معامل التنفس

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

معامل التنفس ( RQ أو معامل التنفس ) هو رقم لا بُعدي يُستخدم في حساب معدل الأيض الأساسي (BMR) عند تقديره من إنتاج ثاني أكسيد الكربون. يُحسب من نسبة ثاني أكسيد الكربون الذي ينتجه الجسم إلى الأكسجين الذي يستهلكه، عندما يكون الجسم في حالة استقرار. تُعد هذه القياسات، مثل قياسات امتصاص الأكسجين، أشكالًا من قياس السعرات الحرارية غير المباشر . يُقاس باستخدام جهاز قياس التنفس . تشير قيمة معامل التنفس إلى المغذيات الكبيرة التي يتم استقلابها، حيث تُستخدم مسارات طاقة مختلفة للدهون والكربوهيدرات والبروتينات. [ 1 ] إذا كان الاستقلاب يقتصر على الدهون فقط، فإن معامل التنفس يكون حوالي 0.7، وللبروتينات حوالي 0.8، وللكربوهيدرات 1.0. مع ذلك، في معظم الأحيان، يتكون استهلاك الطاقة من كلٍ من الدهون والكربوهيدرات. يبلغ معامل التنفس التقريبي لنظام غذائي مختلط 0.8. [ 1 ] من العوامل الأخرى التي قد تؤثر على معامل التنفس: توازن الطاقة، ومستوى الأنسولين في الدم، وحساسية الأنسولين. [ 2 ]

يمكن استخدامها في معادلة الغاز السنخي .

نسبة التبادل التنفسي

نسبة التبادل التنفسي ( RER ) هي النسبة بين إنتاج ثاني أكسيد الكربون (CO2 ) الناتج عن عمليات الأيض واستهلاك الأكسجين (O2 ) . [ 3 ] [ 4 ]

تُحدد هذه النسبة بمقارنة الغازات الزفيرية بهواء الغرفة. وتكون قياسات هذه النسبة مساوية لنسبة التبادل التنفسي (RQ) فقط في حالة الراحة أو أثناء ممارسة تمارين هوائية خفيفة إلى متوسطة الشدة دون تراكم اللاكتات . ويعود انخفاض دقة القياس أثناء التمارين اللاهوائية الأكثر شدة ، من بين عوامل أخرى، إلى نظام بيكربونات الصوديوم . يحاول الجسم تعويض تراكم اللاكتات وتقليل حموضة الدم عن طريق طرد المزيد من ثاني أكسيد الكربون عبر الجهاز التنفسي . [ 5 ]

قد يتجاوز معدل تبادل الغازات التنفسية (RER) 1.0 أثناء التمارين الرياضية المكثفة. ولا يُعزى هذا المعدل المرتفع إلى استقلاب الركائز الغذائية، بل إلى العوامل المذكورة سابقًا والمتعلقة بتنظيم البيكربونات. [ 5 ] يُجرى حساب معدل تبادل الغازات التنفسية عادةً بالتزامن مع اختبارات الجهد البدني، مثل اختبار الحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين (VO2 max) . ويمكن استخدامه كمؤشر على اقتراب المشاركين من الإرهاق وحدود جهازهم القلبي التنفسي. وغالبًا ما يُستخدم معدل تبادل الغازات التنفسية الذي يساوي أو يزيد عن 1.0 كمعيار ثانوي لنهاية اختبار الحد الأقصى لاستهلاك الأكسجين . [ 5 ]

حساب

معامل التنفس ( RQ ) هو النسبة التالية:

نسبة التنفس = ثاني أكسيد الكربون المُزال / الأكسجين المُستهلك

حيث يشير مصطلح "التخلص" إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2 ) الذي يتم إزالته من الجسم في حالة مستقرة.

في هذه الحسابات، يجب إعطاء تركيزي ثاني أكسيد الكربون والأكسجين بنفس الوحدات ، وبكميات تتناسب مع عدد الجزيئات. المدخلات المقبولة هي إما عدد المولات ، أو أحجام الغاز عند درجة الحرارة والضغط القياسيين.

تتكون العديد من المواد المُستقلبة من مركبات تحتوي فقط على عناصر الكربون والهيدروجين والأكسجين . ومن الأمثلة على ذلك الأحماض الدهنية ، والجليسرول ، والكربوهيدرات ، ونواتج نزع الأمين ، والإيثانول . وللأكسدة الكاملة لهذه المركبات، تكون المعادلة الكيميائية كما يلي :

C x H y O z + (x + y/4 - z/2) O 2 → x CO 2 + (y/2) H 2 O

وبالتالي فإن استقلاب هذا المركب يعطي RQ بقيمة x/(x + y/4 - z/2).

بالنسبة للجلوكوز، ذي الصيغة الجزيئية C6H12O6 ، فإن معادلة الأكسدة الكاملة هي C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O . وبالتالي ، فإن RQ = 6CO2 / 6O2 = 1 .

لأكسدة جزيء حمض دهني، وهو حمض البالمتيك : [ 6 ]

23 يا2+ج16ح32يا2→16 جيا2+16 ح2يا+129 أتيP{\displaystyle 23\ \mathrm {O} _{2}+\mathrm {C} _{16}\mathrm {H} _{32}\mathrm {O} _{2}\to 16\ \mathrm {CO} _{2}+16\ \mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +129\ \mathrm {ATP} }
RهـR=Vجيا2Vيا2=16 جيا223 يا2≈0.7{\displaystyle \mathrm {RER} ={\frac {\mathrm {VCO} _{2}}{\mathrm {VO} _{2}}}={\frac {16\ \mathrm {CO} _{2}}{23\ \mathrm {O} _{2}}}\approx 0.7}

تشير قيمة RQ القريبة من 0.7 إلى أن الدهون هي المصدر الرئيسي للطاقة، بينما تشير قيمة 1.0 إلى أن الكربوهيدرات هي المصدر الرئيسي للطاقة، وتشير قيمة بين 0.7 و1.0 إلى مزيج من الدهون والكربوهيدرات. [ 6 ] بشكل عام، يتوافق النظام الغذائي المختلط مع نسبة تبادل تنفسي (RER) تبلغ حوالي 0.8. [ 7 ] بالنسبة للدهون، تعتمد قيمة RQ على الأحماض الدهنية المحددة الموجودة. من بين الأحماض الدهنية المخزنة بشكل شائع في الفقاريات، تتراوح قيمة RQ من 0.692 ( حمض الستياريك ) إلى 0.759 ( حمض الدوكوساهيكسانويك ). تاريخيًا، كان يُفترض أن "متوسط ​​الدهون" له قيمة RQ تبلغ حوالي 0.71، وهذا ينطبق على معظم الثدييات بما في ذلك البشر. ومع ذلك، أظهرت دراسة حديثة أن الحيوانات المائية، وخاصة الأسماك، لديها دهون من المفترض أن تُنتج قيم RQ أعلى عند الأكسدة، تصل إلى 0.73 بسبب الكميات الكبيرة من حمض الدوكوساهيكسانويك. [ 8 ]

يتراوح معامل التنفس للكائنات الحية في حالة توازن أيضي عادةً بين 1.0 (القيمة المتوقعة لأكسدة الكربوهيدرات النقية) و0.7 تقريبًا (القيمة المتوقعة لأكسدة الدهون النقية). وبشكل عام، تحتاج الجزيئات الأكثر تأكسدًا (مثل الجلوكوز) إلى كمية أقل من الأكسجين لإتمام عملية التمثيل الغذائي، وبالتالي يكون لها معامل تنفس أعلى. في المقابل، تحتاج الجزيئات الأقل تأكسدًا (مثل الأحماض الدهنية) إلى كمية أكبر من الأكسجين لإتمام عملية التمثيل الغذائي، ويكون لها معامل تنفس أقل. راجع معدل الأيض الأساسي (BMR) لمناقشة كيفية حساب هذه القيم. ينتج عن اتباع نظام غذائي مختلط من الدهون والكربوهيدرات قيمة متوسطة بين هاتين القيمتين.

تمثل قيمة RQ القيمة الحرارية لكل لتر من ثاني أكسيد الكربون المُنتَج. وفي حال توفر بيانات استهلاك الأكسجين ، تُستخدم عادةً بشكل مباشر، لأنها تُعدّ تقديرات أكثر دقة وموثوقية لإنتاج الطاقة.

يشمل معدل التبادل التنفسي (RQ) المقاس مساهمة من الطاقة الناتجة عن البروتين. ومع ذلك، ونظرًا لتعقيد الطرق المختلفة التي يمكن من خلالها استقلاب الأحماض الأمينية المختلفة، لا يمكن تحديد قيمة RQ واحدة لأكسدة البروتين في النظام الغذائي.

يرتبط الأنسولين، الذي يزيد من تخزين الدهون ويقلل من أكسدتها، ارتباطًا إيجابيًا بزيادة معامل التنفس. [ 2 ] كما أن توازن الطاقة الإيجابي يؤدي إلى زيادة معامل التنفس. [ 2 ]

التطبيقات

تُوجد تطبيقات عملية لنسبة التنفس في الحالات الشديدة من مرض الانسداد الرئوي المزمن ، حيث يبذل المرضى قدرًا كبيرًا من الطاقة في عملية التنفس. بزيادة نسبة الدهون في النظام الغذائي، تنخفض نسبة التنفس، مما يؤدي إلى انخفاض نسبي في كمية ثاني أكسيد الكربون المُنتَج . وهذا يُقلل من عبء التنفس اللازم للتخلص من ثاني أكسيد الكربون ، وبالتالي يُقلل من كمية الطاقة المُستَهلَكة في عملية التنفس. [ 9 ]

يمكن استخدام معامل التنفس كمؤشر على الإفراط في التغذية أو نقصها. يؤدي نقص التغذية، الذي يُجبر الجسم على استهلاك مخزون الدهون، إلى انخفاض معامل التنفس، بينما يؤدي الإفراط في التغذية، الذي يُحفز تكوين الدهون ، إلى ارتفاعه. [ 10 ] يُشير معامل التنفس الأقل من 0.85 إلى نقص التغذية، بينما يُشير معامل التنفس الأكبر من 1.0 إلى الإفراط في التغذية. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية لدى المرضى الذين يعانون من ضعف في الجهاز التنفسي، حيث يرتبط ارتفاع معامل التنفس ارتباطًا وثيقًا بزيادة معدل التنفس وانخفاض حجم الهواء المتبادل ، مما يُعرّض هؤلاء المرضى لخطر كبير. [ 10 ]

نظراً لدوره في عملية الأيض، يُستخدم معامل التنفس في تحليل وظائف الكبد وتشخيص أمراضه. لدى مرضى تليف الكبد ، تُعدّ قيم معامل التنفس غير البروتيني (npRQ) مؤشرات جيدة للتنبؤ بمعدل البقاء على قيد الحياة. يُظهر المرضى الذين لديهم npRQ أقل من 0.85 معدلات بقاء أقل بكثير مقارنةً بالمرضى الذين لديهم npRQ أعلى من 0.85. [ 11 ] يرتبط انخفاض npRQ بانخفاض تخزين الجليكوجين في الكبد. [ 11 ] تشير أبحاث مماثلة إلى أن أمراض الكبد الدهنية غير الكحولية تترافق أيضاً مع انخفاض قيمة معامل التنفس، وأن قيمة معامل التنفس غير البروتيني تُعدّ مؤشراً جيداً على شدة المرض. [ 11 ]

في الآونة الأخيرة، يستخدم علماء الأحياء المائية معامل التنفس لتسليط الضوء على تطبيقاته البيئية. وقد أشارت الدراسات التجريبية التي أُجريت على البكتيريا العالقة في الطبيعة باستخدام ركائز مفردة مختلفة إلى أن معامل التنفس مرتبط بالتركيب العنصري للمركبات المتنفسة. [ 12 ] وبهذه الطريقة، يتضح أن معامل التنفس للبكتيريا العالقة ليس مجرد جانب عملي لتحديد تنفسها، بل هو أيضًا متغير رئيسي لحالة النظام البيئي، يوفر معلومات فريدة حول وظائف النظام البيئي المائي . [ 12 ] وبناءً على قياس العناصر المختلفة للركائز الأيضية، يمكن للعلماء التنبؤ بأن الأكسجين المذاب (O2 ) وثاني أكسيد الكربون (CO2 ) في النظم البيئية المائية يجب أن يتغيرا عكسيًا نتيجة لعمليتي التمثيل الضوئي والتنفس . [ 13 ] وباستخدام هذا المعامل ، يمكننا إلقاء الضوء على السلوك الأيضي والأدوار المتزامنة للعوامل الكيميائية والفيزيائية التي تُشكل الكيمياء الحيوية للنظم البيئية المائية. [ 13 ]

بالانتقال من المستوى الجزيئي والخلوي إلى مستوى النظام البيئي، تُفسر عملياتٌ مُتعددة تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون بين الغلاف الحيوي والغلاف الجوي. يُمكن استخدام القياسات الميدانية للاستهلاك المُتزامن للأكسجين (-ΔO₂ ) وإنتاج ثاني أكسيد الكربون (ΔCO₂ ) لاستخلاص مُعامل التنفس الظاهري (ARQ). [ 14 ] تعكس هذه القيمة التأثير التراكمي ليس فقط للتنفس الهوائي لجميع الكائنات الحية (الكائنات الدقيقة والمستهلكات العليا) في العينة، بل أيضًا لجميع العمليات البيوجيوكيميائية الأخرى التي تستهلك الأكسجين دون إنتاج مُقابل لثاني أكسيد الكربون ، والعكس صحيح، مما يؤثر على مُعامل التنفس المُلاحظ.

نسب التنفس لبعض المواد

اسم المادةمعامل التنفس
الكربوهيدرات1
البروتينات0.8 - 0.9 [ 1 ]
الكيتونات (مُعادلة السعرات الحرارية)0.73 [ 15 ]
الكيتونات (منخفضة السعرات الحرارية)0.66 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
ثلاثي الأولين (الدهون)0.71
حمض الأوليك (الدهون)0.71
ثلاثي بالميتين (دهون)0.7
حمض الماليك1.33
حمض الطرطريك1.6
حمض الأكساليك4.0

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 ويدماير، إريك ب.؛ راف، هيرشل؛ سترانج، كيفن ت. (2016). فسيولوجيا الإنسان لفاندر: آليات وظائف الجسم (  الطبعة الرابعة عشرة). نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 978-1-259-29409-9.
  2. إليس ، آمي سي؛ هايات، تانيا سي؛ غاور، باربرا إيه؛ هنتر، غاري آر (2017-05-02). " معامل التنفس يتنبأ بزيادة كتلة الدهون لدى النساء قبل انقطاع الطمث" . السمنة . 18 ( 12 ): 2255-2259 . doi : 10.1038/oby.2010.96 . ISSN 1930-7381 . PMC 3075532. PMID 20448540 .   
  3. ↑ شميدت-نيلسن، كنوت (1997). فسيولوجيا الحيوان . كامبريدج، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة كامبريدج. ص 171. ISBN  0-521-57098-0.
  4. ↑ راموس-خيمينيز، أرنولفو؛ هيرنانديز-توريس، روزا ب.؛ توريس-دوران، باتريشيا ف.؛ روميرو-غونزاليس، خايمي؛ ماشير، ديتر؛ بوساداس-روميرو، كارلوس؛ خواريز-أوروبيزا، ماركو أ. (2008-02-01). "نسبة التبادل التنفسي مرتبطة بمؤشرات اللياقة البدنية لدى الرجال المدربين وغير المدربين: تطبيق محتمل للأشخاص ذوي القدرة المنخفضة على تحمل التمارين الرياضية" . الطب السريري. طب الدورة الدموية والجهاز التنفسي والرئتين . 2 : 1-9 . doi : 10.4137/CCRPM.S449 . ISSN 1178-1157 . PMC 2990231. PMID 21157516 – عبر مجلات SAGE.   
  5. 1 2 3 كاتش، فيكتور ل.؛ مكاردل، ويليام د.؛ كاتش، فرانك آي. (2011). أساسيات فسيولوجيا التمرين (الطبعة الرابعة ). فيلادلفيا: وولترز كلوير/ليبنكوت ويليامز آند ويلكنز هيلث. الصفحات 219-223 . ISBN   978-1-60831-267-2. OCLC 639161214 . 
  6. 1 2 كيني، دبليو. لاري؛ ويلمور، جاك إتش؛ كوستيل، ديفيد إل. (2012). فسيولوجيا الرياضة والتمارين (الطبعة الخامسة ). شامبين، إلينوي: هيومان كينيتكس. الصفحات 117-118 . ISBN   978-0-7360-9409-2. OCLC 747903364 . 
  7. ↑ ويدماير، إريك ب.؛ فاندر، آرثر ج.؛ راف، هيرشل؛ سترانج، كيفن ت. (2018). فسيولوجيا الإنسان لفاندر: آليات وظائف الجسم ( الطبعة الخامسة عشرة). نيويورك، نيويورك. ص 460. ISBN   978-1-259-90388-5. OCLC 1006516790 . {{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  8. ↑ برايس، إي آر؛ ماجر، إي إم (2020). "معامل التنفس: تأثيرات تركيب الأحماض الدهنية". مجلة علم الحيوان التجريبي . 333 (9): 613-618 . Bibcode : 2020JEZA..333..613P . doi : 10.1002/ jez.2422 . PMID 33063463. S2CID 222833275 .  
  9. ↑ كو، سي دي؛ شياو، جي إم؛ لي، جي دي (1993-07-01). "تأثيرات الحميات الغذائية الغنية بالدهون والكربوهيدرات على تبادل الغازات والتهوية لدى مرضى الانسداد الرئوي المزمن والأشخاص الأصحاء". مجلة الصدر . 104 (1): 189-196 . doi : 10.1378/chest.104.1.189 . ISSN 0012-3692 . PMID 8325067 .  
  10. 1 2 ماكلايف، ستيفن أ.؛ لوين، سينثيا س.؛ كليبر، ميليسا ج.؛ ماكونيل، ج. ويسلي؛ جونغ، لورا ي.؛ غولدسميث، ليندا ج. (2003-01-01). "الاستخدام السريري لمعامل التنفس المُستخلص من قياس السعرات الحرارية غير المباشر". مجلة التغذية الوريدية والمعوية . 27 (1): 21-26 . doi : 10.1177/014860710302700121 . ISSN 0148-6071 . PMID 12549594 .  
  11. 1 2 3 نيشيكاوا، هيروكي؛ إينوموتو، هيرايوكي؛ ايواتا، يوشينوري؛ كيشينو، كيوهي؛ شيمونو، يوشيهيرو؛ هاسيغاوا، كونيهيرو؛ ناكانو، شيكاج؛ تاكاتا، ريو؛ إيشي ، أكيو (2017/01/01). "الأهمية النذير للحاصل التنفسي غير البروتيني في المرضى الذين يعانون من تليف الكبد" . الدواء . 96 (3) e5800. دوى : 10.1097/MD.0000000000005800 . ردمك 1536-5964 . بمك 5279081 . بميد 28099336 .   
  12. 1 2 بيرغرين، مارتن؛ لابير، جان فرانسوا؛ ديل جورجيو، بول أ. (مايو 2012). "مقدار وتنظيم معامل التنفس للبكتيريا العالقة عبر تدرجات بيئية للمياه العذبة" . مجلة ISME . 6 (5): 984-993 . Bibcode : 2012ISMEJ...6..984B . doi : 10.1038/ismej.2011.157 . ISSN 1751-7362 . PMC 3329109. PMID 22094347 .   
  13. 1 2 فاشون، دومينيك؛ سادرو، ستيفن؛ بوغارد، ماثيو جيه؛ لابير، جان فرانسوا؛ بولش، هيلين إم؛ روساك، جيمس إيه؛ دينفيلد، بليز إيه؛ لاس، ألو؛ كلاوس، ماركوس؛ كارلسون، يان؛ ويهينماير، جيزا إيه. (أغسطس 2020). "قياسات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون المزدوجة توفر رؤى جديدة حول وظائف النظام البيئي المائي" . رسائل علم البحيرات والمحيطات . 5 (4): 287-294 . Bibcode : 2020LimOL...5..287V . doi : 10.1002/lol2.10135 . ISSN 2378-2242 . 
  14. ↑ أنجرت، أ.؛ ياكير، د.؛ روديغيرو، م.؛ بريسلر، ي.؛ ديفيدسون، إي. أ.؛ وينر، ت. (2015-04-07). "استخدام الأكسجين الجزيئي ( O₂ ) لدراسة العلاقات بين انبعاث ثاني أكسيد الكربون من التربة وتنفس التربة " . علوم الأرض الحيوية . 12 (7): 2089-2099 . Bibcode : 2015BGeo ... 12.2089A . doi : 10.5194 / bg - 12-2089-2015 . hdl : 11572/225681 . ISSN 1726-4189 . 
  15. ↑ موسيك، أمنون؛ ناطور، هيثم؛ نيوفيلد، ميري ي.؛ شيف، يافا؛ فايسمان، ناحوم (2009). "العلاج الغذائي الكيتوني لدى البالغين المصابين بالصرع المقاوم للعلاج: دراسة تجريبية مستقبلية" . مجلة النوبات . 18 (1): 30-3 . doi : 10.1016/j.seizure.2008.06.001 . PMID 18675556. S2CID 2393385 .  
  16. ↑ جونستون، كارول س؛ تجون، شيري ل؛ سوان، باميلا د؛ وايت، أندريا؛ هاتشينز، هيذر؛ سيرز، باري (2006). "لا تتمتع الأنظمة الغذائية الكيتونية منخفضة الكربوهيدرات بأي ميزة أيضية على الأنظمة الغذائية غير الكيتونية منخفضة الكربوهيدرات" . المجلة الأمريكية للتغذية السريرية . 83 (5): 1055-1061 . doi : 10.1093/ajcn/83.5.1055 . PMID 16685046 . 
  17. ↑ فيني، ستيفن د.؛ هورتون، إدوارد س.؛ سيمز، إيثان أ.هـ.؛ هانسون، جون س.؛ دانفورث، إليوت؛ لاغرانج، بيتي م. (1980). "القدرة على ممارسة التمارين الرياضية المعتدلة لدى الأشخاص البدينين بعد التكيف مع نظام غذائي منخفض السعرات الحرارية وكيتوني" . مجلة التحقيقات السريرية . 66 (5): 1152-1161 . doi : 10.1172/JCI109945 . PMC 371554. PMID 7000826 .  
  18. ↑ أوين، أو إي؛ مورغان، إيه بي؛ كيمب، إتش جي؛ سوليفان، جي إم؛ هيريرا، إم جي؛ كاهيل، جي إف (1967). " استقلاب الدماغ أثناء الصيام*" . مجلة التحقيقات السريرية . 46 (10): 1589-95 . doi : 10.1172/JCI105650 . PMC 292907. PMID 6061736 .