Дыхательный коэффициент
 | Было предложено объединить эту статью со статьей «Коэффициент дыхательного обмена» . ( Обсудить ) Предлагается с февраля 2024 г. |
( Дыхательный коэффициент RQ или дыхательный коэффициент ) — это безразмерное число , используемое в расчетах скорости основного обмена (BMR), рассчитанной по производству углекислого газа. Он рассчитывается на основе соотношения углекислого газа, вырабатываемого организмом, к кислороду, потребляемому организмом. Такие измерения, как и измерения поглощения кислорода, являются формами непрямой калориметрии . Его измеряют с помощью респирометра . Значение дыхательного коэффициента указывает, какие макронутриенты метаболизируются, поскольку для жиров, углеводов и белков используются разные пути получения энергии. [1] Если обмен веществ состоит исключительно из липидов, то дыхательный коэффициент равен примерно 0,7, для белков — примерно 0,8, для углеводов — 1,0. Однако в большинстве случаев потребление энергии состоит как из жиров, так и из углеводов. Приблизительный дыхательный коэффициент смешанной диеты составляет 0,8. [1] Некоторые из других факторов, которые могут повлиять на дыхательный коэффициент, — это энергетический баланс, циркулирующий инсулин и чувствительность к инсулину. [2]
Его можно использовать в уравнении альвеолярного газа .
Расчет
[ редактировать ]Дыхательный коэффициент ( RQ ) представляет собой соотношение:
RQ CO = выведенный 2 / израсходованный O 2
где термин «элиминированный» относится к диоксиду углерода (CO 2 ), удаленному из организма.
В этом расчете CO 2 и O 2 должны быть указаны в одних и тех же единицах и в количествах, пропорциональных числу молекул. Приемлемыми входными данными могут быть либо моли , либо объемы газа при стандартной температуре и давлении.
Многие метаболизируемые вещества представляют собой соединения, содержащие только элементы углерод , водород и кислород . Примеры включают жирные кислоты , глицерин , углеводы , продукты дезаминирования и этанол . Для полного окисления таких соединений химическое уравнение имеет вид
C x H y O z + (x + y/4 - z/2) O 2 → х CO 2 + (y/2) H 2 O
и, таким образом, метаболизм этого соединения дает RQ x/(x + y/4 - z/2).
Для глюкозы с молекулярной формулой C 6 H 12 O 6 полное уравнение окисления выглядит так: C 6 H 12 O 6 + 6 O 2. → 6 CO 2 + 6 H 2 O. Таким образом, RQ= 6 CO 2 / 6 O 2 =1.
Для жиров RQ зависит от конкретных присутствующих жирных кислот. Среди жирных кислот, обычно хранящихся у позвоночных, RQ варьируется от 0,692 ( стеариновая кислота ) до 0,759 ( докозагексаеновая кислота ). Исторически считалось, что «средний жир» имеет RQ около 0,71, и это справедливо для большинства млекопитающих, включая человека. Однако недавнее исследование показало, что водные животные, особенно рыбы, содержат жир, который должен давать более высокие RQ при окислении, достигая 0,73 из-за большого количества докозагексаеновой кислоты. [3]
Диапазон дыхательных коэффициентов для организмов с метаболическим балансом обычно колеблется от 1,0 (что соответствует значению, ожидаемому для чистого окисления углеводов) до ~ 0,7 (значению, ожидаемому для чистого окисления жиров). В целом, более окисленные молекулы (например, глюкоза) требуют меньше кислорода для полного метаболизма и, следовательно, имеют более высокие дыхательные коэффициенты. И наоборот, молекулы, которые менее окислены (например, жирные кислоты), требуют больше кислорода для полного метаболизма и имеют более низкие дыхательные коэффициенты. См. BMR для обсуждения того, как получены эти числа. Смешанная диета, состоящая из жиров и углеводов, дает среднее значение между этими числами.
Значение RQ соответствует калорийности каждого литра (л) произведенного CO 2 . O 2 Если имеются данные о потреблении , они обычно используются напрямую, поскольку они представляют собой более прямую и надежную оценку производства энергии.
Измеренный RQ включает в себя вклад энергии, вырабатываемой из белка. Однако из-за сложности различных путей метаболизма разных аминокислот ни один RQ не может быть отнесен к окислению белка в рационе.
Инсулин, который увеличивает запасы липидов и уменьшает окисление жиров, положительно связан с увеличением дыхательного коэффициента. [2] Положительный энергетический баланс также приведет к увеличению дыхательного коэффициента. [2]
Приложения
[ редактировать ]Практическое применение дыхательного коэффициента можно найти в тяжелых случаях хронической обструктивной болезни легких , при которых пациенты затрачивают значительное количество энергии на дыхательные усилия. Увеличение доли жиров в рационе снижает дыхательный коэффициент, что приводит к относительному уменьшению количества вырабатываемого CO 2 . Это снижает дыхательную нагрузку по удалению CO 2 , тем самым уменьшая количество энергии, затрачиваемой на дыхание. [4]
Дыхательный коэффициент можно использовать как индикатор переедания или недоедания. Недоедание, заставляющее организм использовать запасы жира, снижает дыхательный коэффициент, а переедание, вызывающее липогенез , увеличивает его. [5] Недоедание характеризуется дыхательным коэффициентом ниже 0,85, тогда как дыхательный коэффициент выше 1,0 указывает на перекорм. Это особенно важно для пациентов с нарушенной дыхательной системой, поскольку увеличение дыхательного коэффициента значительно соответствует увеличению частоты дыхания и уменьшению дыхательного объема , что подвергает пациентов с нарушениями значительному риску. [5]
Благодаря своей роли в обмене веществ дыхательный коэффициент можно использовать при анализе функции печени и диагностике заболеваний печени. У пациентов с циррозом печени значения небелкового дыхательного коэффициента (npRQ) служат хорошим индикатором для прогнозирования общей выживаемости. Пациенты с npRQ <0,85 демонстрируют значительно более низкие показатели выживаемости по сравнению с пациентами с npRQ>0,85. [6] Снижение npRQ соответствует уменьшению запасов гликогена в печени. [6] Аналогичные исследования показывают, что неалкогольные жировые заболевания печени также сопровождаются низким значением дыхательного коэффициента, а значение небелкового дыхательного коэффициента является хорошим показателем тяжести заболевания. [6]
В последнее время дыхательный коэффициент также используется учеными-водниками для освещения его экологических применений. Экспериментальные исследования природного бактериопланктона с использованием различных отдельных субстратов показали, что RQ связан с элементным составом вдыхаемых соединений. [7] Таким образом, показано, что RQ бактериопланктона является не только практическим аспектом определения дыхания бактериопланктона, но и основной переменной состояния экосистемы, которая дает уникальную информацию о функционировании водной экосистемы . [7] Основываясь на стехиометрии различных метаболизируемых субстратов, ученые могут предсказать, что растворенный кислород (O 2 ) и углекислый газ (CO 2 ) в водных экосистемах должны изменяться обратно пропорционально из-за процессов фотосинтеза и дыхания . [8] Используя этот коэффициент, мы могли бы пролить свет на метаболическое поведение и одновременную роль химических и физических воздействий, которые формируют биогеохимию водных экосистем. [8]
Переходя от молекулярного и клеточного уровня к экосистемному, различные процессы обеспечивают обмен О 2 и СО 2 между биосферой и атмосферой. Полевые измерения одновременного потребления кислорода (-ΔO 2 ) и образования углекислого газа (ΔCO 2 ) можно использовать для получения кажущегося дыхательного коэффициента (ARQ). [9] Эта величина отражает совокупный эффект не только аэробного дыхания всех организмов (микроорганизмов и высших потребителей) в пробе, но и всех других биогеохимических процессов, потребляющих О 2 без соответствующего образования СО 2 и наоборот, влияющих на наблюдаемый RQ.
Дыхательные коэффициенты некоторых веществ
[ редактировать ]| Название вещества | Дыхательный коэффициент |
|---|---|
| Углеводы | 1 |
| Белки | 0.8 - 0.9 [1] |
| Кетоны (эукалорийные) | 0.73 [10] |
| Кетоны (гипокалорийные) | 0.66 [11] [12] [13] |
| Триолеин (Жир) | 0.71 |
| Олеиновая кислота (жир) | 0.71 |
| Трипальмитин (жир) | 0.7 |
| Яблочная кислота | 1.33 |
| Винная кислота | 1.6 |
| Щавелевая кислота | 4.0 |
См. также
[ редактировать ]- Коэффициент дыхательного обмена - соотношение между метаболическим производством углекислого газа и потреблением кислорода.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Видмайер, Эрик П.; Рафф, Гершель; Стрэнг, Кевин Т. (2016). Физиология человека Вандера: механизмы функционирования тела (14-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN 9781259294099 .
- ^ Jump up to: а б с Эллис, Эми С; Хаятт, Таня С; Гауэр, Барбара А; Хантер, Гэри Р. (2 мая 2017 г.). «Дыхательный коэффициент предсказывает увеличение жировой массы у женщин в пременопаузе» . Ожирение . 18 (12): 2255–2259. дои : 10.1038/oby.2010.96 . ISSN 1930-7381 . ПМК 3075532 . ПМИД 20448540 .
- ^ Цена, ЕР; Магер, Э.М. (2020). «Дыхательный коэффициент: Влияние состава жирных кислот». Журнал экспериментальной зоологии . 333 (9): 613–618. Бибкод : 2020JEZA..333..613P . дои : 10.1002/jez.2422 . ПМИД 33063463 . S2CID 222833275 .
- ^ Куо, CD; Шиао, генеральный менеджер; Ли, доктор юридических наук (1 июля 1993 г.). «Влияние диеты с высоким содержанием жиров и углеводов на газообмен и вентиляцию у пациентов с ХОБЛ и нормальных людей». Грудь . 104 (1): 189–196. дои : 10.1378/сундук.104.1.189 . ISSN 0012-3692 . ПМИД 8325067 .
- ^ Jump up to: а б МакКлэйв, Стивен А.; Лоуэн, Синтия К.; Клебер, Мелисса Дж.; МакКоннелл, Дж. Уэсли; Юнг, Лаура Ю.; Голдсмит, Линда Дж. (1 января 2003 г.). «Клиническое использование дыхательного коэффициента, полученного методом непрямой калориметрии». Журнал парентерального и энтерального питания . 27 (1): 21–26. дои : 10.1177/014860710302700121 . ISSN 0148-6071 . ПМИД 12549594 .
- ^ Jump up to: а б с Кёхей; Хасэгава, Кунихиро; Исии, Акио (01.01.2017). Нишикава, Хироки; Ивата, Кишино , у больных циррозом печени» . Медицина . 96 (3): e5800. : 10.1097 /MD.0000000000005800 . ISSN 1536-5964 . PMC 5279081. . PMID 28099336 doi
- ^ Jump up to: а б Берггрен, Мартин; Лапьер, Жан-Франсуа; дель Джорджио, Пол А (май 2012 г.). «Величина и регулирование дыхательного коэффициента бактериопланктона в зависимости от градиентов пресноводной среды» . Журнал ISME . 6 (5): 984–993. Бибкод : 2012ISMEJ...6..984B . дои : 10.1038/ismej.2011.157 . ISSN 1751-7362 . ПМК 3329109 . ПМИД 22094347 .
- ^ Jump up to: а б Вачон, Доминик; Садро, Стивен; Богард, Мэтью Дж.; Лапьер, Жан-Франсуа; Баулч, Хелен М.; Русак, Джеймс А.; Денфельд, Блейз А.; Лаас, Ало; Клаус, Маркус; Карлссон, Ян; Вейхенмейер, Геса А. (август 2020 г.). «Парные измерения O 2 –CO 2 дают новое представление о функциях водных экосистем» . Письма по лимнологии и океанографии . 5 (4): 287–294. Бибкод : 2020LimOL...5..287В . дои : 10.1002/lol2.10135 . ISSN 2378-2242 .
- ^ Ангерт, А.; Якир, Д.; Родегиеро, М.; Прейслер, Ю.; Дэвидсон, Э.А.; Вайнер, Т. (07 апреля 2015 г.). «Использование O<sub>2</sub> для изучения взаимосвязи между выбросами CO<sub>2</sub> из почвы и дыханием почвы» . Биогеонауки . 12 (7): 2089–2099. Бибкод : 2015BGeo...12.2089A . дои : 10.5194/bg-12-2089-2015 . hdl : 11572/225681 . ISSN 1726-4189 .
- ^ Мосек, Амнон; Натур, Хайтам; Нойфельд, Мири Ю.; Шифф, Яффа; Вайсман, Нахум (2009). «Лечение кетогенной диетой у взрослых с рефрактерной эпилепсией: проспективное пилотное исследование» . Захват . 18 (1): 30–3. дои : 10.1016/j.seizure.2008.06.001 . ПМИД 18675556 . S2CID 2393385 .
- ^ Джонстон, Кэрол С; Тьонн, Шерри Л; Свон, Памела Д.; Уайт, Андреа; Хатчинс, Хизер; Сирс, Барри (2006). «Кетогенные низкоуглеводные диеты не имеют метаболических преимуществ перед некетогенными низкоуглеводными диетами» . Американский журнал клинического питания . 83 (5): 1055–61. дои : 10.1093/ajcn/83.5.1055 . ПМИД 16685046 .
- ^ Финни, Стивен Д.; Хортон, Эдвард С.; Симс, Итан А.Х.; Хэнсон, Джон С.; Дэнфорт, Эллиот; Лагранж, Бетти М. (1980). «Способность к умеренным физическим нагрузкам у людей с ожирением после адаптации к гипокалорийной кетогенной диете» . Журнал клинических исследований . 66 (5): 1152–61. дои : 10.1172/JCI109945 . ПМЦ 371554 . ПМИД 7000826 .
- ^ Оуэн, Огайо; Морган, AP; Кемп, ХГ; Салливан, Дж. М.; Эррера, МГ; Кэхилл, Г.Ф. (1967). «Мозговой обмен во время голодания*» . Журнал клинических исследований . 46 (10): 1589–95. дои : 10.1172/JCI105650 . ПМК 292907 . ПМИД 6061736 .
- ^ Telugu Academi, учебник по ботанике, версия 2007 г. [ нужна проверка ]