قياس التنفس

الموسوعة الحرة

قياس التنفس هو مصطلح عام يشمل عددًا من التقنيات للحصول على تقديرات لمعدلات التمثيل الغذائي للفقاريات واللافقاريات والنباتات والأنسجة والخلايا أو الكائنات الحية الدقيقة من خلال قياس غير مباشر لإنتاج الحرارة ( قياس السعرات الحرارية ).

معدلات الأيض في الحيوان بأكمله

يُقدَّر معدل الأيض لدى الحيوان بتحديد معدلات إنتاج ثاني أكسيد الكربون (VCO₂ ) واستهلاك الأكسجين (VO₂ ) لكل حيوان على حدة، إما في نظام قياس التنفس ذي الدائرة المغلقة أو المفتوحة. ويُقاس عادةً معدلان: معدل الأيض القياسي (SMR) أو معدل الأيض الأساسي (BMR)، ومعدل الأيض الأقصى ( VO₂max ). يُقاس معدل الأيض القياسي (SMR) أثناء راحة الحيوان (وليس أثناء نومه) في ظل ظروف مخبرية محددة (درجة الحرارة، الترطيب) وظروف خاصة بكل حيوان (مثل الحجم أو التناسب [ 1 ] )، والعمر، والحالة التناسلية، وما بعد الامتصاص لتجنب التأثير الحراري للطعام . [ 2 ] يُحدد معدل الأيض الأقصى (VO₂max ) عادةً أثناء ممارسة التمارين الهوائية عند أو بالقرب من الحدود الفسيولوجية. [ 3 ] في المقابل، يشير معدل الأيض الميداني (FMR) إلى معدل الأيض لحيوان نشط غير مقيد في بيئته الطبيعية. [ 4 ] تشير معدلات الأيض للحيوان ككل إلى هذه القياسات دون تصحيح لكتلة الجسم. إذا قُسّمت قيم معدل الأيض القياسي (SMR) أو معدل الأيض الأساسي (BMR) على قيمة كتلة الجسم للحيوان، فإن المعدل يُسمى معدل الأيض النوعي للكتلة. وهذه القيمة النوعية للكتلة هي التي نسمعها عادةً عند المقارنة بين الأنواع. [ 5 ]

قياس التنفس المغلق

تعتمد قياسات التنفس على مبدأ "ما يدخل يجب أن يخرج". [ 6 ] لنفترض نظامًا مغلقًا. تخيل أننا وضعنا فأرًا في وعاء محكم الإغلاق. يحتوي الهواء المحصور داخل الوعاء في البداية على نفس التركيب والنسب الغازية الموجودة في الغرفة: 20.95% أكسجين ، 0.04% ثاني أكسيد الكربون ، بخار ماء (تعتمد الكمية الدقيقة على درجة حرارة الهواء، انظر نقطة الندى )، 78% (تقريبًا) نيتروجين ، 0.93% أرجون ، ومجموعة متنوعة من الغازات النزرة التي تشكل الباقي (انظر الغلاف الجوي للأرض ). مع مرور الوقت، ينتج الفأر في الوعاء ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء، ولكنه يستخلص الأكسجين من الهواء بما يتناسب مع احتياجاته الأيضية. لذلك، طالما أننا نعرف حجم النظام، فإن الفرق بين تركيزي الأكسجين وثاني أكسيد الكربون عند بداية التجربة، عندما أغلقنا الفأر داخل الحجرة (الظروف الأساسية أو المرجعية)، مقارنةً بالكميات الموجودة بعد أن تنفس الفأر الهواء لاحقًا، يجب أن يمثل كميات ثاني أكسيد الكربون / الأكسجين التي ينتجها/يستهلكها الفأر . النيتروجين والأرجون غازان خاملان ، وبالتالي فإن نسبهما لا تتغير بتنفس الفأر. في نظام مغلق، ستصبح البيئة في النهاية ناقصة الأكسجين .

قياس التنفس المفتوح

بالنسبة للنظام المفتوح، تشمل قيود التصميم خصائص غسل حجرة الحيوان وحساسية أجهزة تحليل الغازات. [ 7 ] [ 8 ] ومع ذلك، يبقى المبدأ الأساسي كما هو: ما يدخل يجب أن يخرج. يتمثل الفرق الرئيسي بين النظام المفتوح والمغلق في أن النظام المفتوح يُمرر الهواء عبر الحجرة (أي يُدفع الهواء أو يُسحب بواسطة مضخة) بمعدل يُجدد باستمرار الأكسجين المُستنفد من الحيوان، بينما يُزيل ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء الناتجين عنه. يجب أن يكون معدل التدفق الحجمي مرتفعًا بما يكفي لضمان عدم استهلاك الحيوان لكل الأكسجين الموجود في الحجرة، وفي الوقت نفسه، يجب أن يكون منخفضًا بما يكفي ليستهلك الحيوان كمية كافية من الأكسجين للكشف عنه. بالنسبة لفأر  يزن 20 غرامًا ، فإن معدلات تدفق تبلغ حوالي 200 مل/دقيقة عبر حاويات سعة 500 مل تُوفر توازنًا جيدًا. عند هذا المعدل، يُجلب حوالي 40 مل من الأكسجين إلى الحجرة، ويتم استبدال كامل حجم الهواء فيها خلال 5 دقائق. بالنسبة للحيوانات الأصغر حجماً، يمكن أن تكون أحجام الحجرات أصغر بكثير، كما يتم تعديل معدلات التدفق بالخفض. تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للحيوانات ذوات الدم الحار أو ذوات الدم الحار ( الطيور والثدييات ) ، يتم اختيار أحجام الحجرات أو معدلات التدفق بما يتناسب مع معدلات الأيض المرتفعة لديها.   

الحسابات

يتطلب حساب معدلات استهلاك الأكسجين (VO₂ ) وإنتاج ثاني أكسيد الكربون (VCO₂ ) معرفة معدلات تدفق الغازات الداخلة والخارجة من الحجرة، بالإضافة إلى تركيزات الغازات الداخلة والخارجة منها. وبشكل عام، تُحسب معدلات الأيض من حالة الاستقرار (أي يُفترض أن معدل الأيض لدى الحيوان ثابت [ 9 ] [ 10 ] ). لمعرفة معدلات استهلاك الأكسجين ، يجب معرفة موقع مقياس التدفق بالنسبة لحجرة الحيوان (إذا كان قبل الحجرة، يُسمى "مقياس التدفق في اتجاه المنبع"، وإذا كان بعد الحجرة، يُسمى "مقياس التدفق في اتجاه المصب")، وما إذا كانت هناك غازات تفاعلية موجودة أم لا (مثل ثاني أكسيد الكربون ، والماء ، والميثان ، انظر الغازات الخاملة ).

بالنسبة لنظام مفتوح مزود بمقياس تدفق في المنبع، حيث تتم إزالة الماء (مثل كبريتات الكالسيوم اللامائية ) وثاني أكسيد الكربون قبل محلل الأكسجين ، فإن المعادلة المناسبة هي

صوت2=فرنسا⋅(Fفييا2-Fالسابقيا2)1-Fالسابقيا2{\displaystyle {\ce {VO2={\frac {{\mathit {FR}}\cdot ({\mathit {F}}_{in}O2-{\mathit {F}}_{ex}O2)}{1-{\mathit {F}}_{ex}O2}}}}}

بالنسبة لنظام مفتوح مزود بمقياس تدفق في اتجاه المصب، حيث تتم إزالة الماء وثاني أكسيد الكربون قبل محلل الأكسجين ، فإن المعادلة المناسبة هي

صوت2=فرنسا⋅(Fفييا2-Fالسابقيا2)1-Fفييا2{\displaystyle {\ce {VO2={\frac {{\mathit {FR}}\cdot ({\mathit {F}}_{in}O2-{\mathit {F}}_{ex}O2)}{1-{\mathit {F}}_{in}O2}}}}}

أين

  • FR هو معدل التدفق الحجمي المعدل وفقًا لظروف الضغط والحرارة القياسية (انظر الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط ).
  • F in O 2 هي النسبة المئوية للأكسجين الموجود في تيار الهواء الحالي (الخط الأساسي أو المرجعي)، و
  • F ex O 2 هو الكمية الجزئية للأكسجين الموجودة في تيار الهواء الخارجي (ما استهلكه الحيوان بالنسبة إلى خط الأساس لكل وحدة زمنية).

على سبيل المثال، قد تكون قيم معدل الأيض الأساسي لفأر  وزنه 20 غرامًا ( Mus musculus ) هي FR = 200  مل/دقيقة، وقراءات تركيز الأكسجين الجزئي من محلل الأكسجين هي F in O 2 = 0.2095، و F ex O 2 = 0.2072. معدل استهلاك الأكسجين المحسوب هو 0.58  مل/دقيقة أو 35  مل/ساعة. بافتراض أن إنثالبي احتراق الأكسجين هو 20.1 جول لكل ملليلتر، نحسب إنتاج الحرارة (وبالتالي الأيض) للفأر بـ 703.5 جول/ساعة.  

معدات قياس التنفس

في نظام التدفق المفتوح، تكون قائمة المعدات والأجزاء طويلة مقارنةً بمكونات النظام المغلق، لكن الميزة الرئيسية للنظام المفتوح هي أنه يسمح بالتسجيل المستمر لمعدل الأيض. كما أن خطر نقص الأكسجة أقل بكثير في النظام المفتوح.

مضخات لتدفق الهواء

  • مضخة التفريغ : هناك حاجة إلى مضخة لدفع (أي موقع المنبع) أو سحب (أي موقع المصب) الهواء إلى داخل حجرة الحيوان ونظام تدفق قياس التنفس وعبرها.
  • مضخة العينة الفرعية: لسحب الهواء عبر أجهزة التحليل، يتم استخدام مضخة صغيرة ومستقرة وموثوقة.

مقياس التدفق وأجهزة التحكم في التدفق

  • مقياس تدفق الفقاعات: طريقة بسيطة ودقيقة للغاية لقياس معدلات التدفق، تعتمد على قياس زمن حركة فقاعات غشاء الصابون داخل أنابيب زجاجية بين علامتين بحجم معلوم. [ 11 ] يُوصل الأنبوب الزجاجي بتيار الهواء من الأسفل (في أنظمة الدفع) أو من الأعلى (في أنظمة السحب). تعمل ماصة مطاطية صغيرة مثبتة في قاعدة الأنبوب كخزان ونظام توصيل لفقاعات الصابون. طريقة التشغيل بسيطة. أولًا، بلل سطح الزجاج على طول مسار الفقاعات (مثلًا، اضغط على الماصة لدفع كميات كبيرة من الصابون لأعلى الزجاج بواسطة تيار الهواء) لتوفير سطح أملس تقريبًا. ثانيًا، اضغط على الماصة لتكوين فقاعة واحدة نظيفة. باستخدام ساعة توقيت، سجل الوقت اللازم للفقاعة للانتقال بين العلامتين على الزجاج. لاحظ الحجم المسجل عند العلامة العلوية (مثلًا، 125 = 125  مل)، اقسم الحجم على الوقت اللازم للانتقال بين العلامتين، والنتيجة هي معدل التدفق (مل/ث). يمكن شراء هذه الأدوات من مصادر متنوعة، ولكن يمكن أيضًا تصنيعها من ماصات حجمية زجاجية ذات حجم مناسب .
  • عدادات التدفق الأكريليكية  : في بعض حالات التدفق العالي، قد نستخدم عدادات تدفق أكريليكية بسيطة (0-2.5  لتر/دقيقة) للتحكم في معدلات التدفق عبر حجرات التمثيل الغذائي. توضع هذه العدادات قبل حجرات التمثيل الغذائي. تتميز عدادات التدفق بسهولة استخدامها، ولكن يجب معايرتها مرتين يوميًا لاستخدامها في نظام قياس التنفس: مرة قبل بدء التسجيل (بعد وضع الحيوان داخل الحجرة بإحكام!)، ومرة ​​أخرى في نهاية التسجيل (قبل إخراج الحيوان من الحجرة). يجب إجراء المعايرة باستخدام عداد تدفق فقاعي لأن علامات المعايرة على العدادات الأكريليكية تقريبية فقط. لضمان معايرة دقيقة لمعدلات التدفق، تذكر أنه يجب تسجيل كل من الضغط الجوي ودرجة حرارة الهواء المتدفق عبر عداد التدفق (والتي نفترض أنها تساوي درجة حرارة الغرفة).
  • عدادات التدفق الكتلي : تفترض المعادلات اللازمة لحساب معدلات استهلاك الأكسجين أو إنتاج ثاني أكسيد الكربون معرفة معدلات التدفق الداخلة والخارجة من الحجرات بدقة. نستخدم عدادات التدفق الكتلي التي تتميز بقدرتها على قياس معدلات تدفق مستقلة عن درجة الحرارة وضغط الهواء. لذا، يمكن اعتبار هذه المعدلات مصححة وفقًا للظروف القياسية (درجة الحرارة والضغط القياسيين). نقيس ونتحكم في التدفق عند نقطة واحدة فقط، وهي أسفل الحجرة. لذلك، يجب أن نفترض تطابق معدلات التدفق الداخلة والخارجة. مع ذلك، أثناء إنشاء نظام قياس التنفس، يجب قياس معدل التدفق في جميع المراحل، عبر جميع الوصلات، للتحقق من سلامة التدفق.
  • صمامات الإبرة : يمكن شراء عدادات تدفق الكتلة مزودة بوحدات تحكم تسمح بضبط معدلات التدفق. إلا أنها باهظة الثمن. غالبًا ما تسعى أبحاث قياس التنفس إلى قياس أكثر من حيوان في الوقت نفسه، مما يستلزم وجود حجرة لكل حيوان، وبالتالي التحكم في التدفق عبر كل حجرة. يُعد استخدام صمامات الإبرة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الكربوني طريقة بديلة وأكثر فعالية من حيث التكلفة للتحكم في التدفق. توفر صمامات الإبرة مع عدادات تدفق الكتلة وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتحقيق معدلات التدفق المطلوبة. يبلغ سعر الصمام الواحد حوالي 20 دولارًا أمريكيًا.

الأنابيب والحجرات

  • الأنابيب والوصلات  : يمكن استخدام أنواع مختلفة من الأنابيب لتوصيل مكونات نظام قياس التنفس من وإلى حجرة الحيوان. ويمكن استخدام أنواع مختلفة من الأنابيب المرنة، حسب خصائص النظام. يمكن استخدام أنابيب وموصلات من الأسيتيل، وبيف-أ-لاين، وكينار، والنايلون، وتايجون في مناطق النظام ذات الأجواء المؤكسدة المنخفضة (مثل مستويات الأوزون الأساسية فقط). ويُنصح باستخدام أنابيب التفلون إذا كان من المتوقع وجود كميات ملحوظة من الأوزون، لأنها خاملة تجاهه. مع ذلك، فإن أنابيب التفلون أغلى ثمناً وأقل مرونة.
  • غرف الاستقلاب: قد تكون الغرف عبارة عن مرطبانات زجاجية بأغطية مطاطية، أو براميل حقن للحيوانات الصغيرة والحشرات، أو مصنوعة من البلكسي جلاس . من الأفضل أن تُصنع الغرف من مواد خاملة؛ فعلى سبيل المثال، يمكن للبلاستيك الأكريليكي امتصاص الأكسجين، وقد لا يكون خيارًا مناسبًا لقياس التنفس لدى الحشرات الصغيرة جدًا. [ 12 ] يجب تصميم الغرف بطريقة تضمن خلطًا سريعًا للغازات داخلها. أبسط غرفة استقلاب لفقاري صغير قد تكون مرطبانًا زجاجيًا بسدادة. تُزود السدادة بمنفذين: تُوفر وصلات قصيرة من أنابيب التفلون لتوصيل الخطوط. تُدفع وصلات أنابيب التفلون عبر الحاجز، وتُثبت وصلة الخط بربط مشبك خرطوم صغير بقاعدة وصلة أنبوب التفلون. بالإضافة إلى ذلك، يجب توفير وصلة لمنفذ الإدخال داخل المرطبان، وهذا يضمن عدم جرف غازات الزفير للحيوان مع تيار التدفق الداخل. يُغلق الحيوان بإحكام داخل حجرة الاستقلاب، ويُثبّت السدادة المطاطية بأشرطة فيلكرو . في حال استخدام نظام تغذية علوي، فإن أي تسريب في الحجرة سيؤدي إلى فقدان هواء الحيوان، وبالتالي التقليل من تقدير معدل استقلابه. عند إغلاق الحيوان داخل حجرة الاستقلاب، يجب الانتباه إلى إحكام الإغلاق. لضمان إحكام الإغلاق قبل إغلاق الغطاء، اضغط على السدادة بقوة داخل الوعاء وتأكد من استوائها. استخدم شريطًا أو شريطين (يفضل شريطين) واسحب بإحكام. تُصنع حجرات من الأكريليك (البلكسي جلاس) لبعض الاستخدامات، ولكن يتطلب ذلك هندسة دقيقة لضمان التثبيت الصحيح؛ ستساعد الحشيات، كما أن الاستخدام المدروس للمشابك المحكمة سيقلل من التسريبات.
  • أنابيب التنظيف: يجب إزالة الماء قبل وبعد حجرة الحيوانات. يتمثل أحد الترتيبات في استخدام عمود كبير من مادة درايريت الأكريليكية ( بمقاس 8 مش ، أي خشنة نسبيًا) في الجزء العلوي من تيار الهواء الداخل (قبل مضخة الدفع، وقبل حجرة الحيوانات)، وعدة أنابيب مزودة بمادة درايريت ذات مقاس أصغر (10-20 مش، أي ناعمة نسبيًا) لإزالة الماء بعد حجرة الحيوانات. لتحضير أنبوب التنظيف، تأكد من وجود كمية صغيرة من القطن عند طرفي الأنبوب لمنع جزيئات الغبار من الوصول إلى أجهزة التحليل. استخدم كميات صغيرة من القطن، حوالي 0.005 غرام، تكفي فقط لمنع دخول الغبار إلى الأنبوب. الكميات الكبيرة من القطن ستعيق تدفق الهواء عند تعرضها للرطوبة. صب مادة درايريت في الأنبوب باستخدام قمع، ثم اطرق الأنبوب على سطح العمل لضغط الحبيبات بإحكام (لزيادة مساحة السطح - حيث يندفع الهواء والماء عبر مادة درايريت غير المتماسكة، مما يتطلب تغييرًا متكررًا لأنابيب التنظيف)، ثم أغلق الأنبوب بكمية صغيرة من القطن. لإزالة ثاني أكسيد الكربون قبل وبعد حجرة الحيوانات، يُستخدم أسكاريت 2 (أسكاريت 2 علامة تجارية مسجلة لشركة آرثر إتش. توماس). يحتوي أسكاريت 2 على هيدروكسيد الصوديوم، وهو مادة كاوية (لذا تجنب ملامسته للجلد واحفظه بعيدًا عن الماء). لتحضير أنبوب التنظيف، ضع كمية صغيرة من القطن في طرفه، ثم املأ ثلثه بحبيبات درايرايت (10-20 مش)، وأضف كمية صغيرة من القطن، ثم ثلثًا آخر من أسكاريت 2، ثم طبقة أخرى من القطن، وأخيرًا المزيد من درايرايت، ثم أغلق الأنبوب بكمية صغيرة أخرى من القطن. اطرق الأنبوب برفق على سطح العمل مع كل طبقة إضافية لضغط الحبيبات. ملاحظة: يمكن استخدام درايرايت مرارًا وتكرارًا (بعد تسخينه في الفرن)، مع العلم أنه سيفقد لونه مع التجفيف المتكرر؛ أما أسكاريت 2 فيُستخدم مرة واحدة فقط ويُعتبر من النفايات الخطرة .

أجهزة التحليل

  • جهاز تحليل ثاني أكسيد الكربون : تستخدم أجهزة تحليل ثاني أكسيد الكربون عادةً طرق الكشف بالأشعة تحت الحمراء، مستفيدةً من قدرة ثاني أكسيد الكربون على امتصاص الأشعة تحت الحمراء وإعادة إصدارها بأطوال موجية أطول قليلاً. يعرض مقياس اللوحة في الجهاز نطاق تركيز ثاني أكسيد الكربون بالكامل، من 0.01% إلى 10%، كما يُولّد خرج جهد كهربائي يتناسب مع تركيز ثاني أكسيد الكربون لتسجيل البيانات.
  • محلل الأكسجين : تستخدم محللات الأكسجين المناسبة لقياس التنفس مجموعة متنوعة من مستشعرات الأكسجين ، بما في ذلك المستشعرات الجلفانية (درجة حرارة المحيط)، والمستشعرات البارامغناطيسية ، والمستشعرات القطبية ( أقطاب كلارك )، ومستشعرات الزركونيوم (درجة حرارة عالية). تستخدم محللات الأكسجين الجلفانية خلية وقود تحتوي على إلكتروليت حمضي ، ومصعد من معدن ثقيل، وغشاء رقيق نفاذ للغاز. نظرًا لأن الضغط الجزئي للأكسجين بالقرب من المصعد يساوي صفرًا، ينتقل الأكسجين بالانتشار إلى المصعد عبر الغشاء بمعدل يتناسب مع الضغط الجزئي للأكسجين المحيط . تُنتج خلية الوقود جهدًا يتناسب خطيًا مع الضغط الجزئي للأكسجين عند الغشاء. طالما أن درجة حرارة الحجرة مستقرة، وضمن النطاق المحدد، يكون تدفق الهواء عبر خلية الوقود مستقرًا، ستكون الاستجابة 0.01% أو أفضل، وذلك اعتمادًا على الإلكترونيات والبرامج الداعمة، وغيرها من الاعتبارات.

وأخيرًا، يُعد نظام جمع البيانات والتحكم الحاسوبي إضافة نموذجية لاستكمال النظام. فبدلًا من مسجل البيانات البياني ، تُسجَّل بيانات استهلاك الأكسجين أو إنتاج ثاني أكسيد الكربون بشكل مستمر بمساعدة محول تناظري رقمي موصول بجهاز حاسوب. يقوم برنامج حاسوبي بالتقاط الإشارة وتصفيتها وتحويلها وعرضها بما يتناسب مع احتياجات الباحث. وتُقدم العديد من الشركات والأفراد خدماتهم لمجتمع قياس التنفس (مثل: Sable Systems وQubit Systems، انظر أيضًا Warthog Systems).

معدلات الأيض الميتوكوندري

داخل الجسم، يُنقل الأكسجين إلى الخلايا، ومنها إلى الميتوكوندريا ، حيث يُستهلك في عملية توليد معظم الطاقة اللازمة للكائن الحي. يقيس قياس التنفس الميتوكوندري استهلاك الأكسجين بواسطة الميتوكوندريا دون الحاجة إلى حيوان حي كامل، وهو الأداة الرئيسية لدراسة وظائفها. [ 13 ] يمكن إخضاع ثلاثة أنواع مختلفة من العينات لدراسات قياس التنفس هذه: الميتوكوندريا المعزولة (من مزارع الخلايا، أو الحيوانات، أو النباتات)؛ والخلايا المنفذة (من مزارع الخلايا)؛ والألياف أو الأنسجة المنفذة (من الحيوانات). في الحالتين الأخيرتين، يُصبح غشاء الخلية منفذًا بإضافة مواد كيميائية مع الحفاظ على سلامة غشاء الميتوكوندريا بشكل انتقائي. وبالتالي، يمكن للمواد الكيميائية التي لا تستطيع عادةً عبور غشاء الخلية أن تؤثر بشكل مباشر على الميتوكوندريا. وبنفاذية غشاء الخلية، تتوقف الخلية عن الوجود ككائن حي مُحدد، ولا يتبقى سوى الميتوكوندريا كبنى وظيفية. على عكس قياس التنفس في الحيوانات الكاملة، يُجرى قياس التنفس الميتوكوندري في محلول، أي أن العينة معلقة في وسط ما. ويُجرى قياس التنفس الميتوكوندري اليوم بشكل رئيسي باستخدام حجرة مغلقة.

نظام الغرفة المغلقة

تُوضع العينة المعلقة في وسط مناسب داخل حجرة استقلابية محكمة الإغلاق. وتُهيأ الميتوكوندريا لحالات محددة بإضافة الركائز أو المثبطات بالتتابع. ونظرًا لاستهلاك الميتوكوندريا للأكسجين، ينخفض ​​تركيزه. ويُسجل هذا التغير في تركيز الأكسجين بواسطة مستشعر أكسجين داخل الحجرة. ومن خلال معدل انخفاض الأكسجين (مع مراعاة تصحيح انتشاره)، يُمكن حساب معدل تنفس الميتوكوندريا. [ 13 ]

التطبيقات

البحث الأساسي

تُدرس وظائف الميتوكوندريا في مجال الطاقة الحيوية . [ 14 ] وتُدرس الاختلافات الوظيفية بين الميتوكوندريا من أنواع مختلفة باستخدام قياس التنفس كجانب من جوانب علم وظائف الأعضاء المقارن . [ 15 ] [ 16 ]

البحث التطبيقي

تُستخدم قياسات التنفس الميتوكوندري لدراسة وظائف الميتوكوندريا في أمراض الميتوكوندريا أو الأمراض التي يُشتبه في ارتباطها الوثيق بالميتوكوندريا، مثل داء السكري من النوع الثاني ، [ 17 ] [ 18 ] والسمنة ، [ 19 ] والسرطان . [ 20 ] ومن مجالات التطبيق الأخرى علوم الرياضة ، والصلة بين وظائف الميتوكوندريا والشيخوخة . [ 21 ]

معدات

تتضمن المعدات المعتادة حجرة استقلابية محكمة الإغلاق، ومستشعر أكسجين، وأجهزة لتسجيل البيانات، والتحريك، وتنظيم درجة الحرارة، وطريقة لإدخال المواد الكيميائية إلى الحجرة. وكما ذُكر سابقًا في قياس التنفس في الحيوانات الكاملة، يُعد اختيار المواد بالغ الأهمية. [ 13 ] لا تُناسب المواد البلاستيكية الحجرة نظرًا لقدرتها المحدودة على تخزين الأكسجين. وعندما يكون استخدام المواد البلاستيكية أمرًا لا مفر منه (مثل الحلقات المطاطية، أو طلاءات المحركات، أو السدادات)، يُمكن استخدام بوليمرات ذات نفاذية منخفضة جدًا للأكسجين (مثل PVDF بدلًا من PTFE ). يُمكن معالجة انتشار الأكسجين المتبقي داخل أو خارج مواد الحجرة عن طريق تصحيح تدفقات الأكسجين المقاسة وفقًا لتدفق الأكسجين الأساسي للجهاز. يُطلق على الجهاز بأكمله، الذي يضم المكونات المذكورة، اسم "مقياس الأكسجين". عادةً لا تعمل الشركات المُصنّعة لمعدات قياس التنفس في الحيوانات الكاملة، والمذكورة أعلاه، في مجال قياس التنفس الميتوكوندري. يتم تقديم الخدمات للمجتمع بمستويات متفاوتة على نطاق واسع من حيث السعر والتطور من قبل شركات مثل Oroboros Instruments و Hansatech و Respirometer Systems & Applications و YSI Life Sciences أو Strathkelvin Instruments.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وايت، سي آر؛ سيمور، آر إس (2005). "القياس التناسبي لعمليات الأيض لدى الثدييات". مجلة علم الأحياء التجريبي . 208 (9): 1611-1619 . Bibcode : 2005JExpB.208.1611W . doi : 10.1242/jeb.01501 . PMID 15855392 . 
  2. ↑ بلاكستر، ك. 1989. استقلاب الطاقة في الحيوانات والإنسان . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-36931-2
  3. ↑ ويبل، إي آر؛ هوبيلر، إتش. (2005). "يتناسب معدل الأيض الأقصى الناتج عن التمرين مع القدرة الهوائية للعضلات". مجلة علم الأحياء التجريبي . 208 (9): 1635-1644 . Bibcode : 2005JExpB.208.1635W . doi : 10.1242/jeb.01548 . PMID 15855395 . 
  4. ↑ ناجي، ك. أ. (2005). "معدل الأيض الميداني وحجم الجسم". مجلة علم الأحياء التجريبي . 208 (9): 1621-1625 . Bibcode : 2005JExpB.208.1621N . doi : 10.1242/jeb.01553 . PMID 15855393 . 
  5. ↑ ماكاريفا، أ.م.؛ غورشكوف، ف.غ.؛ لي، ب.ل.؛ تشاون، س.ل.؛ رايش، ب.ب.؛ غافريلوف، ف.م. (2008). "متوسط ​​معدلات الأيض النوعية للكتلة متشابهة بشكل لافت للنظر عبر المجالات الرئيسية للحياة: دليل على الأمثلية الأيضية للحياة" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 105 (44): 16994-16999 . Bibcode : 2008PNAS..10516994M . doi : 10.1073/pnas.0802148105 . PMC 2572558. PMID 18952839 .  
  6. ↑ فرابيل، بي. بي.؛ بليفن، إتش. إيه.؛ بودينيت، آر. في. (1989). "فهم حجرات قياس التنفس: ما يدخل يجب أن يخرج". مجلة البيولوجيا النظرية . 138 (4): 479-494 . Bibcode : 1989JThBi.138..479F . doi : 10.1016/s0022-5193(89)80046-3 . PMID 2593683 . 
  7. ↑ ويذرز، بي سي (2001). "تصميم ومعايرة وحساب أنظمة قياس التنفس التدفقية". المجلة الأسترالية لعلم الحيوان . 49 (4): 445-461 . Bibcode : 2001AuJZ...49..445W . doi : 10.1071/ZO00057 .
  8. ↑ لايتون، جيه آر بي 2008. قياس معدلات الأيض: دليل للعلماء. مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-531061-6.
  9. ↑ بارثولوميو، جي إيه؛ فليك، دي؛ فليك، سي إم (1981). "قياسات فورية لاستهلاك الأكسجين أثناء التسخين قبل الطيران والتبريد بعد الطيران في عثّات أبو الهول وعثّات زحل". مجلة علم الأحياء التجريبي . 90 (1): 17-32 . doi : 10.1242/jeb.90.1.17 .
  10. ↑ بيندار، هـ.؛ سوشا، ج. ج. (2015). "تقدير التبادل الغازي اللحظي في أنظمة قياس التنفس التدفقية: مراجعة حديثة لطريقة بارثولوميو لتحويل Z" . PLOS ONE . 10 (10) e0139508. Bibcode : 2015PLoSO..1039508P . doi : 10.1371/journal.pone.0139508 . PMC 4605654. PMID 26466361 .  
  11. ↑ ليفي، أ. (1964). "دقة طريقة مقياس الفقاعات لقياس تدفق الغاز". مجلة الأدوات العلمية . 41 (7): 449-453 . Bibcode : 1964JScI...41..449L . doi : 10.1088/0950-7671/41/7/309 .
  12. ↑ ستيفنز، إي دي (1992). "استخدام المواد البلاستيكية في أنظمة قياس الأكسجين". مجلة علم وظائف الأعضاء التطبيقي . 72 (2): 801-804 . Bibcode : 1992JAPh...72..801S . doi : 10.1152/jappl.1992.72.2.801 . PMID 1559961 . 
  13. 1 2 3 غنايغر، إي. 2008. مجسات الأكسجين البولاروغرافية، وجهاز قياس الأكسجين، وقياس التنفس عالي الدقة لتقييم وظيفة الميتوكوندريا. في: خلل الميتوكوندريا في السمية الناجمة عن الأدوية (دايكنز، جيه إيه، وويل، واي، محرران). جون وايلي: 327-352. ISBN 978-0-470-11131-4
  14. ↑ غنايغر إي، محرر (2007) "مسارات الميتوكوندريا والتحكم التنفسي" . منشورات أوروبروس ميب نت، إنسبروك، الطبعة الإلكترونية الأولى، رقم ISBN 978-3-9502399-0-4
  15. ↑ هيلدبراندت، تاتيانا م.؛ غريشابر، مانفريد ك. (2008). "ثلاثة أنشطة إنزيمية تحفز أكسدة الكبريتيد إلى ثيوسلفات في ميتوكوندريا الثدييات واللافقاريات". مجلة FEBS . 275 (13): 3352-3361 . doi : 10.1111/j.1742-4658.2008.06482.x . PMID 18494801 . 
  16. ↑ فانج، نان أ.؛ ريتشاردز، جيفري ج.؛ شولت، باتريشيا م. (2009). "هل تُفسر خصائص الميتوكوندريا التباين داخل النوع الواحد في تحمل الحرارة؟". مجلة علم الأحياء التجريبي . 212 (4): 514-522 . Bibcode : 2009JExpB.212..514F . doi : 10.1242/jeb.024034 . PMID 19181899 . 
  17. ^ فيليكس، إي. شراوين-هيندرلينج، VB؛ مينسينك، م. لينرز، إي. ميكس، ر. هوكس، J.؛ كوي، أنا؛ مونين-كورنيبس، إي؛ سيلز، جي بي؛ هيسيلينك، عضو الكنيست؛ شراوين، ب. (2008). "إن انخفاض تنفس الميتوكوندريا المحفز بـ ADP يكمن وراء خلل الميتوكوندريا في الجسم الحي في عضلات مرضى السكري من النوع 2 من الذكور" . السكري . 57 (11): 2943–9 . دوى : 10.2337/db08-0391 . بمك 2570390 . بميد 18678616 .  
  18. ^ كناوف ، سي. كاني، PD؛ آيت بلجناوي، ع؛ بناني، أ.؛ دراي، سي. كابو، سي. كولوم، أ. أولدري، م.؛ راستريللي، S.؛ ساباتير، إي. جوديت، ن.؛ واجيت، أ؛ بينيكو، ل.؛ خادم، P.؛ بورسيلين، ر. (2008). "تتحكم إشارات الببتيد 1 التي تشبه الجلوكاجون في الدماغ في ظهور مقاومة الأنسولين الناجمة عن النظام الغذائي عالي الدهون وتقلل من إنفاق الطاقة". الغدد الصماء . 149 (10): 4768–4777 . دوى : 10.1210/en.2008-0180 . بميد 18556349 . 
  19. ^ هوكس، ج. بريدي، جي جي؛ دي فوجل، J .؛ شارت، G.؛ نابين، م.؛ مونين-كورنيبس، إي؛ هيسيلينك، عضو الكنيست؛ شراوين، ب. (2008). "وظيفة الميتوكوندريا والمحتوى وإنتاج ROS في عضلات الهيكل العظمي للفئران: تأثير التغذية الغنية بالدهون". فيبس ليت . 582 (4): 510– 516. بيب كود : 2008FEBSL.582..510H . دوى : 10.1016/j.febslet.2008.01.013 . بميد 18230360 . 
  20. زيادة ↑ ؛ إنريكي سامبيرا، إي.؛ مورغادو، ل.؛ إسترادا، جيه سي؛ بيرنادب، أ.؛ هوباردا، أ.؛ سوزانا كاديناس، س.؛ ميلوفا، س. (2009). "زيادة في تكوين الميتوكوندريا، والإجهاد التأكسدي، وتحلل الجلوكوز في الأورام اللمفاوية الفأرية. حر" . بيولوجيا الطب الجذري . 46 (3): 387-396 . doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2008.10.036 . PMC 2665299. PMID 19038329 .  
  21. ↑ هوتر، إي.؛ أونترلوغاور، هـ.؛ غاريدو، أ.؛ جانسن-دور، ب.؛ غنايغر، إي. (2006). "قياس التنفس عالي الدقة - أداة حديثة في أبحاث الشيخوخة". مجلة علم الشيخوخة التجريبي . 41 (1): 103-109 . doi : 10.1016/j.exger.2005.09.011 . PMID 16309877 .