การเผาผลาญพื้นฐาน: มันคืออะไรคำนวณอย่างไรและข้อมูลที่เกี่ยวข้อง - ชีววิทยา - 2025

การเผาผลาญพื้นฐานสามารถกำหนดได้ว่าเป็นชุดของปฏิกิริยาเคมีในร่างกายซึ่งสัตว์ใช้พลังงานในปริมาณขั้นต่ำที่จำเป็นในการรักษากระบวนการที่สำคัญ โดยทั่วไปเงินจำนวนนี้แสดงถึง 50% หรือมากกว่าของงบประมาณด้านพลังงานทั้งหมดของสัตว์

การเผาผลาญพื้นฐานจะวัดปริมาณโดยการวัดค่าใช้จ่ายพลังงานต่อหน่วยเวลาตามมาตรฐาน ที่พบบ่อยที่สุดคืออัตราการเผาผลาญมาตรฐาน (TMS) และอัตราการเผาผลาญพื้นฐาน (BMR)

ที่มา: pixabay.com

TMS วัดได้ในสัตว์เลือดเย็นเช่นปลาหอยสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำและสัตว์เลื้อยคลานส่วนใหญ่ TMB วัดในสัตว์เลือดอุ่นเช่นนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม

หน่วยวัดอัตราการเผาผลาญ

TMS และ BMR มักแสดงเป็นปริมาณการใช้ O ₂ (มล.) แคลอรี่ (แคล) กิโลแคลอรี (kcal) จูล (J) กิโลจูล (kJ) หรือวัตต์ (W)

แคลอรี่หมายถึงปริมาณความร้อนที่ต้องใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัมขึ้น 1 ° C หนึ่งแคลอรี่เท่ากับ 4,186 จูล จูลเป็นหน่วยวัดพื้นฐาน (SI, ระบบสากล) ของพลังงาน วัตต์ซึ่งเท่ากับ 1 จูลต่อวินาทีเป็นหน่วยวัดพื้นฐาน (SI) ของการถ่ายเทพลังงานและอัตราการเปลี่ยนรูป

เงื่อนไขในการวัดการเผาผลาญพื้นฐาน

เพื่อให้แน่ใจว่าค่าที่ได้จากการศึกษาที่แตกต่างกันสามารถเปรียบเทียบกันได้การวัด TMS และ BMR ต้องการให้สัตว์ทดลองพักผ่อนและอดอาหาร ในกรณีของ TMB สัตว์เหล่านี้จะต้องอยู่ในเขตทนความร้อนด้วยเช่นกัน

สัตว์ถือว่าอยู่ในช่วงพักหากอยู่ในช่วงที่ไม่ได้ใช้งานของวัฏจักรปกติของมันโดยไม่มีการเคลื่อนไหวตามธรรมชาติและไม่มีความเครียดทางร่างกายหรือจิตใจ

สัตว์ถือว่าอดอาหารหากไม่ย่อยอาหารด้วยวิธีที่สร้างความร้อน

สัตว์ถือว่าอยู่ในเขตทนความร้อนหากในระหว่างการทดลองสัตว์เลี้ยงอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่การผลิตความร้อนในร่างกายยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

วิธีการตอบสนองเพื่อวัด tms และ tmb

- ปริมาตรหรือการวัดความดันคงที่ สัตว์ถูกเก็บไว้ในภาชนะที่ปิดสนิท การเปลี่ยนแปลงความดันเนื่องจากการบริโภค O ₂ของสัตว์จะถูกวัดที่อุณหภูมิคงที่โดยใช้ manometer CO _{2 ที่}ผลิตโดยสัตว์ถูกกำจัดทางเคมีโดยใช้ KOH หรือ ascarite

หากใช้เครื่องวัดการหายใจ Warburg การเปลี่ยนแปลงความดันจะวัดได้โดยการรักษาปริมาตรของภาชนะบรรจุให้คงที่ หากใช้เครื่องวัดการหายใจ Gilson การเปลี่ยนแปลงของปริมาตรจะวัดได้โดยการรักษาความดันให้คงที่

- การวิเคราะห์ก๊าซ ปัจจุบันมีเครื่องมือในห้องปฏิบัติการมากมายที่ช่วยให้สามารถวัดปริมาณความเข้มข้นของ O ₂และ CO ₂ได้โดยตรง เครื่องมือนี้มีความแม่นยำมากและช่วยให้สามารถกำหนดค่าอัตโนมัติได้

วิธีการวัดปริมาตร tms และ tmb

- ระเบิดความร้อน การใช้พลังงานประมาณโดยการเปรียบเทียบความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของตัวอย่างอาหารที่ไม่ได้กินกับความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของซากที่ย่อยแล้ว (อุจจาระและปัสสาวะ) ของอาหารนั้น

- การวัดความร้อนโดยตรง ประกอบด้วยการวัดความร้อนที่เกิดจากเปลวไฟเผาไหม้ของตัวอย่างโดยตรง

- การวัดความร้อนทางอ้อม มันมีขนาดการผลิตความร้อนโดยการเปรียบเทียบ O ₂การบริโภคและ CO ₂การผลิต มันเป็นไปตามกฎของ Hess เรื่องผลรวมความร้อนคงที่ซึ่งระบุว่าในปฏิกิริยาทางเคมีปริมาณความร้อนจะถูกปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับลักษณะของสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เท่านั้น

- การวัดความร้อนแบบไล่ระดับสี หากฟลักซ์ความร้อน Q ผ่านวัสดุที่มีความหนา G พื้นที่ A และการนำความร้อน C ผลลัพธ์ที่ได้คือการไล่ระดับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นด้วย G และลดลงด้วย A และ C ทำให้สามารถคำนวณค่าใช้จ่ายด้านพลังงานได้

- การวัดปริมาณความร้อนที่แตกต่างกัน เป็นการวัดการไหลของความร้อนระหว่างห้องที่มีสัตว์ทดลองและห้องที่ไม่มีใครอยู่ติดกัน ห้องทั้งสองมีฉนวนกันความร้อนยกเว้นพื้นผิวที่เชื่อมต่อซึ่งจะแลกเปลี่ยนความร้อน

การเผาผลาญพื้นฐานและขนาดของร่างกาย

TMS และ BMR แตกต่างกันอย่างไม่เป็นสัดส่วนกับขนาดของสัตว์ ความสัมพันธ์นี้เรียกว่าการเพิ่มระดับการเผาผลาญ แนวคิดนี้สามารถเข้าใจได้ง่ายโดยการเปรียบเทียบสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่กินพืชเป็นอาหาร 2 ชนิดที่มีขนาดต่างกันมากเช่นกระต่ายและช้าง

หากเราหาปริมาณใบไม้ที่พวกมันกินเป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์เราจะพบว่ากระต่ายกินน้อยกว่าช้างมาก อย่างไรก็ตามมวลของใบไม้ที่กินเข้าไปในครั้งแรกจะมากกว่ามวลร่างกายของมันเองมากในขณะที่ในกรณีของครั้งที่สองมันจะเป็นอีกทางหนึ่ง

ความแตกต่างนี้บ่งชี้ว่าตามสัดส่วนของขนาดความต้องการพลังงานของทั้งสองชนิดแตกต่างกัน การศึกษาสัตว์หลายร้อยชนิดแสดงให้เห็นว่าการสังเกตโดยเฉพาะนี้เป็นส่วนหนึ่งของรูปแบบทั่วไปของการเพิ่มระดับการเผาผลาญที่สามารถวัดได้ในแง่ของ TMS และ BMR

ตัวอย่างเช่นค่า BMR เฉลี่ย (2200 J / h) ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม 100 กรัมนั้นไม่ถึง 10 เท่า แต่มีเพียง 5.5 เท่าซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ย BMR (400 J / h) ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม 10 กรัม ในทำนองเดียวกัน BMR ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเฉลี่ย 400 กรัม (4940 J / h) ไม่ใช่สี่เท่า แต่มีเพียง 2.7 เท่าซึ่งสูงกว่าค่า BMR ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทั่วไปที่ 100 กรัม

สมการอัลโลเมตริกของการปรับขนาดการเผาผลาญ

ความสัมพันธ์ TMS (หรือ TMB) ซึ่งแสดงด้วย T และมวลกายที่แสดงด้วย M ของสัตว์สามารถอธิบายได้ด้วยสมการคลาสสิกของอัลลอเมทรีทางชีววิทยา T = a × M ^bซึ่ง a และ b เป็นค่าคงที่

ความพอดีของสมการนี้อธิบายในทางคณิตศาสตร์ว่าทำไม TMS และ BMR จึงไม่แปรผันตามสัดส่วนของมวลสัตว์ การใช้ลอการิทึมกับทั้งสองข้างสมการสามารถแสดงได้ดังนี้

บันทึก (T) = บันทึก (a) + b ×บันทึก (M)

บันทึก (a) และ b สามารถประมาณได้โดยการวิเคราะห์การถดถอยเชิงเส้นระหว่างค่าการทดลองของบันทึก (T) และบันทึก (M) ของกลุ่มสัตว์หลายชนิด บันทึกคงที่ (a) คือจุดตัดของเส้นการถดถอยบนแกนตั้ง ในส่วนของมัน b ซึ่งคือความชันของเส้นดังกล่าวคือค่าคงที่อัลโลเมตริก

พบว่าค่าคงที่ออลโรเมตริกเฉลี่ยของสัตว์หลายกลุ่มมีแนวโน้มใกล้เคียงกับ 0.7 ในกรณีของ log (a) ยิ่งมีค่าสูงเท่าใดอัตราการเผาผลาญของกลุ่มสัตว์ก็จะสูงขึ้นตามการวิเคราะห์

การเผาผลาญพื้นฐานการไหลเวียนและการหายใจ

การขาดสัดส่วนของ TMS และ BMR เมื่อเทียบกับขนาดทำให้สัตว์ตัวเล็กมีความต้องการ O ₂ต่อกรัมของมวลกายสูงกว่าสัตว์ขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่นอัตราการใช้พลังงานของเนื้อเยื่อปลาวาฬหนึ่งกรัมนั้นต่ำกว่าเนื้อเยื่อของหนูที่มีลักษณะคล้ายคลึงกันหนึ่งกรัมมาก

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่และขนาดเล็กมีหัวใจและปอดที่มีขนาดใกล้เคียงกันโดยสัมพันธ์กับมวลกาย ด้วยเหตุนี้อัตราการหดตัวของหัวใจและปอดในระยะหลังจึงต้องสูงกว่าเดิมมากเพื่อที่จะนำ O ₂ไปยังเนื้อเยื่อได้เพียงพอ

ตัวอย่างเช่นจำนวนการเต้นของหัวใจต่อนาทีคือ 40 ในช้าง 70 ในมนุษย์ที่โตเต็มที่และ 580 ในเมาส์ ในทำนองเดียวกันมนุษย์หายใจประมาณ 12 ครั้งและหนูประมาณ 100 ครั้งต่อนาที

ภายในสปีชีส์เดียวกันรูปแบบเหล่านี้ยังสังเกตได้ระหว่างบุคคลที่มีขนาดต่างกัน ตัวอย่างเช่นในมนุษย์วัยผู้ใหญ่สมองมีหน้าที่รับผิดชอบประมาณ 20% ของค่าใช้จ่ายในการเผาผลาญทั้งหมดในขณะที่ในเด็กอายุ 4 ถึง 5 ขวบค่าใช้จ่ายนี้สูงถึง 50%

การเผาผลาญพื้นฐานและอายุยืนยาว

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดของสมองและร่างกายและการเผาผลาญพื้นฐานเกี่ยวข้องกับการมีอายุยืนยาวตามสมการ

L = 5.5 × C ^0.54 ×ม^-0.34 × T ^-0.42 ,

โดยที่ L มีอายุยืนยาวในหลายเดือน C คือมวลสมองเป็นกรัม M คือมวลกายเป็นกรัมและ T คือ BMR ในแคลอรี่ต่อกรัมต่อชั่วโมง

เลขชี้กำลังของ C บ่งชี้ว่าอายุยืนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีความสัมพันธ์เชิงบวกกับขนาดของสมอง เลขชี้กำลังของ M บ่งชี้ว่าอายุยืนมีความสัมพันธ์เชิงลบกับมวลกาย เลขชี้กำลังของ T บ่งชี้ว่าอายุยืนมีความสัมพันธ์เชิงลบกับความเร็วในการเผาผลาญ

ความสัมพันธ์นี้แม้ว่าจะมีเลขชี้กำลังต่างกัน แต่ก็ใช้ได้กับนกเช่นกัน อย่างไรก็ตามพวกมันมักจะมีอายุยืนยาวกว่าสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีมวลร่างกายใกล้เคียงกัน

ความสนใจทางการแพทย์

BMR ของผู้หญิงสามารถเพิ่มเป็นสองเท่าในระหว่างตั้งครรภ์ เนื่องจากการใช้ออกซิเจนเพิ่มขึ้นซึ่งเกิดจากการเจริญเติบโตของทารกในครรภ์และโครงสร้างมดลูกและจากการพัฒนาการไหลเวียนของมารดาและการทำงานของไตมากขึ้น

การวินิจฉัยภาวะต่อมไทรอยด์ทำงานเกินสามารถยืนยันได้จากการใช้ออกซิเจนที่เพิ่มขึ้นนั่นคือค่า BMR ที่สูง ในกรณีของต่อมไทรอยด์ทำงานเกินประมาณ 80% BMR สูงกว่าปกติอย่างน้อย 15% อย่างไรก็ตามค่า BMR ที่สูงอาจเกิดจากโรคอื่น ๆ ได้เช่นกัน

อ้างอิง

1. Guyton, AC, Hall, JE 2001 บทความเกี่ยวกับสรีรวิทยาทางการแพทย์ McGraw-Hill Interamericana เม็กซิโก
2. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. 2012. Animal Physiology. Sinauer Associates ซันเดอร์แลนด์
3. Lighton, JRB 2008. การวัดอัตราการเผาผลาญ - คู่มือสำหรับนักวิทยาศาสตร์ สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ดอ๊อกซฟอร์ด
4. Lof, M. , Olausson, H. , Bostrom, K. , Janerot-Sjöberg, B. , Sohlstrom, A. , Forsum, E. 2005 การเปลี่ยนแปลงของอัตราการเผาผลาญพื้นฐานในระหว่างตั้งครรภ์โดยสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักตัวและองค์ประกอบ การส่งออกของหัวใจปัจจัยการเจริญเติบโตที่เหมือนอินซูลินและฮอร์โมนไทรอยด์และความสัมพันธ์กับการเจริญเติบโตของทารกในครรภ์ American Journal of Clinical Nutrition, 81, 678–85
5. Randall, D. , Burggren, W. , French, K. 1998. สรีรวิทยาของสัตว์ - กลไกและการปรับตัว McGraw-Hill Interamericana, Madrid
6. Solomon, SJ, Kurzer, MS, Calloway, DH 1982 รอบประจำเดือนและอัตราการเผาผลาญพื้นฐานในผู้หญิง. American Journal of Clinical Nutrition, 36, 611–616
7. Willmer, P. , Stone, G. , Johnston, I. 2005. สรีรวิทยาสิ่งแวดล้อมของสัตว์. Blackwell, Oxford