Почему мои расчеты потребности в O2 для суточного метаболизма так далеки от истины?

Когда я пытаюсь рассчитать O2, необходимый для метаболизма в течение дня в состоянии покоя (для воображаемого среднего человека), и сравнить его с ожидаемым O2, потребляемым в день, мои результаты различаются в 3 раза. Я не ожидаю, что это будет 1. до 1, но коэффициент 3 заставляет меня думать, что я упускаю фундаментальную концепцию.

Для нашего вымышленного человека я начинаю со значений 1 MET. Конкретно:

  • RMR (ккал/кг/ч) = 1
  • VO2 (мл/кг/мин) = 3,5

Затем я определяю вес своего человека:

  • вес (кг) = 70
  • RMR (ккал/час) = 70
  • VO2 (мл/мин) = 245

И конвертировать в более полезные единицы:

  • RMR (ккал/день) = 70 * 24 = 1680
  • VO2 (л/сутки) = 245*60*24/1000 = 352,8

На данный момент я понимаю, что потребление 352,8 л кислорода должно производить примерно 1680 ккал в состоянии покоя. Мое следующее предположение будет заключаться в том, что аэробное дыхание глюкозы составляет всю энергию в течение этого дня отдыха. Я знаю, что это не так, но я не ожидал, что это будет в 3 раза меньше. Я предполагаю, что либо это предположение неверно, либо я что-то неправильно понимаю в следующей математике.

Начнем еще с некоторых констант, касающихся клеточного дыхания.

  • АТФ создает 7,3 ккал/моль
  • На глюкозу образуется в среднем 30 АТФ (гликолиз, кребс и т. д.).
  • 6 O2 необходимы для аэробного метаболизма 1 глюкозы

Зная отношение энергии к АТФ, мы можем рассчитать необходимое количество АТФ в день. Я должен отметить, что результат здесь примерно в два раза выше, чем эталонные числа, которые я видел, поэтому я с подозрением.

  • АТФ (моль/сут) = 1680/7,3 = 230,1369863
  • Глюкоза (моль/день) = 230,1369863/30 = 7,671232877
  • О2 (моль/сутки) = 7,671232877 * 6 = 46,02739726

Чтобы преобразовать требования O2 для нашего АТФ из молей в литры, мы используем закон Авогадро при стандартном давлении (100 кПа), чтобы сделать вывод, что на моль газа приходится 22,712 литра.

  • О2 (л/сутки) = 46,02739726 * 22,712 = 1045,374247

И, наконец, мы видим, что мой расчет говорит о том, что вам нужно 1045,37 литров кислорода для производства 1680 ккал энергии за счет аэробного дыхания, но ранее я подсчитал, что вам нужно всего 352,8 литров, используя 1 МЕТ в качестве основы. Там были сделаны предположения, но эти результаты заставляют меня думать, что я все еще неправильно понимаю фундаментальную концепцию.

Ответы (2)

Математика была правильной, но было неправильное понимание того, что представляют некоторые числа. Расходы энергии, указанные для RMR, включают термогенез в состоянии покоя в дополнение к фактической энергии АТФ, используемой для работы. Вы можете видеть, что то же самое делается для отчета о калориях в пище (например, 4 на углевод) на http://www.fao.org/docrep/006/Y5022E/y5022e04.htm .

Если принять это во внимание, мы используем 686 ккал/моль глюкозы, чтобы получить аналогичные числа кислорода. Это включает энергию для АТФ и энергию от тепла.

Другими словами, RMR учитывает фактически сожженную энергию, в то время как АТФ из метаболизма учитывает только энергию, которую можно использовать. Референтные значения составляют 4 ккал/г RMR глюкозы и около 1,2 ккал/г полезной энергии глюкозы. Это чрезвычайно интересный результат. Конечно же, кто-то должен был публиковать информацию об этой неэффективности метаболизма..?
Да, есть материалы об этой эффективности и о том, как она меняется при определенных условиях и для разных путей. Мне показалось интересным, что rmr и оценки для физических упражнений и тому подобного в основном делаются для эффективности определенного сочетания видов топлива (например, углеводов/жиров). Таким образом, они должны быть менее точными для балансировки калорий, если вы придерживаетесь кето-диеты или какой-либо другой крайности. Со всеми другими переменными это, вероятно, теряется в шуме, но определенно для меня это новость.

Ваша оценка в 1680 ккал/день для покоящегося человека весом 70 кг звучит примерно так.

Страницы в Интернете соглашаются примерно с 11000 л вдыхаемого воздуха и 550 л потребляемого из него кислорода в день. Я предполагаю, что это включает в себя отдых + активность, поэтому оценка метаболизма в состоянии покоя в 350 л звучит примерно точно.

При 7,3 ккал/моль АТФ и 30 АТФ/глюкозы получается 219 ккал/моль глюкозы.

В Википедии указано -2880 кДж/моль глюкозы ( https://en.wikipedia.org/wiki/Cellular_respiration ). Это 688,3 ккал/моль глюкозы. К сожалению, на странице не указан источник, но вы продолжаете свои расчеты оттуда: для 1680 ккал вам нужно всего 2,44 моль глюкозы в день, 14,64 моль O2 и, следовательно, 332,6 л O2. Таким образом, 688,3 ккал/моль глюкозы примерно соответствует ожидаемому потреблению O2.

Молекулярная масса глюкозы составляет 180,16 г/моль. Для 219 ккал/моль вы получите 1,22 ккал/г. И наоборот, 688,3 ккал/моль дают 3,82 ккал/г. Опять же, последнее значение определенно ближе к информации о пищевой ценности глюкозы, полученной из различных общепринятых источников (3,75-4 ккал/г).

Единственное объяснение, которое я могу предложить этому, заключается в том, что АТФ, образующийся в результате метаболизма глюкозы, составляет только около 35% энергии, содержащейся в глюкозе, что означает, что оставшаяся энергия тратится впустую.

Оба этих эталонных значения кажутся полностью правильными: en.wikipedia.org/wiki/…
Как упоминает Эйдли, эти ценности, похоже, широко распространены. Найденное вами число 36 ATP — это скорее теоретический верхний предел, которого на практике не будет. Тем не менее, я согласен, что если бы они были неправы, это могло бы помочь :)
Я обновил свой ответ некоторыми дополнительными размышлениями)
На большинстве сайтов указано, что эффективность производства АТФ составляет 38%, а остальная часть энергии теряется в виде тепла из-за общей энергии глюкозы по сравнению с произведенным пригодным для использования АТФ. На этом сайте также говорится, что в ячейке может быть до 50%, но я не видел этого в другом месте: tiem.utk.edu/~gross/bioed/webmodules/ATPEfficiency.htm . из этой тепловой энергии тело может использовать - вам нужно АТФ, чтобы фактически выполнять указанную дневную работу RMR.
Я нашел еще один сайт, в котором перечислены внутриклеточные условия, создающие больше энергии на АТФ (13 ккал/моль, что на единицу больше, чем на предыдущем сайте, который я указал). Запустив математику с 13, я получаю 129 моль/день АТФ, что намного ближе к исходным числам, которые я видел. Для O2 я получаю 587 л/день, что намного ближе. Однако я не уверен, находится ли он в пределах погрешности. eng.umd.edu/~nsw/chbe482/energy.htm
Также очень подозрительно, что ваша математика, использующая всю энергию глюкозы (100% эффективность АТФ), настолько близка к ожидаемому результату. Это заставляет меня задаться вопросом, есть ли на самом деле просто недопонимание того, что представляет собой первоначальный RMR. Я ожидаю, что это будет фактическая энергия АТФ, фактически используемая мышцами и органами, а не энергия с потерями, сожженная из глюкозы, но, может быть, это неправильно? Да, я так думаю! Таким образом, недостающая часть здесь (независимо от ккал АТФ) заключается в том, что RMR включает диетический термогенез (дополнительную тепловую энергию).
Это также включено в пищевую ценность продуктов питания: fao.org/docrep/006/Y5022E/y5022e04.htm Таким образом, я думаю, что цифры, которые мы видим для калорий для RMR/BMR/упражнений, не являются фактической энергией работы. выполнено, но энергия, которая была там, чтобы начать метаболизм. Я опубликую ответ с моим непониманием. Спасибо за помощь!
Таким образом, вывод состоит в том, что наш метаболизм глюкозы на самом деле настолько неэффективен...
Ага. Тем не менее, я нашел гораздо больше информации о том, что в живой клетке вы получаете гораздо больше АТФ из системы из-за количества других вещей (АДФ и т. д.), pH и т. д. КПД может достигать 50% или около того.