חילוף החומרים הבסיסי: מה זה, איך זה מחושב ונתונים רלוונטיים - ביולוגיה - 2025

חילוף החומרים הבסיסי ניתן להגדיר סט של תגובות כימיות בגוף שדרכו חיה מבלה את הסכום המינימלי של האנרגיה הדרושה כדי לקיים תהליכים חיוניים. סכום זה מייצג בדרך כלל 50% או יותר מתקציב האנרגיה הכולל של בעל חיים.

מטבוליזם הבסיס מכמת על ידי מדדים סטנדרטיים של הוצאת אנרגיה ליחידת זמן. הנפוצים ביותר הם קצב חילוף החומרים הסטנדרטי (TMS) וקצב חילוף החומרים הבסיסי (BMR).

מקור: pixabay.com

TMS נמדד בבעלי חיים עם דם קר, כמו רוב הדגים, רכיכות, דו-חיים וזוחלים. TMB נמדד בבעלי חיים חמים בדם, כמו ציפורים ויונקים.

יחידות מדידה של קצב חילוף החומרים

TMS ו- BMR מתבטאים בדרך כלל בצריכת O ₂ (מ"ל) , קלוריות (קל), קילוקלוריות (קק"ל), ג'ול (J), קילוג'ול (kJ) או וואט (W).

קלוריה מוגדרת ככמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של 1 גרם מים ב- 1 מעלות צלזיוס. קלוריה אחת שווה 4,186 ג'ול. הג'אול הוא המדד הבסיסי (SI, System International) של אנרגיה. הוואט, השווה לג'ול לשנייה, הוא המדד הבסיסי (SI) של העברת אנרגיה וקצב טרנספורמציה.

תנאים למדידת חילוף החומרים הבסיסי

כדי להבטיח שהערכים המתקבלים על ידי מחקרים שונים הם דומים, המדידה של TMS ו- BMR מחייבת את בעלי החיים הניסויים להיות במנוחה ובצום. במקרה של TMB, בעלי חיים אלה נדרשים גם הם להיות באזור התרמו-נוטרי שלהם.

בעל חיים נחשב במנוחה אם הוא נמצא בשלב לא פעיל של המחזור היומי הרגיל שלו, ללא תנועות ספונטניות וללא לחץ פיזי או פסיכולוגי.

חיה נחשבת לצום אם היא לא מעכלת מזון באופן שמייצר חום.

בעל חיים נחשב לאזור התרמו-נוטרלי שלו, אם במהלך הניסויים הוא נשמר בטווח הטמפרטורות שבתוכו ייצור חום גופו נותר ללא שינוי.

שיטות הנשמה למדידת tms ו- tmb

- הנשמת לחץ נפח או קבוע. החיה מוחזקת בכלי אטום. שינויי הלחץ כתוצאה מצריכת O _{2 על} ידי בעל החיים נמדדים בטמפרטורה קבועה באמצעות מד מנוטר. CO ₂ המיוצר על ידי החיה מתבטל כימית באמצעות KOH או ascarite.

אם משתמשים במכונת הנשמה של ורבורג, שינוי הלחץ נמדד על ידי שמירה על נפח המכולה קבוע. אם משתמשים במכונת הנשמה של גילסון, שינוי הנפח נמדד על ידי שמירה על לחץ קבוע.

- ניתוח גז. נכון לעכשיו קיים מגוון גדול של מכשירי מעבדה המאפשרים כימות ישיר של ריכוזי O ₂ ו- CO ₂ . מכשיר זה מדויק מאוד ומאפשר קביעות אוטומטיות.

שיטות קלורימטריות למדידת tms ו- tmb

- קלורימטריה פצצה. צריכת האנרגיה נאמדת על ידי השוואה בין החום המיוצר על ידי בעירה של מדגם של מזון שלא נכלל עם החום המיוצר על ידי בעירה של מדגם שווה ערך של שרידים מעוכלים (צואה ושתן) של אותו מזון.

- קלורימטריה ישירה. זה מורכב מדידה ישירה של החום המיוצר על ידי להבת הבעירה של הדגימה.

- קלורימטריה עקיפה. הוא מודד ייצור חום על ידי השוואה בין צריכת O ₂ וייצור CO ₂ . זה מבוסס על החוק של הס של סכום חום קבוע, הקובע כי בתגובה כימית משתחררת כמות חום תלויה רק ​​באופי המגיבים והמוצרים.

- קלורימטריית שיפוע. אם שטף חום Q עובר דרך חומר בעובי G, שטח A ומוליכות חום C, התוצאה היא שיפוע טמפרטורה שמתגבר עם G ויורד עם A ו- C. זה מאפשר לחשב את הוצאות האנרגיה.

- קלורימטריה דיפרנציאלית. הוא מודד את שטף החום בין תא שמכיל את חיית הניסוי לתא לא צמוד. שני התאים מבודדים תרמית למעט המשטח שמצטרף אליהם, דרכם הם מחליפים חום.

חילוף החומרים הבסיסי וגודל הגוף

TMS ו- BMR משתנים באופן לא פרופורציונאלי עם גודל בעלי החיים. קשר זה מכונה הסלמה מטבולית. ניתן להבין בקלות את המושג על ידי השוואה בין שני יונקים עשבוניים בגדלים שונים מאוד, כמו הארנב והפיל.

אם נכמת את העלווה שהם אוכלים במשך שבוע, נגלה שהארנב אוכל הרבה פחות מהפיל. עם זאת, מסת העלווה שנאכלה על ידי הראשון תהיה גדולה בהרבה ממסת הגוף שלה עצמה, ואילו במקרה של השנייה היא תהיה הפוך.

פער זה מעיד כי באופן יחסי לגודלם, צורכי האנרגיה של שני המינים שונים זה מזה. המחקר של מאות מיני בעלי חיים מראה שהתצפית הספציפית הזו היא חלק מתבנית כללית של הסלמה מטבולית הניתנת לכימות מבחינת TMS ו- BMR.

לדוגמא, BMR הממוצע (2200 J / h) של 100 גרם יונקים אינו עשר פעמים, אלא רק פי 5.5, גדול יותר מה- BMR הממוצע (400 J / h) של 10 גרם יונקים. באופן דומה, BMR היונק הממוצע הממוצע של 400 גרם (4940 J / h) אינו פי ארבעה, אלא רק פי 2.7, גדול יותר מ- BMR היונק הממוצע של 100 גרם.

משוואה אלומטרית של קנה המידה המטבולי

ניתן לתאר את הקשר TMS (או TMB), המיוצג על ידי T, ואת מסת הגוף, המיוצגת על ידי M, של בעל חיים, על ידי המשוואה הקלאסית של האלומטריה הביולוגית, T = a × M ^b , בה a ו- b הם קבועים.

ההתאמה למשוואה זו מסבירה באופן מתמטי מדוע TMS ו- BMR אינם משתנים באופן יחסי למסת בעלי החיים. בהחלת לוגריתמים לשני הצדדים, ניתן לבטא את המשוואה באופן הבא

log (T) = log (a) + b × log (M),

ניתן להעריך את היומן (א) ו- b על ידי ניתוח רגרסיה לינארי בין ערכים ניסיוניים של יומן (T) ויומן (M) של מינים מרובים בקבוצת בעלי חיים. היומן הקבוע (א) הוא נקודת הניתוק של קו הרגרסיה בציר האנכי. מצדו, b, שהוא שיפוע הקו האמור, הוא הקבוע האלומטרי.

קבוע האלומטרי הממוצע של קבוצות בעלי חיים רבות נמצא כי הוא קרוב ל 0.7. במקרה של יומן (א), ככל שערכיו היו גבוהים יותר, כך שיעורי המטבוליזם של קבוצת בעלי החיים שנבדקו היו גבוהים יותר.

מטבוליזם בזאלי, זרימת דם ונשימה

חוסר המידתיות של TMS ו- BMR ביחס לגודל גורם לבעלי חיים קטנים צרכים O ₂ גבוהים יותר לגרם מסת גוף מאשר לבעלי חיים גדולים. לדוגמה, שיעור הוצאת האנרגיה של גרם אחד של רקמת לוויתן נמוך בהרבה מזה של גרם אחד של רקמת עכבר הומולוגית.

ליונקים גדולים וקטנים יש לבבות וריאות בגדלים דומים ביחס למסת גופם. מסיבה זו, שיעורי ההתכווצות של הלב והריאות של האחרונים צריכים להיות גבוהים בהרבה מאלו של הראשונים על מנת לשאת מספיק O ₂ לרקמות.

לדוגמה, מספר פעימות הלב בדקה הוא 40 בפיל, 70 אצל אדם בוגר ו -580 בעכבר. באופן דומה, בני אדם נושמים כ- 12 פעמים ועכברים כמאה פעמים בדקה.

בתוך אותו המין, דפוסים אלה נצפים גם בין פרטים בגדלים שונים. לדוגמא, אצל אנשים מבוגרים המוח אחראי לכ -20% מסך ההוצאה המטבולית, ואילו אצל ילדים בגילאי 4 עד 5 ההוצאה הזו מגיעה ל -50%.

חילוף חומרים של הבסיס ואורך החיים

אצל יונקים גודל המוח והגוף ומטבוליזם הבסיס קשורים למשך אורך החיים על ידי המשוואה

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

כאשר L הוא אריכות ימים בחודשים, C הוא מסת מוח בגרמים, M הוא מסת גוף בגרמים, ו- T הוא BMR בקלוריות לגרם לשעה.

המפתח ל- C מעיד על כך שאורך החיים של היונקים קשור לחיוב לגודל המוח. אקספקטנט של M מציין כי לאריכות ימים יש קשר שלילי למסת הגוף. אקספקטנט של T מציין כי לאריכות ימים יש קשר שלילי למהירות המטבוליזם.

קשר זה, למרות שיש לו אקספקטים שונים, חל גם על ציפורים. עם זאת, הם נוטים לחיות זמן רב יותר מאשר יונקים בעלי מסת גוף דומה.

עניין רפואי

BMR של נשים יכול להכפיל במהלך ההיריון. זה נובע מהגידול בצריכת החמצן הנגרמת כתוצאה מצמיחת העובר ומבני הרחם, והתפתחות רבה יותר של זרימת האם ותפקוד הכליות.

ניתן לאשר את האבחנה של יתר פעילות בלוטת התריס על ידי צריכת חמצן מוגברת, כלומר BMR גבוה. בכ -80% מהמקרים של פעילות יתר של בלוטת התריס, BMR גבוה ב -15% לפחות מהרגיל. עם זאת, BMR גבוה יכול להיגרם גם על ידי מחלות אחרות.

הפניות

1. Guyton, AC, Hall, JE 2001. חיבור לפיזיולוגיה רפואית. מקגרו היל אינטרמריקנה, מקסיקו.
2. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. 2012. Physiology of Animal. עמיתים לסינאואר, סנדרלנד.
3. Lighton, JRB 2008. מדידת קצב חילוף החומרים - מדריך למדענים. הוצאת אוניברסיטת אוקספורד, אוקספורד.
4. Lof, M., Olausson, H., Bostrom, K., Janerot-Sjöberg, B., Sohlstrom, A., Forsum, E. 2005. שינויים בקצב חילוף החומרים הבסיסי במהלך ההיריון ביחס לשינויים במשקל הגוף ובהרכב, תפוקת לב, גורם אינסולין דמוי אינסולין והורמוני בלוטת התריס וביחס לגדילת העובר. כתב העת האמריקאי לתזונה קלינית, 81, 678–85.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K. 1998. פיזיולוגיה של בעלי חיים - מנגנונים והתאמות. מקגרו-היל אינטרמריקנה, מדריד.
6. Solomon, SJ, Kurzer, MS, Calloway, DH 1982. המחזור החודשי וקצב חילוף החומרים הבסיסי אצל נשים. כתב העת האמריקאי לתזונה קלינית, 36, 611–616.
7. Willmer, P., Stone, G., Johnston, I. 2005. פיזיולוגיה סביבתית של בעלי חיים. בלקוול, אוקספורד.