БАЗАЛЕН МЕТАБОЛИЗЪМ: КАКВО ПРЕДСТАВЛЯВА, КАК СЕ ИЗЧИСЛЯВА И СЪОТВЕТНИТЕ ДАННИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На метаболизма базално може да се определи като набор от химични реакции в организма чрез който животното прекарва минимално количество енергия, необходима за поддържане на жизнените процеси. Тази сума обикновено представлява 50% или повече от общия бюджет на енергия на животно.

Базалният метаболизъм се определя количествено чрез стандартизирани мерки за разход на енергия за единица време. Най-често срещаните са стандартната метаболитна скорост (TMS) и основната скорост на метаболизма (BMR).

Източник: pixabay.com

TMS се измерва при студенокръвни животни, като повечето риби, мекотели, земноводни и влечуги. TMB се измерва при топлокръвни животни, като птици и бозайници.

Мерни единици за измерване на метаболитните скорости

TMS и РП обикновено се изразяват като О ₂ потребление (мл), калории (CAL), килокалории (ккал), джаула (J), килоджаули (килоджаул) или w (W).

Калорията се определя като количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на 1 g вода с 1 ° C. Една калория се равнява на 1686 джаула. Джоулът е основната мярка (SI, Международна система) на енергията. Ватът, който е равен на 1 джаул в секунда, е основната (SI) мярка за скорост на трансфер на енергия и трансформация.

Условия за измерване на базалния метаболизъм

За да се гарантира, че стойностите, получени от различни изследвания, са сравними, измерването на TMS и BMR изисква експерименталните животни да са в покой и на гладно. В случай на TMB, тези животни също трябва да се намират в термонейтралната си зона.

Животното се счита в покой, ако е в неактивна фаза на нормалния си дневен цикъл, без спонтанни движения и без физически или психологически стрес.

Животно се счита за гладно, ако не усвоява храната по начин, който генерира топлина.

Счита се, че животно се намира в неговата термонеутрална зона, ако по време на експериментите се държи в температурния диапазон, в рамките на който неговата топлинна продукция остава непроменена.

Респирометрични методи за измерване на tms и tmb

- Респирометрия за обем или постоянно налягане. Животното се държи в запечатан контейнер. Промените в налягането, дължащи се на консумацията на O ₂ от животното, се измерват при постоянна температура с помощта на манометър. CO _2, произведен от животното, се елиминира химически с помощта на KOH или аскарит.

Ако се използва респирометър на Warburg, промяната на налягането се измерва чрез поддържане на постоянен обем на контейнера. Ако се използва респирометър Gilson, промяната в обема се измерва чрез поддържане на постоянно налягане.

- Анализ на газ. В момента има голямо разнообразие от лабораторни инструменти, които позволяват директно количествено определяне на O ₂ и CO ₂ концентрации. Този инструмент е много прецизен и позволява автоматични определяния.

Калориметрични методи за измерване на tms и tmb

- Болотна калориметрия. Консумацията на енергия се изчислява чрез сравняване на топлината, получена при изгарянето на проба от нехранена храна, с топлината, получена при изгарянето на еквивалентна проба от смилани остатъци (изпражнения и урина) от тази храна.

- Директна калориметрия. Състои се от директно измерване на топлината, получена от пламъка на горенето на пробата.

- Индиректна калориметрия. Той измерва производството на топлина, като сравнява потреблението на O ₂ и производството на CO ₂. Той се основава на закона на Хес за постоянна сума на топлина, който гласи, че при химическа реакция се отделя количество топлина в зависимост само от естеството на реагентите и продуктите.

- Градиентна калориметрия. Ако топлинен поток Q преминава през материал с дебелина G, площ A и топлопроводимост C, резултатът е температурен градиент, който се увеличава с G и намалява с A и C. Това прави възможно изчисляването на енергийните разходи.

- Диференциална калориметрия. Той измерва топлинния поток между камера, съдържаща експерименталното животно, и съседна незаета камера. Двете камери са топлоизолирани с изключение на повърхността, която се съединява с тях, през която те обменят топлина.

Базален метаболизъм и размер на тялото

TMS и BMR варират непропорционално спрямо размера на животните. Тази връзка е известна като метаболитна ескалация. Концепцията може лесно да се разбере, като се сравнят два растителноядни бозайници с много различни размери, като заек и слон.

Ако определим количеството зеленина, която ядат в продължение на седмица, щяхме да открием, че заекът яде много по-малко от слона. Въпреки това, масата на изядената от първата зеленина ще бъде много по-голяма от собствената й телесна маса, докато при втората ще бъде обратното.

Това несъответствие показва, че пропорционално на техния размер енергийните нужди на двата вида са различни. Проучването на стотици животински видове показва, че това конкретно наблюдение е част от общ модел на метаболична ескалация, който може да бъде оценен по отношение на TMS и BMR.

Например, средният BMR (2200 J / h) от 100 g бозайници не е десет пъти, а само 5,5 пъти, по-голям от средния BMR (400 J / h) от 10 g бозайници. По същия начин, средният BMR на бозайници от 400 g (4940 J / h) не е четири пъти, а само 2,7 пъти, по-голям от средния BMR на бозайници от 100 g.

Алометрично уравнение на метаболитно мащабиране

Връзката TMS (или TMB), представена от T, и телесната маса, представена от M, на животно, могат да бъдат описани с класическото уравнение на биологичната алометрия, T = a × M ^b, в което a и b са константи.

Съответствието с това уравнение обяснява математически защо TMS и BMR не варират пропорционално на масата на животните. Прилагайки логаритми от двете страни, уравнението може да се изрази по следния начин

log (T) = log (a) + b × log (M), log (a) и b могат да бъдат оценени чрез линеен регресионен анализ между експерименталните стойности на log (T) и log (M) на множество видове от животинска група. Постоянният log (a) е точката на прекъсване на регресионната линия по вертикалната ос. От своя страна, b, който е наклонът на споменатата линия, е алометричната константа.

Установено е, че средната алометрична константа на много животински групи е близка до 0,7. В случая на log (a), колкото по-високи са неговите стойности, толкова по-високи са метаболитните скорости на изследваната група животни.

Базален метаболизъм, кръвообращение и дишане

Липсата на пропорционалност на TMS и BMR по отношение на размер причинява, че малки животни имат по-високи O ₂ потребности на всеки грам от телесната маса от големи животни. Например, скоростта на разход на енергия на един грам китова тъкан е много по-ниска от тази на един грам хомоложна миши тъкан.

Големите и малки бозайници имат сърца и бели дробове с подобни размери по отношение на телесната си маса. Поради тази причина степента на свиване на сърцето и белите дробове на последните трябва да бъде много по-висока от тази на първата, за да може да пренесе достатъчно количество O ₂ в тъканите.

Например, броят на сърдечните удари в минута е 40 при слон, 70 при възрастен човек и 580 при мишка. По същия начин хората дишат около 12 пъти, а мишките - около 100 пъти в минута.

В рамките на един и същи вид тези модели се наблюдават и между индивиди с различна големина. Например, при възрастни хора мозъкът е отговорен за приблизително 20% от общите разходи за метаболизъм, докато при деца на възраст от 4 до 5 години тези разходи достигат 50%.

Базален метаболизъм и дълголетие

При бозайниците размерите на мозъка и тялото и основния метаболизъм са свързани с дълголетието чрез уравнението

L = 5,5 × C ^0,54 × M ^-0,34 × T ^-0,42, Където L е дълголетие в месеци, C е мозъчната маса в грамове, M е телесна маса в грамове, а T е BMR в калории на грам на час.

Показателят за С показва, че дълголетието на бозайниците има положителна връзка с размера на мозъка. Показателят на М показва, че дълголетието има отрицателна връзка с телесната маса. Показателят на Т показва, че дълголетието има отрицателна връзка със скоростта на метаболизма.

Тази връзка, макар и с различни показатели, е приложима и за птиците. Те обаче са склонни да живеят по-дълго от бозайници с подобна телесна маса.

Медицински интерес

BMR при жените може да се удвои по време на бременност. Това се дължи на увеличаването на консумацията на кислород, причинено от растежа на плода и маточните структури, както и от по-голямото развитие на майчината циркулация и бъбречната функция.

Диагнозата хипертиреоидизъм може да бъде потвърдена от повишена консумация на кислород, тоест висока BMR. В около 80% от случаите на свръхактивна щитовидна жлеза, BMR е поне 15% по-висок от нормалния. Въпреки това, висок BMR може да бъде причинен и от други заболявания.

Препратки

1. Guyton, AC, Hall, JE 2001. Трактат по медицинска физиология. McGraw-Hill Interamericana, Мексико.
2. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. 2012. Физиология на животните. Sinauer Associates, Съндърланд.
3. Lighton, JRB 2008. Измерване на метаболитните нива - наръчник за учените. Oxford University Press, Оксфорд.
4. Lof, M., Olausson, H., Bostrom, K., Janerot-Sjöberg, B., Sohlstrom, A., Forsum, E. 2005. Промени в основния метаболизъм по време на бременност във връзка с промените в телесното тегло и състава, сърдечна продукция, инсулинообразен растежен фактор I и хормони на щитовидната жлеза и във връзка с растежа на плода. American Journal of Clinical Nutrition, 81, 678–85.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K. 1998. Физиология на животните - механизми и адаптации. McGraw-Hill Interamericana, Мадрид.
6. Solomon, SJ, Kurzer, MS, Calloway, DH 1982. Менструален цикъл и основен метаболизъм при жените. American Journal of Clinical Nutrition, 36, 611–616.
7. Willmer, P., Stone, G., Johnston, I. 2005. Физиологията на околната среда на животните. Блеквел, Оксфорд.