核糖核酸。人体组成学将这些化合物分为若干类，主要有水、蛋白质、脂、矿物质及糖类。身体的质量等于所有这些化合物的总和。BM=水+蛋白质+脂+ 矿物质+糖类+其他。常用的测定方法有水下称重法、示踪剂和气体稀释法，新近发展的有生物电阻抗法、双能 X 线吸收法等。 在细胞层次上，人体大约有 1018 亿个细胞组成，依照其大小、形状、组成、代谢、分布和功能的不同，可以分为若干类别。5身体的质量等于细胞、细胞外液体和细胞外固体的总和。BM=细胞+细胞外液体+ 细胞外固体。 在组织器官层次上，人体由四类主要组织，即肌肉组织、结缔组织、上皮组织及神经组织所构成。BM=肌肉组织+结缔组织+上皮组织+神经组织。人体的质量也可以表达为全身所有

6、器官质量之和。测定方法有超声法、24 h 尿肌酐测定、CT 和磁共振成像法等。 在整体层次上，人体由头、颈、躯干、上肢和下肢组成，人体的质量可以表达为所有这些部分的质量之和。BM=头+颈+躯干+上肢+下肢。 各个层次之间，各个组分之间既是不同的，又是相互联系的，由此构成了完整的人体组成的图象。根据这个模型，研究者得以清晰地定义人体组成的概念，并据以建立正确的人体组成方程。上述的五层次模型已成为人体组成学的重要理论基础，在世界各国的人体组成学研究和教学中被广泛应用。 3 人体组成规律 身体组分间存在比较恒定的数量规律，探索这些规律是人体组成学研究的重要课题之一。经过 1000 多年的研究和探索，业已阐明了许多人体组成规律。下面简述之。 31 TBW/FFM=0732 去脂肪体重（fatfree mass,FFM）是人体组成学的一个重要概念，等于去除了全部脂肪之后的体重（BW） 。尸体研究和活体测定都表明，在 FFM 之中水分占了约6732%。这个比例不论对小鼠、大鼠、猫、狗等小型哺乳动物，还是对人、猪、牛、马等大型哺乳动物都是适用的。这个规律已被广泛应用于测定哺乳动物的全身脂肪含量。 3

7、2 TBK/FFM=68 mmol/kg 这是与 FFM 有关的另一个人体组成规律。对尸体的研究和活体测定发现，全身钾含量（total body potassium,TBK）与 FFM 的比值大约是 68 mmol/kg。根据这个规律，如果能够测得全身的钾含量，就可计算出 FFM，从而计算出全身的脂肪含量。然而，近年来的研究表明，TBK/FFM 的值应较低，在男性为 5962 mmol/kg，在女性为 5459 mmol/kg 7 。 33 TBK/BCM=000833 这是与全身的钾含量有关的另一个人体组成规律。体细胞质量（BCM）是指全身细胞的质量，但不包括细胞内的脂肪量。BCM 是人体组成学的重要概念之一，它与能量代谢密切相关。在 BCM 中，钾的比例约为 000833。根据这个规律，如果我们能够测得全身的钾含量，就可以计算出 BCM。 34 TBH/BW=010 对于正常人体，全身的氢元素含量（total body hydrogen,TBH）约占体重的 10%。人体内的含氢化合物主要是水（含氢 111%） ，脂肪（含氢 120%） ，蛋白质（含氢70%）和糖类（含氢 62%）

8、。而在正常人体中，水、脂肪、蛋白质和糖类的比例是在一定范围内变化的。依据上述数据计算，可知在正常人体中，全身的氢元素约占体重的 10%。也就是说，由体重就可以方便地估算出体内含有多少氢元素。 735 TBO/CFM=080 全身的氧含量（total body oxygen,TBO）约占去碳体重的 80%8 。去碳体重（carbonfree body mass,CFM）是指去除了碳元素之后的体重。依据这个规律，如果我们能够测定全身的碳元素含量，就可以计算出全身氧元素的重量。36 其他规律 还有 TBS（全身硫含量）/TBN （全身氮量）=0062；N（氮）/Protein （蛋白质）=016；TBCa （全身钙）=0364Mo（骨骼矿物质含量） ；TBP（全身磷）=0456TBCa+0555TBK；TBC （全身碳）=077fat+053protein+0444glycogen+骨矿组织碳；糖原含量=0044Protein；K/BCM=469 g/kg;Ca/ECS=0177 kg/kg；K/骨骼肌=3 g/kg6 。 4 影响人体组成的因素 人体内组分之间的数量关系并不是一成不变的。在

9、某些因素的作用下，这些数量关系在一定范围内波动。近年来的研究表明，至少有 30 种因素可能导致人体组成成分的变化。这些因素可以大致归纳为 5 类：天体因素、物理因素、化学因素、生物因素、行为因素。 在天体因素中，地球的自转和围绕太阳的公转及昼夜节律和季节交替均可影响人体的组成变化。磁场、环境温度（高温或低温） 、辐射以及重力变化（超重或失重状态）等物理因素对人体组成亦有一定影响。在化学因素中，人、人体赖以维持生存的蛋白质、脂肪、8糖类、矿物质以及各种维生素对人体成分的影响最为明显，无论缺乏或是过量某种营养素均可使人体组成成分发生变化9 。当然许多非营养素如酒精、烟草和各种毒品等亦是重要影响因素。在生物因素中，年龄、性别、种族、生长、发育和衰老是影响人体组成的最重要的因素10 。另一方面，许多疾病，例如 AIDS、肥胖病、糖尿病、呼吸衰竭、肾衰、癌症和骨质疏松会显著地改变人体的正常组成1115 ，在这些方面已有大量的报道。某些激素（如生长激素和胰岛素）的分泌失常也对人体组成有着明显的影响15 。在行为因素中，运动是最重要的因素，比如健美运动对人体组成的影响是人们熟知的。人们经常通过运动来有意识地改变自己的身体组成。总之，最重要的也是研究得最多的影响因素是年龄、营养、疾病和运动。 参 考 文 献 1Wang ZM,Heymsfield SBHistory of the study of human body composition:a brief reviewJAm J Hum Biol,1999,11:157 2Anderson ECThreecomponent body composition analysis based on potassium and water determinationsJAnn NY Acad Sci,1963,110:189 3Kes A,Brozek JBody fat in adult menJ Physiol Rev,1953,33:245 4Wang ZM,Pierson RN Jr,Heymsfield SBThe fivelevel 9model:a new

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