التمثيل الغذائي الأساسي: ما هو ، كيف يتم حسابه والبيانات ذات الصلة - مادة الاحياء - 2025

و الأيض القاعدي يمكن تعريفها بأنها مجموعة من التفاعلات الكيميائية في الجسم التي من خلالها حيوان تنفق الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للحفاظ على العمليات الحيوية. يمثل هذا المبلغ عادةً 50٪ أو أكثر من إجمالي ميزانية الطاقة للحيوان.

يتم قياس التمثيل الغذائي القاعدي من خلال مقاييس معيارية لإنفاق الطاقة لكل وحدة زمنية. الأكثر شيوعًا هو معدل الأيض القياسي (TMS) ومعدل الأيض الأساسي (BMR).

المصدر: pixabay.com

يتم قياس TMS في الحيوانات ذوات الدم البارد ، مثل معظم الأسماك والرخويات والبرمائيات والزواحف. يتم قياس TMB في الحيوانات ذوات الدم الحار ، مثل الطيور والثدييات.

وحدات قياس معدلات التمثيل الغذائي

عادةً ما يتم التعبير عن TMS و BMR على أنها استهلاك O ₂ (مل) ، أو سعرات حرارية (كالوري) ، أو سعرات حرارية (kcal) ، أو جول (J) ، أو كيلوجول (kJ) ، أو واط (W).

يتم تعريف السعرات الحرارية على أنها كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة 1 جرام من الماء بمقدار 1 درجة مئوية. السعرات الحرارية الواحدة تساوي 4186 جول. الجول هو المقياس الأساسي (SI ، النظام الدولي) للطاقة. الواط ، الذي يساوي 1 جول في الثانية ، هو المقياس الأساسي (SI) لمعدلات نقل وتحويل الطاقة.

شروط قياس التمثيل الغذائي الأساسي

للتأكد من أن القيم التي تم الحصول عليها من خلال الدراسات المختلفة قابلة للمقارنة ، يتطلب قياس TMS و BMR أن تكون حيوانات التجربة في حالة راحة وصيام. في حالة TMB ، يجب أيضًا أن تكون هذه الحيوانات في منطقتها المحايدة حراريًا.

يعتبر الحيوان في حالة راحة إذا كان في المرحلة غير النشطة من دورته اليومية العادية ، دون حركات عفوية ، وبدون ضغوط جسدية أو نفسية.

يعتبر الحيوان صائماً إذا لم يهضم الطعام بطريقة تولد الحرارة.

يعتبر الحيوان في منطقته المحايدة حراريًا إذا ظل ، أثناء التجارب ، ضمن نطاق درجة الحرارة التي يظل فيها إنتاج حرارة جسمه دون تغيير.

طرق قياس التنفس لقياس tms و tmb

- قياس حجم التنفس أو الضغط المستمر. يتم الاحتفاظ بالحيوان في حاوية مغلقة. يتم قياس تغيرات الضغط بسبب استهلاك الحيوان لـ O ₂ عند درجة حرارة ثابتة بواسطة مقياس ضغط. وCO ₂ يتم القضاء التي تنتجها الحيوانات كيميائيا باستخدام KOH أو ascarite.

إذا تم استخدام مقياس تنفس Warburg ، يتم قياس تغير الضغط بالحفاظ على حجم الحاوية ثابتًا. إذا تم استخدام مقياس التنفس Gilson ، يتم قياس التغير في الحجم بالحفاظ على الضغط ثابتًا.

- تحليل الغازات. حاليا هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من الأدوات المخبرية التي تسمح الكمي المباشر من O ₂ و CO ₂ تركيزات. هذه الأداة دقيقة للغاية وتسمح بالقرارات الآلية.

الطرق المسعرية لقياس tms و tmb

- مسعر القنبلة. يتم تقدير استهلاك الطاقة من خلال مقارنة الحرارة الناتجة عن احتراق عينة من الطعام غير المأكول بالحرارة الناتجة عن احتراق عينة مكافئة من بقايا الطعام المهضوم (البراز والبول).

- المسعر المباشر. يتكون من قياس الحرارة الناتجة عن لهب الاحتراق للعينة مباشرة.

- المسعر غير المباشر. يقيس إنتاج الحرارة من خلال مقارنة استهلاك O ₂ وإنتاج CO ₂. يعتمد على قانون هيس للمجموع الثابت للحرارة ، والذي ينص على أنه في تفاعل كيميائي يتم إطلاق كمية من الحرارة اعتمادًا فقط على طبيعة المواد المتفاعلة والمنتجات.

- قياس التدرج. إذا كان تدفق الحرارة Q يمر عبر مادة بسمك G ، والمنطقة A ، والتوصيل الحراري C ، فإن النتيجة هي تدرج درجة حرارة يزداد مع G وينخفض ​​مع A و C. هذا يجعل من الممكن حساب نفقات الطاقة.

- المسعر التفاضلي. يقيس التدفق الحراري بين غرفة تحتوي على حيوان التجربة وغرفة غير مأهولة مجاورة. الغرفتان معزولتان حرارياً باستثناء السطح الذي يربط بينهما والذي يتم من خلاله تبادل الحرارة.

التمثيل الغذائي الأساسي وحجم الجسم

يختلف TMS و BMR بشكل غير متناسب مع حجم الحيوانات. تُعرف هذه العلاقة بالتصعيد الأيضي. يمكن فهم هذا المفهوم بسهولة من خلال مقارنة نوعين من الثدييات العاشبة ذات أحجام مختلفة جدًا ، مثل الأرانب والفيل.

إذا حددنا كمية أوراق الشجر التي يأكلونها لمدة أسبوع ، فسنجد أن الأرنب يأكل أقل بكثير من الفيل. ومع ذلك ، فإن كتلة أوراق الشجر التي يأكلها الأول ستكون أكبر بكثير من كتلة جسمه ، بينما في الحالة الثانية سيكون العكس.

يشير هذا التفاوت إلى أن احتياجات الطاقة لكلا النوعين ، متناسبة مع حجمها. تُظهر دراسة مئات الأنواع الحيوانية أن هذه الملاحظة الخاصة هي جزء من نمط عام لتصعيد التمثيل الغذائي القابل للقياس الكمي من حيث TMS و BMR.

على سبيل المثال ، متوسط ​​معدل الاستقلاب الأساسي (2200 جول / ساعة) ل 100 جرام من الثدييات ليس عشر مرات ، بل 5.5 مرات فقط ، أكبر من متوسط ​​معدل الاستقلاب الأساسي (400 جول / ساعة) ل 10 جرام من الثدييات. وبالمثل ، فإن متوسط ​​معدل الاستقلاب الأساسي للثدييات البالغ 400 جم (4940 جول / ساعة) ليس أربع مرات ، بل 2.7 مرة فقط ، أكبر من متوسط ​​معدل الأيض الأساسي لدى الثدييات البالغ 100 جم.

معادلة القياس الأيضي

يمكن وصف العلاقة TMS (أو TMB) ، التي يمثلها T ، وكتلة الجسم ، ممثلة بـ M ، للحيوان من خلال المعادلة الكلاسيكية لقياس التباين البيولوجي ، T = a × M ^b ، حيث يكون a و b ثوابت.

يفسر التوافق مع هذه المعادلة رياضيًا سبب عدم اختلاف TMS و BMR بشكل متناسب مع كتلة الحيوانات. بتطبيق اللوغاريتمات على كلا الطرفين ، يمكن التعبير عن المعادلة على النحو التالي

تسجيل الدخول (T) = تسجيل الدخول (أ) + ب × سجل (م) ،

يمكن تقدير السجل (أ) و ب عن طريق تحليل الانحدار الخطي بين القيم التجريبية للسجل (T) والسجل (M) لأنواع متعددة من مجموعة حيوانية. السجل الثابت (أ) هو النقطة الفاصلة لخط الانحدار على المحور الرأسي. من جانبه ، b ، وهو ميل الخط المذكور ، هو الثابت التفاضلي.

لقد وجد أن متوسط ​​ثابت التماثل للعديد من المجموعات الحيوانية يميل إلى أن يكون قريبًا من 0.7. في حالة السجل (أ) ، كلما ارتفعت قيمته ، زادت معدلات التمثيل الغذائي لمجموعة الحيوانات قيد التحليل.

التمثيل الغذائي الأساسي والدورة الدموية والتنفس

عدم التناسب من TMS وBMR فيما يتعلق حجم يسبب أن الحيوانات الصغيرة لديها أعلى O ₂ الاحتياجات في كل غرام من كتلة الجسم من الحيوانات الكبيرة. على سبيل المثال ، معدل إنفاق الطاقة لغرام واحد من أنسجة الحوت أقل بكثير من غرام واحد من أنسجة الفئران المتماثلة.

الثدييات الكبيرة والصغيرة لها قلوب ورئتان من نفس الحجم بالنسبة إلى كتلة الجسم. لهذا السبب ، يجب أن تكون معدلات تقلص القلب والرئتين أعلى بكثير من معدلات تقلص الأولى من أجل حمل ما يكفي من O ₂ إلى الأنسجة.

على سبيل المثال ، يبلغ عدد ضربات القلب في الدقيقة 40 في الفيل ، و 70 في الإنسان البالغ ، و 580 في الفأر. وبالمثل ، يتنفس البشر حوالي 12 مرة وتتنفس الفئران حوالي 100 مرة في الدقيقة.

داخل نفس النوع ، يتم ملاحظة هذه الأنماط أيضًا بين الأفراد من مختلف الأحجام. على سبيل المثال ، يكون الدماغ عند البالغين مسؤولاً عن حوالي 20٪ من إجمالي الإنفاق الأيضي ، بينما يصل هذا الإنفاق في الأطفال الذين تتراوح أعمارهم بين 4 و 5 سنوات إلى 50٪.

الأيض الأساسي وطول العمر

في الثدييات ، ترتبط أحجام الدماغ والجسم والتمثيل الغذائي الأساسي بطول العمر بواسطة المعادلة

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

حيث L طول العمر في شهور ، C كتلة دماغ بالجرام ، M كتلة الجسم بالجرام ، T هو معدل الأيض الأساسي في السعرات الحرارية لكل جرام في الساعة.

يشير الأس C إلى أن طول العمر لدى الثدييات له علاقة إيجابية بحجم الدماغ. يشير الأس M إلى أن طول العمر له ارتباط سلبي بكتلة الجسم. يشير أس T إلى أن طول العمر له ارتباط سلبي بسرعة التمثيل الغذائي.

هذه العلاقة ، على الرغم من اختلاف الأسس ، تنطبق أيضًا على الطيور. ومع ذلك ، فإنها تميل إلى العيش لفترة أطول من الثدييات ذات كتلة الجسم المماثلة.

مصلحة طبية

يمكن أن يتضاعف معدل الأيض الأساسي عند النساء أثناء الحمل. ويرجع ذلك إلى زيادة استهلاك الأوكسجين بسبب نمو الجنين وهياكل الرحم ، وتطور الدورة الدموية والوظيفة الكلوية عند الأم.

يمكن تأكيد تشخيص فرط نشاط الغدة الدرقية من خلال زيادة استهلاك الأكسجين ، أي ارتفاع معدل الأيض الأساسي. في حوالي 80٪ من حالات فرط نشاط الغدة الدرقية ، يكون معدل الأيض الأساسي أعلى بنسبة 15٪ على الأقل من المعدل الطبيعي. ومع ذلك ، يمكن أن يكون معدل الأيض الأساسي مرتفعًا أيضًا بسبب أمراض أخرى.

المراجع

1. Guyton، AC، Hall، JE 2001. رسالة في علم وظائف الأعضاء الطبية. McGraw-Hill Interamericana ، المكسيك.
2. Hill، RW، Wyse، GA، Anderson، M. 2012. فسيولوجيا الحيوان. سيناوير أسوشيتس ، سندرلاند.
3. Lighton، JRB 2008. قياس معدلات التمثيل الغذائي - دليل للعلماء. مطبعة جامعة أكسفورد ، أكسفورد.
4. Lof، M.، Olausson، H.، Bostrom، K.، Janerot-Sjöberg، B.، Sohlstrom، A.، Forsum، E. 2005. التغيرات في معدل الأيض الأساسي أثناء الحمل فيما يتعلق بالتغيرات في وزن الجسم وتكوينه ، النتاج القلبي وعامل النمو الشبيه بالأنسولين الأول وهرمونات الغدة الدرقية وعلاقتها بنمو الجنين. المجلة الأمريكية للتغذية السريرية ، 81 ، 678-85.
5. Randall، D.، Burggren، W.، French، K. 1998. فسيولوجيا الحيوان - الآليات والتكيفات. McGraw-Hill Interamericana ، مدريد.
6. Solomon، SJ، Kurzer، MS، Calloway، DH 1982. الدورة الشهرية ومعدل الأيض الأساسي عند النساء. المجلة الأمريكية للتغذية السريرية ، 36 ، 611-616.
7. ويلمر بي ، ستون ، جي ، جونستون ، 2005. فسيولوجيا الحيوانات البيئية. بلاكويل ، أكسفورد.