Bazální rychlost metabolismu

Bazální metabolická rychlost (BMR) je množství energie spotřebované v klidovém stavu v neutrálním prostředí, ve stavu po vstřebávání (což znamená, že trávicí systém je neaktivní, což u člověka vyžaduje přibližně dvanáctihodinový půst). Vydaná energie v tomto stavu stačí pouze na fungování životně důležitých orgánů, jako jsou srdce, plíce, mozek a zbytek nervového systému, játra, ledviny, pohlavní orgány, svaly a kůže. BMR se snižuje s věkem a s úbytkem svalové hmoty. Zvýšené kardiovaskulární cvičení a svalová hmota mohou BMR zvýšit. Nemoc, dříve konzumované potraviny a nápoje, teplota prostředí a úroveň stresu mohou ovlivnit celkový energetický výdej a mohou ovlivnit BMR.

BMR se měří za velmi omezujících podmínek, kdy je člověk vzhůru, ale v naprostém klidu. Přesné měření BMR vyžaduje, aby sympatický nervový systém osoby nebyl stimulován. Běžnějším a úzce souvisejícím měřením, které se používá za méně přísných podmínek, je klidová metabolická rychlost (RMR).

BMR a RMR se měří analýzou plynů pomocí přímé nebo nepřímé kalorimetrie, hrubý odhad však lze získat pomocí rovnice využívající věk, pohlaví, výšku a hmotnost. Studie energetického metabolismu pomocí obou metod poskytují přesvědčivé důkazy o platnosti respiračního kvocientu (R.Q.), který měří vlastní složení a využití sacharidů, tuků a bílkovin při jejich přeměně na jednotky energetického substrátu, které může tělo využít jako energii.

Výživa a dietní opatření

Bazální metabolismus je obvykle zdaleka největší složkou celkového kalorického výdeje. Harrisovy-Benediktovy rovnice jsou však pouze přibližné a rozdíly v BMR (odrážející různé složení těla), v úrovni fyzické aktivity a v energii vynaložené v termogenezi znesnadňují odhad spotřeby stravy, kterou konkrétní jedinec potřebuje k udržení tělesné hmotnosti. Často se uvádí hodnota 2000 kilokalorií, která je však pouze orientační.

Bazální i klidový metabolismus se obvykle vyjadřují jako denní výdej energie. První práce vědců J. Arthura Harrise a Francise G. Benedicta ukázaly, že přibližné hodnoty lze odvodit pomocí plochy povrchu těla (vypočtené z výšky a hmotnosti), věku a pohlaví spolu s měřením kyslíku a oxidu uhličitého získanými kalorimetrií. Studie také ukázaly, že po odstranění rozdílů mezi pohlavími, které vznikají při akumulaci tukové tkáně, vyjádřením rychlosti metabolismu na jednotku "odtučněné" nebo štíhlé tělesné hmotnosti jsou hodnoty bazálního metabolismu mezi pohlavími v podstatě stejné. V učebnicích fyziologie tělesné zátěže jsou tabulky, které ukazují přepočet výšky a tělesného povrchu ve vztahu k hmotnosti a hodnotám bazálního metabolismu.

Hlavním orgánem odpovědným za regulaci metabolismu je hypotalamus. Hypotalamus se nachází na mozkovém kmeni a tvoří dno a část bočních stěn třetí mozkové komory. Hlavní funkce hypotalamu jsou:

Všechny tyto funkce dohromady tvoří mechanismus přežití, který nás nutí udržovat tělesné procesy, které měří BMR a RMR.

Existuje několik předpovědních rovnic. Historicky nejvýznamnější byla Harris-Benedictova rovnice, která byla vytvořena v roce 1919.

Původní rovnice od Harrise a Benedicta jsou:

kde h = celková produkce tepla za 24 hodin v úplném klidu v kilokaloriích (kcal), w = hmotnost v kilogramech, s = výška v centimetrech a a = věk v letech, přičemž rozdíl v BMR u mužů a žen je způsoben především rozdíly v tělesné hmotnosti.

Až do nedávné doby, kdy MD Mifflin a ST St Jeor v roce 1990 vytvořili novou rovnici, se jednalo o nejlepší předpovědní rovnici:

Za posledních 100 let se změnil životní styl a průzkum v roce 2005 ukázal, že je asi o 5 % přesnější.

Například 55letá žena o hmotnosti 59 kg a výšce 168 cm by měla BMR 1266 kcal za den, tj. 52,8 kcal/h (61,3 wattu). To se vypočítá jako 655 + (9,6 x 59) + (1,8 x 168) - (4,7 x 55).

Pro výpočet denní kalorické potřeby se tato hodnota BMR vynásobí koeficientem, jehož hodnota se pohybuje mezi 1,2 a 1,9 v závislosti na úrovni aktivity člověka.

Online kalkulačku BMR pro metrické i nemetrické hodnoty najdete na tomto odkazu.

Kleiberův zákon se týká BMR u zvířat různých velikostí a z pozorování vyplývá, že BMR je úměrná 3/4 mocnině tělesné hmotnosti. Teplokrevní, studenokrevní a jednobuněční živočichové odpovídají různým křivkám.

Tento článek je označen od dubna 2008.

Přibližně 70 % celkového energetického výdeje člověka připadá na základní životní procesy v tělesných orgánech (viz tabulka). Přibližně 20 % energetického výdeje člověka pochází z fyzické aktivity a dalších 10 % z termogeneze neboli trávení potravy [jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text] Všechny tyto procesy vyžadují příjem kyslíku spolu s koenzymy, které zajišťují energii pro přežití (obvykle z makroživin, jako jsou sacharidy, tuky a bílkoviny) a vylučují oxid uhličitý, což vysvětluje Krebsův cyklus.

To, co umožňuje Krebsovu cyklu provádět metabolické změny tuků, sacharidů a bílkovin, je energie, kterou lze definovat jako schopnost nebo schopnost vykonávat práci. Rozklad velkých molekul na menší molekuly spojený s uvolňováním energie je katabolismus. Proces budování se označuje jako anabolismus. Rozklad bílkovin na aminokyseliny je příkladem katabolismu, zatímco tvorba bílkovin z aminokyselin je anabolický proces.

Exergonické reakce jsou reakce, při nichž se uvolňuje energie a které jsou obecně katabolické. Endergonické reakce vyžadují energii a zahrnují anabolické reakce a kontrakci svalů. Metabolismus je souhrnem všech katabolických, exergonických, anabolických a endergonických reakcí.

Adenosintrifosfát (ATP) je mezimolekulou, která pohání exergonický přenos energie, aby se přepnul na endergonické anabolické reakce používané při svalové kontrakci. To je to, co způsobuje práci svalů, která může vyžadovat odbourávání, a také budování v období odpočinku, k němuž dochází během posilovací fáze spojené se svalovou kontrakcí. ATP se skládá z adeninu, báze obsahující dusík, ribózy, pětiuhlíkatého cukru (souhrnně nazývaného adenosin), a tří fosfátových skupin. ATP je vysoce energetická molekula, protože uchovává velké množství energie v chemických vazbách dvou koncových fosfátových skupin. Rozbíjení těchto chemických vazeb v Krebsově cyklu poskytuje energii potřebnou pro svalovou kontrakci.

Protože poměr atomů vodíku a kyslíku ve všech sacharidech je vždy stejný jako ve vodě, tj. 2:1, veškerý kyslík spotřebovaný buňkami se spotřebuje na oxidaci uhlíku v molekule sacharidu za vzniku oxidu uhličitého. Při úplné oxidaci molekuly glukózy tedy vznikne šest molekul oxidu uhličitého a spotřebuje se šest molekul kyslíku.

Celková rovnice této reakce je:

Protože výměna plynů při této reakci je stejná, je respirační kvocient pro sacharidy roven jednotce neboli 1,0:

Celková rovnice pro využití kyseliny palmitové jako substrátu je následující:

R.Q. kyseliny palmitové je tedy 0,696:

Bílkoviny se skládají z uhlíku, vodíku, kyslíku a dusíku, které jsou různě uspořádány a tvoří velkou kombinaci aminokyselin. Na rozdíl od tuků nemá tělo žádné zásobní zásoby bílkovin. Všechny jsou obsaženy v těle jako důležité součásti tkání, krevních hormonů a enzymů. Strukturální složky těla, které tyto aminokyseliny obsahují, neustále procházejí procesem odbourávání a nahrazování. Dýchací kvocient pro metabolismus bílkovin lze demonstrovat chemickou rovnicí pro oxidaci albuminu:

C72H112N2O22S + 77 O2 → 63 CO2 + 38 H2O + SO3 + 9 CO(NH2)2

R.Q. pro albumin je 63 CO2/ 77 O2 = 0,818.

Důvodem, proč je to důležité pro pochopení metabolismu bílkovin, je to, že tělo může tyto tři makroživiny míchat a na základě hustoty mitochondrií lze stanovit preferovaný poměr, který určuje, kolik paliva se využije v jakých balíčcích pro práci vykonávanou svaly. Odhaduje se, že katabolismus (odbourávání) bílkovin zajišťuje 10 až 15 % celkové energetické potřeby během dvouhodinového tréninku. Pokud však má člověk nízké zásoby svalového glykogenu z předchozích cvičení, může se množství energie získané z katabolismu bílkovin zvýšit z 15 % na 45 %. Tento proces by mohl vážně degradovat bílkovinné struktury potřebné k udržení přežití, jako jsou kontraktilní vlastnosti bílkovin v srdci, buněčné mitochondrie, zásobní látky myoglobinu a metabolické enzymy ve svalech.

Tento článek je označen od října 2007.

Existuje několik společností, které testují veřejnost na dechový kvocient, který určuje srdeční frekvenci připisovanou využití substrátů, aby pomohl při hubnutí. Teoreticky se předpokládá, že pokud člověk přesněji pozná, jaké množství energie ze sacharidů, tuků a bílkovin potřebuje k přežití, může zvolit takové vzorce spotřeby, aby efektivněji odpovídaly tomu, co tělo potřebuje pro každodenní činnosti. Důraz se tak přesouvá od kalorické restrikce, která zpomaluje BMR nebo RMR a způsobuje zmaření cílů v oblasti regulace hmotnosti, k využití substrátů, které se zaměřuje na to, co tělo potřebuje k udržení zdraví. Změřením vydaného oxidu uhličitého (VCO2) v ml/min a jeho vydělením spotřebovaným kyslíkem (VO2) v ml/min lze určit R.Q., který lze pro účely aplikace porovnat s tepovou frekvencí. Balkeho běžecký test VO2 Max by mohl pomoci odhadnout, jaké úrovně srdečního výdeje lze dosáhnout při 15minutové úrovni námahy pomocí následující rovnice: (((Celková uběhnutá vzdálenost ÷ 15) - 133). × 0.172) + 33.3. Pro 50letého muže vážícího 150 liber (68 kg), který měří 69¾ palce (177 cm), by to bylo 47 ml/kg/min, pokud by uběhl 3200 metrů za 15 minut. Stejný test s použitím plynové analýzy by však odhalil přesnější informace, například vrcholovou hodnotu VO2 51,8 ml/kg/min při anaerobním prahu 126 tepů za minutu, při 30,2 ml/kg/min a 58 % VO2 max. To by podle Balkeho vzorce znamenalo 1725 metrů za 15 minut. Ale pouze analýza plynů by mohla tuto hodnotu přesně určit pro účely úspěšného hubnutí, pokud by to bylo cílem. Pokud by tedy člověk měl podle plynové analýzy naměřený BMR nebo RMR 1610 kcal a chodil by 10 minut po dráze s tepovou frekvencí 94 tepů za minutu, spotřeboval by všech 25 gramů tuku v jednom čtvrtlibráku se sýrem s předem určeným anaerobním prahem 126 tepů za minutu z maximální hodnoty VO2 51,8 ml/kg/min. Právě tato analýza je to, co chybí současnému režimu dietních programů, které zdůrazňují kalorickou restrikci, celkový kalorický management z měření na váze a RMR nebo BMR ze vzorců využívajících výšku, hmotnost, věk, úroveň aktivity. Tyto metody nedoceňují Krebsův cyklus a schopnost těla přizpůsobit se volbě životního stylu prostřednictvím úpravy BMR a RMR. Měřením organismu pomocí analýzy plynů jako hlavního určovatele BMR za přísných podmínek nalačno nebo RMR pomocí méně přísných měřítek je člověk, který chce dosáhnout optimálnější úrovně kondice, přesněji nasměrován k efektivním vzorcům využití energie.

Důvodem, proč je důležité pochopit tento rozdíl při zátěžovém testování, je to, že je nezbytné vzít v úvahu, zda je srdce schopno poskytnout cvičením namáhaným svalům dostatek kyslíku. Podmínky, jako je obezita, ovlivní schopnost vzorců přesně předpovědět vnější práci, protože potřeba pohybu většího těla mění náklady na kyslík během cvičení nejméně o 5,8 ml/min na každý kg tělesné hmotnosti.

Aerobní vs. anaerobní cvičení

Studie publikované v letech 1992 a 1997 ukazují, že úroveň aerobní zdatnosti jedince nemá žádnou souvislost s úrovní klidového metabolismu. Obě studie zjistily, že úroveň aerobní zdatnosti nezlepšuje prediktivní schopnost Fat Free Mass pro klidovou rychlost metabolismu.

To naznačuje, že anaerobní cvičení může být účinnější při zvyšování klidové metabolické rychlosti (bazální metabolické rychlosti). Anaerobní cvičení, jako je například posilování, vytváří další svalovou hmotu, což je Fat Free Mass. Dodatečná volná tuková hmota povede podle výše uvedených studií k vyšší klidové rychlosti metabolismu. Také aerobní cvičení je sice prospěšné z kardiovaskulárních důvodů i pro přímé spalování kalorií, ale podle výše uvedených studií není užitečné pro zvýšení klidového metabolismu.

V roce 1926 Raymond Pearl navrhl, že délka života se mění nepřímo úměrně s rychlostí bazálního metabolismu ("hypotéza rychlosti života"). Tuto hypotézu podporuje skutečnost, že savci s většími tělesnými rozměry mají delší maximální délku života, a fakt, že délka života ovocných mušek se mění nepřímo úměrně s teplotou prostředí. Kromě toho lze délku života mouchy domácí prodloužit zabráněním fyzické aktivity.

Poměr klidového metabolismu k celkovému dennímu energetickému výdeji se však u různých druhů savců může pohybovat v rozmezí 1,6 až 8,0. Zvířata se také liší mírou propojení mezi oxidativní fosforylací a produkcí ATP, množstvím nasycených tuků v mitochondriálních membránách, mírou oprav DNA a mnoha dalšími faktory, které ovlivňují maximální délku života.

Dlouhověkost organismu a základní metabolická rychlost

V alometrickém škálování je maximální potenciální délka života (MPLS) přímo spojena s rychlostí metabolismu (MR), kde MR je rychlost doplňování biomasy tvořené kovalentními vazbami, které se v průběhu času zhoršují vlivem termodynamického, entropického tlaku. Metabolismus je v podstatě o redoxní vazbě a nemá nic společného s termogenezí. Metabolická účinnost (ME) je pak vyjádřena jako účinnost tohoto spojení, poměr ampérů zachycených a využitých biomasou (W) k ampérům, které jsou k tomuto účelu k dispozici. MR se měří ve wattech, W se měří v gramech. Tyto faktory se kombinují v mocninném zákoně, který je rozpracováním Kleiberova zákona vztahujícího se k MR a W a MPLS a který vypadá jako MR = W^ (4ME-1)/4ME. Když je ME 100 %, MR = W^3/4, což je populárně známé jako čtvrtmocninové škálování, verze alometrického škálování, která vychází z nereálných odhadů biologické účinnosti.

Z rovnice vyplývá, že s poklesem ME pod 20 % pro W < jeden gram se MR/MPLS zvyšuje tak dramaticky, že propůjčuje W virtuální nesmrtelnost o 16 %. Čím menší je W na začátku, tím dramatičtější je nárůst MR při poklesu ME. Do tohoto rozmezí, tj. méně než jeden gram, se vejdou všechny buňky organismu, a proto bude tato MR označována jako BMR.

Rovnice však ukazuje, že s nárůstem ME nad 25 % se BMR blíží nule. Rovnice také ukazuje, že pro všechny W > jeden gram, kde W je uspořádání všech BMR struktury organismu, ale zahrnuje také aktivitu struktury, se s nárůstem ME nad 25 % MR/MPLS spíše zvyšuje, než aby klesala, jako je tomu u BMR. MR tvořená organizací BMR bude označována jako FMR. S poklesem ME pod 25 % se FMR spíše zmenšuje než zvětšuje, jako je tomu u BMR.

Antagonismus mezi FMR a BMR je to, co z energetického hlediska charakterizuje proces stárnutí biomasy W. ME pro organismus je stejná jako pro buňky, takže úspěšnost schopnosti organismu najít potravu (a snížit svou ME) je klíčová pro udržení BMR buněk, která se jinak v důsledku hladovění blíží nule, zatímco nižší ME zároveň snižuje FMR/MPLS organismu.

Metabolismus každého člověka je jedinečný vzhledem k jeho jedinečné tělesné stavbě a fyzickému chování. Pro některé z nich je proto regulace hmotnosti velmi obtížným úkolem vyžadujícím sofistikované odborné znalosti. Existuje řada lékařských úprav přirozených lidských procesů, které mohou ovlivnit metabolismus člověka.

Menopauza ovlivňuje metabolismus, ale u různých lidí různým způsobem, a proto se někdy používají hormony k minimalizaci účinků menopauzy. Silový trénink může mít delší vliv na metabolismus než aerobní trénink, ale v současné době nejsou napsány žádné vzorce, které by dokázaly předpovědět délku a trvání zvýšeného metabolismu z trofických změn při anabolickém nervosvalovém tréninku. Operace žaludečního bypassu se používá ke snížení obsahové kapacity žaludku, čímž se sníží příjem kalorií a sníží termogeneze. Vzhledem k tomu, že operace výrazně snižuje kalorickou spotřebu, sníží se časem BMR a RMR stejným způsobem jako při stárnutí, protože se zmenší objem žaludku. Žaludek spolu se zbytkem trávicího traktu se významně podílí na BMR a RMR. Celiakie, která snižuje schopnost žaludku trávit potravu, může také snížit BMR a RMR. Celiakie je poměrně častá, vyskytuje se u 1 % americké populace, přičemž 2 miliony lidí nejsou diagnostikovány [Jak odkazovat a odkazovat na shrnutí nebo text].

Kardiovaskulární důsledky

Tepová frekvence je určována prodlouženou míchou a částí ponsu, dvěma orgány umístěnými pod hypotalamem v mozkovém kmeni. Srdeční frekvence je důležitá pro bazální metabolismus a klidový metabolismus, protože řídí přívod krve a stimuluje Krebsův cyklus. Během cvičení, při kterém je dosaženo anaerobního prahu, je možné dodávat substráty, které jsou žádoucí pro optimální využití energie. Anaerobní práh je definován jako úroveň využití energie při námaze v srdeční frekvenci, ke které dochází bez přístupu kyslíku během standardizovaného testu se specifickým protokolem pro přesnost měření, jako je například Bruceův protokol na běžeckém pásu (viz Metabolický ekvivalent). Po čtyřech až šesti týdnech cíleného tréninku se tělesné systémy mohou adaptovat na vyšší perfuzi mitochondriální hustoty pro zvýšenou dostupnost kyslíku pro Krebsův cyklus nebo trikarboxylový cyklus či glykolitický cyklus. To následně vede ke snížení klidové tepové frekvence, snížení krevního tlaku a zvýšení klidové nebo bazální metabolické rychlosti.

Znalost toho, co tělo spaluje v klidu nebo při cvičení, umožňuje (prostřednictvím monitorování tepové frekvence) cílený program využití energie na základě metabolického výkonu. Klidová srdeční frekvence koreluje s klidovou metabolickou frekvencí, protože srdce se na přežití podílí mimořádným způsobem. Měřením tepové frekvence pak můžeme odvodit odhady, jaká úroveň využití substrátů skutečně způsobuje biochemický metabolismus v našem těle v klidu nebo při aktivitě. To zase může člověku pomoci udržovat přiměřenou úroveň spotřeby a využití pomocí studia grafického znázornění anaerobního prahu. To lze potvrdit krevními testy a analýzou plynů pomocí přímé nebo nepřímé kalorimetrie, která ukáže vliv využití substrátů. Měření bazálního metabolismu a klidového metabolismu se stávají základními nástroji pro udržení zdravé tělesné hmotnosti.