PODSTAWOWY METABOLIZM: CO TO JEST, JAK JEST OBLICZANY I ISTOTNE DANE - BIOLOGIA - 2026

Metabolizm podstawowy może być określony jako zbiór reakcji chemicznych zachodzących w organizmie, przez który zwierzę spędza minimalnej ilości energii potrzebnej do utrzymywania procesy życiowe. Ta ilość zazwyczaj stanowi 50% lub więcej całkowitego budżetu energetycznego zwierzęcia.

Podstawowy metabolizm określa się ilościowo za pomocą standardowych miar wydatku energetycznego na jednostkę czasu. Najczęstsze z nich to standardowa przemiana materii (TMS) i podstawowa przemiana materii (BMR).

Źródło: pixabay.com

TMS mierzy się u zwierząt zmiennocieplnych, takich jak większość ryb, mięczaków, płazów i gadów. TMB mierzy się u zwierząt stałocieplnych, takich jak ptaki i ssaki.

Jednostki miary szybkości metabolizmu

TMS i BMR są zwykle wyrażane jako zużycie O ₂ (ml) , kalorie (kalorie), kilokalorie (kcal), dżule (J), kilodżule (kJ) lub waty (W).

Kalorię definiuje się jako ilość ciepła potrzebną do podniesienia temperatury 1 g wody o 1 ° C. Jedna kaloria to 4186 dżuli. Dżul jest podstawową miarą energii (SI, system międzynarodowy). Wat, który jest równy 1 dżulowi na sekundę, jest podstawową miarą (SI) transferu energii i szybkości transformacji.

Warunki pomiaru podstawowego metabolizmu

Aby zapewnić porównywalność wartości uzyskanych w różnych badaniach, pomiar TMS i BMR wymaga, aby zwierzęta doświadczalne były w spoczynku i na czczo. W przypadku TMB zwierzęta te również muszą znajdować się w swojej strefie termoneutralnej.

Uważa się, że zwierzę znajduje się w stanie spoczynku, jeśli znajduje się w nieaktywnej fazie swojego normalnego cyklu dziennego, bez spontanicznych ruchów i bez fizycznego lub psychicznego stresu.

Uważa się, że zwierzę pości, jeśli nie trawi pokarmu w sposób, który generuje ciepło.

Uważa się, że zwierzę znajduje się w swojej strefie termoneutralnej, jeśli podczas eksperymentów utrzymywane jest w zakresie temperatur, w którym wytwarzanie ciepła przez jego ciało pozostaje niezmienione.

Respirometryczne metody pomiaru tms i tmb

- Respirometria objętościowa lub ze stałym ciśnieniem. Zwierzę trzymane jest w szczelnym pojemniku. Zmiany ciśnienia ze względu na zużycie O ₂ o zwierzęcia mierzy się w stałej temperaturze, przy pomocy manometru. Wytwarzany przez zwierzę CO ₂ jest usuwany chemicznie za pomocą KOH lub askarytu.

Jeśli używany jest respirometr Warburga, zmianę ciśnienia mierzy się utrzymując stałą objętość pojemnika. Jeśli stosowany jest respirometr Gilson, zmianę objętości mierzy się utrzymując stałe ciśnienie.

- Analiza gazów. Obecnie istnieje wiele różnych instrumentów laboratoryjnych, które umożliwiają bezpośrednie ilościowe oznaczanie stężeń O ₂ i CO ₂ . Instrument ten jest bardzo precyzyjny i umożliwia automatyczne oznaczenia.

Kalorymetryczne metody pomiaru tms i tmb

- Kalorymetria bomb. Zużycie energii szacuje się, porównując ciepło wytwarzane przez spalanie próbki niezjedzonej żywności z ciepłem wytwarzanym przez spalanie równoważnej próbki strawionych pozostałości (kału i moczu) tej żywności.

- Kalorymetria bezpośrednia. Polega na bezpośrednim pomiarze ciepła wytwarzanego przez płomień spalania próbki.

- Kalorymetria pośrednia. Mierzy produkcję ciepła, porównując zużycie O ₂ i produkcję CO ₂ . Opiera się na prawie stałej sumy ciepła Hessa, które mówi, że w reakcji chemicznej uwalniana jest ilość ciepła tylko w zależności od rodzaju reagentów i produktów.

- Kalorymetria gradientowa. Jeśli strumień ciepła Q przechodzi przez materiał o grubości G, obszarze A i przewodności cieplnej C, wynikiem jest gradient temperatury, który rośnie wraz z G i maleje wraz z A i C. Umożliwia to obliczenie wydatku energetycznego.

- Kalorymetria różnicowa. Mierzy strumień ciepła między komorą zawierającą zwierzę doświadczalne a sąsiednią niezajętą ​​komorą. Obie komory są izolowane termicznie, z wyjątkiem łączącej je powierzchni, przez którą wymieniają ciepło.

Podstawowy metabolizm i wielkość ciała

TMS i BMR różnią się nieproporcjonalnie do wielkości zwierząt. Ten związek jest znany jako eskalacja metaboliczna. Koncepcję można łatwo zrozumieć, porównując dwa ssaki roślinożerne o bardzo różnych rozmiarach, takie jak królik i słoń.

Jeśli ocenimy ilościowo liście, które jedzą przez tydzień, stwierdzimy, że królik zjada znacznie mniej niż słoń. Jednak masa liści zjedzonych przez tego pierwszego byłaby znacznie większa niż masa jego własnego ciała, podczas gdy w przypadku drugiego byłoby odwrotnie.

Ta dysproporcja wskazuje, że proporcjonalnie do ich wielkości potrzeby energetyczne obu gatunków są różne. Badanie setek gatunków zwierząt pokazuje, że ta konkretna obserwacja jest częścią ogólnego wzorca eskalacji metabolicznej, mierzalnej pod względem TMS i BMR.

Na przykład średni BMR (2200 J / h) ssaków 100 g nie jest dziesięciokrotnie, ale tylko 5,5 razy większy niż średni BMR (400 J / h) ssaków 10 g. Podobnie, średni BMR ssaka wynoszący 400 g (4940 J / h) nie jest czterokrotnie, ale tylko 2,7 razy większy niż średni BMR ssaka wynoszący 100 g.

Równanie allometryczne skalowania metabolicznego

Zależność TMS (lub TMB), reprezentowaną przez T, i masą ciała, reprezentowaną przez M, zwierzęcia można opisać klasycznym równaniem allometrii biologicznej T = a × M ^b , w którym a i b są stałymi.

Dopasowanie do tego równania wyjaśnia matematycznie, dlaczego TMS i BMR nie zmieniają się proporcjonalnie do masy zwierząt. Stosując logarytmy do obu stron, równanie można wyrazić w następujący sposób

log (T) = log (a) + b × log (M),

log (a) ib można oszacować za pomocą analizy regresji liniowej między wartościami eksperymentalnymi log (T) i log (M) dla wielu gatunków w grupie zwierząt. Stały log (a) jest punktem odcięcia linii regresji na osi pionowej. Ze swojej strony b, które jest nachyleniem wspomnianej linii, jest stałą allometryczną.

Stwierdzono, że średnia stała allometryczna wielu grup zwierząt zbliża się do 0,7. W przypadku log (a), im wyższe wartości, tym wyższe tempo metabolizmu badanej grupy zwierząt.

Podstawowy metabolizm, krążenie i oddychanie

Brak proporcjonalności TMS i BMR w odniesieniu do wielkości powoduje, że małe zwierzęta mają większe zapotrzebowanie na O ₂ na gram masy ciała niż duże zwierzęta. Na przykład wydatek energetyczny jednego grama tkanki wieloryba jest znacznie niższy niż jednego grama homologicznej tkanki myszy.

Duże i małe ssaki mają serca i płuca o podobnych rozmiarach w stosunku do masy ciała. Dlatego tempo skurczów serca i płuc u tych drugich musi być znacznie wyższe niż u pierwszego, aby dostarczyć wystarczającą ilość O ₂ do tkanek.

Na przykład liczba uderzeń serca na minutę wynosi 40 u słonia, 70 u dorosłego człowieka i 580 u myszy. Podobnie, ludzie oddychają około 12 razy, a myszy około 100 razy na minutę.

W ramach tego samego gatunku wzorce te są również obserwowane między osobnikami o różnych rozmiarach. Na przykład u dorosłych ludzi mózg odpowiada za około 20% całkowitego wydatku metabolicznego, podczas gdy u dzieci w wieku od 4 do 5 lat wydatki te sięgają 50%.

Podstawowy metabolizm i długowieczność

U ssaków rozmiary mózgu i ciała oraz podstawowy metabolizm są powiązane z długowiecznością równaniem

L = 5,5 × C ^0,54 × M ^-0,34 × T ^-0,42 ,

Gdzie L to długowieczność w miesiącach, C to masa mózgu w gramach, M to masa ciała w gramach, a T to BMR w kaloriach na gram na godzinę.

Wykładnik C wskazuje, że długowieczność ssaków ma pozytywny związek z rozmiarem mózgu. Wykładnik M wskazuje, że długowieczność ma negatywny związek z masą ciała. Wykładnik T wskazuje, że długowieczność ma negatywny związek z szybkością metabolizmu.

Ta zależność, choć z różnymi wykładnikami, ma również zastosowanie do ptaków. Jednak zwykle żyją dłużej niż ssaki o podobnej masie ciała.

Zainteresowanie medyczne

BMR kobiet może się podwoić w czasie ciąży. Wynika to ze wzrostu zużycia tlenu spowodowanego wzrostem płodu i struktur macicy oraz większym rozwojem krążenia matki i funkcji nerek.

Rozpoznanie nadczynności tarczycy można potwierdzić zwiększonym zużyciem tlenu, czyli wysokim BMR. W około 80% przypadków nadczynności tarczycy BMR jest co najmniej o 15% wyższy niż normalnie. Jednak wysoki BMR może być również spowodowany innymi chorobami.

Bibliografia

1. Guyton, AC, Hall, JE 2001. Traktat o fizjologii medycznej. McGraw-Hill Interamericana, Meksyk.
2. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. 2012. Animal Physiology. Sinauer Associates, Sunderland.
3. Lighton, JRB 2008. Pomiar tempa metabolizmu - podręcznik dla naukowców. Oxford University Press, Oxford.
4. Lof, M., Olausson, H., Bostrom, K., Janerot-Sjöberg, B., Sohlstrom, A., Forsum, E. 2005. Zmiany w podstawowej przemianie materii podczas ciąży w zależności od zmian masy ciała i składu, pojemność minutowa serca, insulinopodobny czynnik wzrostu I i hormony tarczycy oraz w odniesieniu do wzrostu płodu. American Journal of Clinical Nutrition, 81, 678–85.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K. 1998. Fizjologia zwierząt - mechanizmy i adaptacje. McGraw-Hill Interamericana, Madryt.
6. Solomon, SJ, Kurzer, MS, Calloway, DH 1982. Cykl miesiączkowy i podstawowa przemiana materii u kobiet. American Journal of Clinical Nutrition, 36, 611–616.
7. Willmer, P., Stone, G., Johnston, I. 2005. Fizjologia środowiska zwierząt. Blackwell, Oxford.