METABOLISMO BASALE: COS'È, COME VIENE CALCOLATO E DATI RILEVANTI - BIOLOGIA - 2025

Il metabolismo basale può essere definito come l'insieme delle reazioni chimiche nell'organismo attraverso le quali un animale spende la minima quantità di energia necessaria per mantenere i processi vitali. Questa quantità rappresenta tipicamente il 50% o più del budget energetico totale di un animale.

Il metabolismo basale è quantificato mediante misure standardizzate del dispendio energetico per unità di tempo. I più comuni sono il tasso metabolico standard (TMS) e il metabolismo basale (BMR).

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La TMS viene misurata negli animali a sangue freddo, come la maggior parte dei pesci, molluschi, anfibi e rettili. Il TMB viene misurato negli animali a sangue caldo, come uccelli e mammiferi.

Unità di misura dei tassi metabolici

TMS e BMR sono solitamente espressi come consumo di O ₂ (ml) , calorie (cal), kilocalorie (kcal), joule (J), kilojoule (kJ) o watt (W).

Una caloria è definita come la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 ° C la temperatura di 1 g di acqua. Una caloria equivale a 4.186 joule. Il joule è la misura fondamentale (SI, Sistema Internazionale) dell'energia. Il watt, che è pari a 1 joule al secondo, è la misura fondamentale (SI) del trasferimento di energia e delle velocità di trasformazione.

Condizioni per misurare il metabolismo basale

Per garantire che i valori ottenuti da diversi studi siano confrontabili, la misurazione di TMS e BMR richiede che gli animali da esperimento siano a riposo ea digiuno. Nel caso di TMB, anche questi animali devono trovarsi nella loro zona termoneutrale.

Un animale è considerato a riposo se si trova nella fase inattiva del suo normale ciclo quotidiano, senza movimenti spontanei e senza stress fisico o psicologico.

Un animale è considerato digiuno se non digerisce il cibo in un modo che genera calore.

Si considera che un animale si trovi nella sua zona termoneutrale se, durante gli esperimenti, viene mantenuto entro l'intervallo di temperatura entro il quale la sua produzione di calore corporeo rimane invariata.

Metodi respirometrici per misurare tms e tmb

- Respirometria a volume o pressione costante. L'animale è tenuto in un contenitore sigillato. Le variazioni di pressione dovute al consumo di O ₂ da parte dell'animale vengono misurate a temperatura costante mediante un manometro. La CO ₂ prodotta dall'animale viene eliminata chimicamente utilizzando KOH o ascarite.

Se si utilizza un respirometro Warburg, la variazione di pressione viene misurata mantenendo costante il volume del contenitore. Se viene utilizzato un respirometro Gilson, la variazione di volume viene misurata mantenendo la pressione costante.

- Analisi dei gas. Attualmente esiste una grande varietà di strumenti di laboratorio che consentono la quantificazione diretta delle concentrazioni di O ₂ e CO ₂ . Questo strumento è molto preciso e consente determinazioni automatizzate.

Metodi calorimetrici per misurare tms e tmb

- Calorimetria della bomba. Il consumo di energia viene stimato confrontando il calore prodotto dalla combustione di un campione di cibo non consumato con il calore prodotto dalla combustione di un campione equivalente di resti digeriti (feci e urina) di quel cibo.

- Calorimetria diretta. Consiste nel misurare direttamente il calore prodotto dalla fiamma di combustione del campione.

- Calorimetria indiretta. Misura la produzione di calore confrontando il consumo di O ₂ e la produzione di CO ₂ . Si basa sulla legge di Hess della somma costante del calore, che afferma che in una reazione chimica viene rilasciata una quantità di calore che dipende solo dalla natura dei reagenti e dei prodotti.

- Calorimetria a gradiente. Se un flusso di calore Q attraversa un materiale di spessore G, area A e conducibilità termica C, il risultato è un gradiente di temperatura che aumenta con G e diminuisce con A e C. Ciò consente di calcolare il dispendio energetico.

- Calorimetria differenziale. Misura il flusso di calore tra una camera contenente l'animale da esperimento e una camera adiacente non occupata. Le due camere sono isolate termicamente ad eccezione della superficie che le unisce, attraverso la quale scambiano calore.

Metabolismo basale e dimensioni del corpo

TMS e BMR variano in modo sproporzionato con le dimensioni degli animali. Questa relazione è nota come escalation metabolica. Il concetto può essere facilmente compreso confrontando due mammiferi erbivori di dimensioni molto diverse, come il coniglio e l'elefante.

Se quantificiamo il fogliame che mangiano per una settimana, scopriremmo che il coniglio mangia molto meno dell'elefante. Tuttavia, la massa di fogliame mangiata dalla prima sarebbe notevolmente maggiore della sua massa corporea, mentre nel caso della seconda sarebbe il contrario.

Questa disparità indica che, proporzionalmente alle loro dimensioni, i fabbisogni energetici di entrambe le specie sono diversi. Lo studio di centinaia di specie animali mostra che questa particolare osservazione fa parte di un modello generale di escalation metabolica quantificabile in termini di TMS e BMR.

Ad esempio, il BMR medio (2200 J / h) di 100 g di mammiferi non è dieci volte, ma solo 5,5 volte, maggiore del BMR medio (400 J / h) di 10 g di mammiferi. Allo stesso modo, il BMR medio dei mammiferi di 400 g (4940 J / h) non è quattro volte, ma solo 2,7 volte, maggiore del BMR medio dei mammiferi di 100 g.

Equazione allometrica del ridimensionamento metabolico

La relazione TMS (o TMB), rappresentata da T, e la massa corporea, rappresentata da M, di un animale può essere descritta dall'equazione classica dell'allometria biologica, T = a × M ^b , in cui aeb sono costanti.

L'adattamento a questa equazione spiega matematicamente perché il TMS e il BMR non variano proporzionalmente alla massa degli animali. Applicando i logaritmi a entrambi i lati, l'equazione può essere espressa come segue

log (T) = log (a) + b × log (M),

log (a) eb possono essere stimati mediante analisi di regressione lineare tra i valori sperimentali di log (T) e log (M) di più specie di un gruppo animale. Il log costante (a) è il punto di interruzione della linea di regressione sull'asse verticale. Da parte sua, b, che è la pendenza di detta linea, è la costante allometrica.

È stato riscontrato che la costante allometrica media di molti gruppi di animali tende ad essere prossima a 0,7. Nel caso del log (a), maggiori sono i suoi valori, maggiori sono i tassi metabolici del gruppo animale in analisi.

Metabolismo basale, circolazione e respirazione

La mancanza di proporzionalità di TMS e BMR rispetto alle dimensioni fa sì che i piccoli animali abbiano un fabbisogno di O ₂ più elevato per grammo di massa corporea rispetto agli animali di grandi dimensioni. Ad esempio, il tasso di dispendio energetico di un grammo di tessuto di balena è molto inferiore a quello di un grammo di tessuto di topo omologato.

I mammiferi grandi e piccoli hanno cuori e polmoni di dimensioni simili in relazione alla loro massa corporea. Per questo motivo, i tassi di contrazione del cuore e dei polmoni di questi ultimi devono essere molto più alti di quelli del primo per portare abbastanza O ₂ ai tessuti.

Ad esempio, il numero di battiti cardiaci al minuto è 40 in un elefante, 70 in un essere umano adulto e 580 in un topo. Allo stesso modo, gli esseri umani respirano circa 12 volte e i topi circa 100 volte al minuto.

All'interno della stessa specie, questi modelli si osservano anche tra individui di diverse dimensioni. Ad esempio, negli esseri umani adulti il ​​cervello è responsabile di circa il 20% della spesa metabolica totale, mentre nei bambini dai 4 ai 5 anni questa spesa raggiunge il 50%.

Metabolismo basale e longevità

Nei mammiferi, le dimensioni del cervello e del corpo e il metabolismo basale sono correlati alla longevità dall'equazione

L = 5,5 × C ^0,54 × M ^-0,34 × T ^-0,42 ,

Dove L è la longevità in mesi, C è la massa cerebrale in grammi, M è la massa corporea in grammi e T è il BMR in calorie per grammo all'ora.

L'esponente per C indica che la longevità dei mammiferi ha un'associazione positiva con le dimensioni del cervello. L'esponente di M indica che la longevità ha un'associazione negativa con la massa corporea. L'esponente di T indica che la longevità ha un'associazione negativa con la velocità del metabolismo.

Questa relazione, sebbene con esponenti diversi, è applicabile anche agli uccelli. Tuttavia, tendono a vivere più a lungo dei mammiferi di massa corporea simile.

Interesse medico

Il BMR delle donne può raddoppiare durante la gravidanza. Ciò è dovuto all'aumento del consumo di ossigeno causato dalla crescita del feto e delle strutture uterine, e dal maggior sviluppo della circolazione materna e della funzione renale.

La diagnosi di ipertiroidismo può essere confermata da un aumento del consumo di ossigeno, cioè un alto BMR. In circa l'80% dei casi di tiroide iperattiva, il BMR è almeno del 15% superiore al normale. Tuttavia, un BMR elevato può essere causato anche da altre malattie.

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