基礎代謝率

基礎代謝率( BMR ) は、内温動物が安静時に単位時間あたりに消費するエネルギーの速度です。 ^[1]単位時間あたりのエネルギー単位で報告され、ワット(ジュール/秒) から ml O ₂ /分または体重 kg あたりのジュール/時間 (J/(h·kg)) までの範囲です。適切な測定には、厳格な一連の基準を満たす必要があります。これらの基準には、吸収後の状態(つまり、食物を活発に消化していない状態)で、身体的および精神的に乱されていない状態であること、および熱的に中立な環境にあることが含まれます。 ^[1]魚類や爬虫類などの緩徐代謝動物では、同等の用語である標準代謝率( SMR ) が適用されます。これは BMR と同じ基準に従いますが、代謝率が測定された温度の記録が必要です。これにより、BMR は温度データを除外する標準代謝率測定の変形となり、多くの哺乳類の「標準」代謝率を定義する際に問題を引き起こしてきました。^[1]

代謝は、体が機能するために必要なプロセスで構成されています。^[2]基礎代謝率は、人が安静時に体を機能させ続けるために必要な単位時間あたりのエネルギー量です。 これらのプロセスには、呼吸、血液循環、体温調節、細胞の成長、脳と神経の機能、筋肉の収縮などがあります。 基礎代謝率は、人がカロリーを燃焼する速度に影響し、最終的にはその人が体重を維持するか、増やすか、減らすかに影響します。 基礎代謝率は、個人の1日のカロリー消費量の約70％を占めます。 それはいくつかの要因の影響を受けます。 人間の場合、BMRは通常、20歳を過ぎると10年ごとに1～2％低下しますが、これは主に脂肪のない体重の減少によるものですが、^[3]個人間のばらつきは大きいです。^[4]

体の熱産生は熱産生として知られており、消費エネルギー量を決定するために測定することができます。BMR は一般に年齢とともに低下し、除脂肪体重の減少（加齢に伴って起こることがあります）とともに低下します。筋肉量の増加は BMR の増加に影響します。有酸素（抵抗）フィットネス レベルは心血管運動の産物であり、以前は BMR に影響を与えると考えられていましたが、1990 年代に脂肪のない体重で調整した場合、BMR と相関しないことが示されました。^[要出典]しかし、無酸素運動は安静時のエネルギー消費を増加させます（「有酸素運動と無酸素運動」を参照）。^[5] 病気、以前に摂取した食品や飲料、環境温度、ストレス レベルは、BMR だけでなく全体的なエネルギー消費にも影響する可能性があります。

BMRは、人が起きているときに非常に制限された状況下で測定されます。正確なBMR測定には、人の交感神経系が刺激されていない状態、つまり完全な休息が必要です。より一般的な測定方法は、それほど厳密な基準を使用しない安静時代謝率（RMR）です。^[6]

BMR は直接または間接熱量測定によるガス分析で測定できますが、年齢、性別、身長、体重を使用した方程式で大まかな推定値を取得することもできます。両方の方法を使用したエネルギー代謝の研究は、呼吸商(RQ)の妥当性について説得力のある証拠を提供します。呼吸商は、炭水化物、脂肪、タンパク質が体内でエネルギーとして使用できるエネルギー基質単位に変換される際の固有の構成と利用を測定します。

BMR は柔軟な形質(個体内で可逆的に調整できる) であり、たとえば気温が低いと鳥類^{[7]とげっ歯類[8]}の両方で基礎代謝率が一般的に高くなります。気温に応じて BMR がどのように変化するかを説明するモデルには、可変最大モデル (VMM) と可変分数モデル (VFM) の 2 つがあります。VMM では、頂上代謝 (または寒さに応じた最大代謝率) は冬季に増加し、持続代謝 (または無期限に持続できる代謝率) は前者の一定の割合のままであるとされています。VFM では、頂上代謝は変化しないが、持続代謝はその大きな割合を占めるとされています。VMM は哺乳類で支持されており、全身の代謝率を使用する場合はスズメ目の鳥でも支持されています。VFM は、質量固有の代謝率 (または質量単位あたりの代謝率) を使用するスズメ目の鳥の研究で支持されています。この後者の測定法は、エリック・リクネス、サラ・スコット、デイビッド・スワンソンによって批判されており、彼らは質量別代謝率は季節によって一貫性がないと主張している。^[9]

気温への適応に加えて、BMRは毎年の渡りのサイクルの前にも調整することがあります。^[7]コオバシギ（ssp. islandica ）は北へ渡る前にBMRを約40％増加させます。これは長距離飛行にエネルギーが必要になるためです。この増加は主に飛行に関連する器官の質量の増加によるものと考えられます。^[10]渡り鳥の最終目的地はBMRに影響します。北へ渡るキイロアメリカムシクイは南へ渡るものよりもBMRが31％高いことがわかりました。^[7]

人間では、BMR は除脂肪体重に正比例します。^{[11] [12]}言い換えれば、除脂肪体重が多いほど、BMR は高くなりますが、BMR は急性疾患の影響も受け、火傷、骨折、感染症、発熱などの状態でも増加します。^{[12]月経のある女性では、BMR は}月経周期の段階によってある程度変化します。プロゲステロンの増加により、BMR は黄体期の開始時に上昇し、この段階が終わるまで最高値を維持します。通常どの程度の増加が起こるかについては、研究でさまざまな知見があります。小規模なサンプルによる初期の研究では、排卵後睡眠代謝が 6% 高い、^[13]排卵後の 24 時間消費が 7%～15% 高い、^[14]黄体期の BMR が最大 12% 増加するなど、さまざまな数値が見つかりました。^{[15] [16]}アメリカ臨床栄養学会による研究では、実験群の女性ボランティアは排卵後2週間で24時間エネルギー消費量が平均11.5%増加し、その範囲は8%から16%であったことがわかった。このグループは直接および間接熱量測定を同時に行い、食事摂取量や活動レベルの変化によって増加が操作されるのを防ぐために、毎日の食事と座りがちなスケジュールを標準化した。^[17]マンディア医学研究所が2011年に実施した研究では、女性の卵胞期と月経周期ではBMRに大きな違いはないが、黄体期には1時間あたりの消費カロリーが最大18%大幅に高くなることがわかった。状態不安（ストレスレベル）の上昇もBMRを一時的に上昇させた。^[18]

科学者J. アーサー ハリスとフランシス G. ベネディクトの初期の研究では、体表面積(身長と体重から計算)、年齢、性別、および熱量測定から得た酸素と二酸化炭素の測定値を使用して、BMR のおおよその値を導き出せることが示されました。また、研究では、脂肪組織の蓄積によって生じる性差を「脂肪のない」または除脂肪体重の単位あたりの代謝率で表すことで排除すると、男女の基礎代謝の値は基本的に同じになることも示されました。運動生理学の教科書には、身長と体表面積を体重と基礎代謝値に換算した表が掲載されています。

代謝の調節を司る主な器官は視床下部です。視床下部は間脳にあり、大脳の第三脳室の底と側壁の一部を形成しています。視床下部の主な機能は次のとおりです。

1. 自律神経系（ANS） の活動の制御と統合
   • ANS は、平滑筋と心筋の収縮、および甲状腺（多くの代謝障害に関連）などの多くの内分泌器官の分泌を調節します。
   • 視床下部は、自律神経系を通じて、心拍数、消化管を通る食物の移動、膀胱の収縮などの内臓活動を主に制御します。
2. 怒りや攻撃的な感情の生成と制御
3. 体温調節
4. 食物摂取の調節は、2つの中心を通じて行われます。
   • 摂食中枢または空腹中枢は、私たちが食べ物を求める感覚を司っています。十分な食物または基質が摂取され、レプチンのレベルが高い場合、満腹中枢が刺激され、摂食中枢を抑制するインパルスが送られます。胃の中に十分な食物がなく、グレリンのレベルが高い場合、視床下部の受容体が空腹感を引き起こします。
   • 渇き中枢は、視床下部の特定の細胞が細胞外液の浸透圧の上昇によって刺激されると、同様に機能します。渇きが満たされると、浸透圧は低下します。

これらすべての機能が組み合わさって、BMR が測定する身体プロセスを維持するための生存メカニズムが形成されます。

20世紀初頭から21世紀にかけて、人間が必要とするカロリー数を予測するいくつかの式が発表されました。以下の各式では^、

Pは完全に静止した状態での総熱生産量であり、

mは質量（kg）、

hは高さ（cm）、

aは年齢（年）です。

オリジナルのハリス・ベネディクト方程式

歴史的に最も有名な式は1919年に発表されたハリス・ベネディクト方程式である。^[19]

男性の場合、${\displaystyle P=\left({\frac {13.7516m}{1~{\text{kg}}}}+{\frac {5.0033h}{1~{\text{cm}}}}-{\frac {6.7550a}{1~{\text{year}}}}+66.4730\right){\frac {\text{kcal}}{\text{day}}},}$

女性の場合、${\displaystyle P=\left({\frac {9.5634m}{1~{\text{kg}}}}+{\frac {1.8496h}{1~{\text{cm}}}}-{\frac {4.6756a}{1~{\text{year}}}}+655.0955\right){\frac {\text{kcal}}{\text{day}}}.}$

男性と女性の基礎代謝率の違いは、主に体重の違いによるものです。たとえば、体重 130 ポンド (59 kg)、身長 66 インチ (168 cm) の 55 歳の女性の場合、基礎代謝率は 1 日あたり 1,272 キロカロリー (5,320 kJ) になります。

改訂ハリス・ベネディクト方程式

1984年に、ハリス・ベネディクト方程式は新しいデータを用いて改訂された^[20]。実際の支出と比較すると、改訂された方程式はより正確であることがわかった。^[21]

男性の場合、${\displaystyle P=\left({\frac {13.397m}{1~{\text{kg}}}}+{\frac {4.799h}{1~{\text{cm}}}}-{\frac {5.677a}{1~{\text{year}}}}+88.362\right){\frac {\text{kcal}}{\text{day}}},}$

女性の場合、${\displaystyle P=\left({\frac {9.247m}{1~{\text{kg}}}}+{\frac {3.098h}{1~{\text{cm}}}}-{\frac {4.330a}{1~{\text{year}}}}+447.593\right){\frac {\text{kcal}}{\text{day}}}.}$

これは1990年にミフリンら^[22]が次の式を導入する まで、最良の予測式であった。

ミフリン・セント・ジョー方程式

${\displaystyle P=\left({\frac {10.0m}{1~{\text{kg}}}}+{\frac {6.25h}{1~{\text{cm}}}}-{\frac {5.0a}{1~{\text{year}}}}+s\right){\frac {\text{kcal}}{\text{day}}},}$

ここで、sは男性の場合は+5、女性の場合は-161です。

この式によると、上記の例の女性の基礎代謝量は1日あたり1,204キロカロリー（5,040 kJ）となります。過去100年間でライフスタイルは変化しており、フランケンフィールドら^[23]はそれが約5%正確になったことを示しました。

これらの計算式は体重に基づいており、除脂肪体重と体脂肪の代謝活動の違いは考慮されていません。除脂肪体重を考慮する他の計算式も存在し、そのうちの 2 つは Katch-McArdle 計算式と Cunningham 計算式です。

カッチ・マッカードル式（安静時の1日のエネルギー消費量）

カッチ・マッカードル式は、安静時1日エネルギー消費量（RDEE）を予測するために使用されます。^[24] カニンガム式は、BMRではなくRMRを予測するためによく引用されますが、カッチ・マッカードル式とカニンガム式は同じです。^[25]

${\displaystyle P=370+21.6\cdot \ell ,}$

ここで、ℓは除脂肪体重（LBM、kg単位）です。

${\displaystyle \ell =m\left(1-{\frac {f}{100}}\right),}$

ここで、f は体脂肪率です。

この式によれば、例の女性の体脂肪率が 30% の場合、安静時の 1 日のエネルギー消費量 (著者は基礎代謝と安静時代謝という用語を同じ意味で使用しています) は 1 日あたり 1262 kcal になります。

基礎代謝率は個人によって異なります。スコットランドの人口を代表する成人 150 人を対象にしたある研究では、基礎代謝率は 1 日あたり 1,027 キロカロリー (4,300 kJ) から 2,499 キロカロリー (10,460 kJ) までと報告され、平均 BMR は 1 日あたり 1,500 キロカロリー (6,300 kJ) でした。統計的には、この変動の 62% は脂肪のない体重の違いによって説明されると研究者らは計算しました。変動を説明するその他の要因には、脂肪量(7%)、年齢 (2%)、被験者内差を含む実験誤差(2%) などがあります。残りの変動 (27%) は説明できませんでした。この残りの差は性別や脳などの高エネルギー臓器の組織サイズの違いでは説明できませんでした。^[26]

ヨーロッパと米国の1400人以上の被験者を対象とした横断的研究では、体組成（除脂肪量と脂肪量）と年齢の違いを調整すると、BMRは過去35年間で低下していることが示されました。^{[27]この低下は、1920年代初頭にさかのぼる150件以上の研究の}メタ分析でも観察され、総エネルギー消費量の約6％の減少につながりました。^[27]

人間の総エネルギー消費量の約70%は、体の臓器で起こる基礎的な生命活動によるものです（表を参照）。エネルギー消費量の約20%は身体活動によるもので、残りの10%は熱産生、つまり食物の消化（食後熱産生）によるものです。^{[29]これらのプロセスはすべて、生存のためのエネルギー（通常は炭水化物、脂肪、タンパク質などの主要栄養素から）を供給し、}クレブス回路による処理で二酸化炭素を排出するために、酸素の摂取と補酵素を必要とします。

BMRの場合、エネルギーの大部分は浸透圧調節によって組織内の体液レベルを維持するために消費され、消化、心拍、呼吸などの機械的な作業には約10分の1しか消費されません。 ^[30]

クレブス回路が脂肪、炭水化物、タンパク質の代謝変化を行えるのはエネルギーのおかげです。エネルギーとは、仕事をする能力または能力と定義できます。大きな分子をより小さな分子に分解する（エネルギーの放出を伴う）ことは異化作用です。その構築プロセスは同化作用と呼ばれます。タンパク質をアミノ酸に分解することは異化作用の一例であり、アミノ酸からタンパク質を形成することは同化作用です。

発エルゴン反応はエネルギーを放出する反応で、一般的には異化反応です。吸エルゴン反応はエネルギーを必要とし、同化反応や筋肉の収縮が含まれます。代謝とは、異化、発エルゴン、同化、吸エルゴン反応のすべてを組み合わせたものです。

アデノシン三リン酸(ATP) は、発エルゴン的なエネルギー伝達を駆動して、筋肉の収縮に使用される吸エルゴン的な同化反応に切り替える中間分子です。これが、筋肉の分解を必要とする筋肉の働きと、筋肉の収縮に関連する強化段階で発生する休息期間の筋肉の増強を引き起こします。ATP は、窒素含有塩基のアデニン、5 炭素糖のリボース (総称してアデノシン)、および 3 つのリン酸基で構成されています。ATP は、2 つの末端リン酸基の化学結合に大量のエネルギーを蓄えるため、高エネルギー分子です。クレブス回路でこれらの化学結合が切断されると、筋肉の収縮に必要なエネルギーが供給されます。

すべての炭水化物の水素原子と酸素原子の比率は、常に水中の比率と同じ、つまり 2 対 1 であるため、細胞によって消費される酸素はすべて、炭水化物分子の炭素を酸化して二酸化炭素を形成するために使用されます。その結果、グルコース分子が完全に酸化される間に、6 つの二酸化炭素分子と 6 つの水分子が生成され、6 つの酸素分子が消費されます。

この反応の全体的な式は

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}}}$

(ミトコンドリアシャトルの種類に応じて 30～32 個の ATP 分子が生成され、酸素分子あたり 5～5.33 個の ATP 分子が生成されます。)

この反応におけるガス交換は等しいため、炭水化物の呼吸商(RQ) は 1.0 になります。

${\displaystyle {\text{R.Q.}}={\frac {{\ce {6 CO2}}}{{\ce {6 O2}}}}=1.0.}$

脂肪の化学組成は炭水化物とは異なり、脂肪には炭素原子と水素原子に比べて酸素原子がかなり少なく含まれています。栄養成分表に記載される場合、脂肪は通常、総脂肪、飽和脂肪酸、多価不飽和脂肪酸、一価不飽和脂肪酸、食物コレステロール、トランス脂肪酸の 6 つのカテゴリに分類されます。基礎代謝または安静時代謝の観点から、飽和脂肪酸を燃焼させるには不飽和脂肪酸よりも多くのエネルギーが必要です。脂肪酸分子は、分子構造内の炭素原子の数に基づいて分解され、分類されます。飽和脂肪酸分子内の 12 〜 16 個の炭素原子の代謝の化学式は、炭水化物と脂肪酸の代謝の違いを示しています。パルミチン酸は、よく研究される飽和脂肪酸分子の例です。

パルミチン酸の基質利用の全体的な式は

${\displaystyle {\ce {C16H32O2 + 23 O2 -> 16 CO2 + 16 H2O}}}$

(106 個の ATP 分子が生成され、酸素分子あたり 4.61 個の ATP 分子が生成されます。)

したがって、パルミチン酸のRQは0.696です。

${\displaystyle {\text{R.Q.}}={\frac {{\ce {16 CO2}}}{{\ce {23 O2}}}}=0.696.}$

タンパク質は、炭素、水素、酸素、窒素から構成され、さまざまな方法で配列されて、アミノ酸の大きな組み合わせを形成します。脂肪とは異なり、体にはタンパク質の貯蔵庫はありません。タンパク質はすべて、組織、血液ホルモン、酵素の重要な部分として体内に含まれています。これらのアミノ酸を含む体の構造成分は、常に分解と置換のプロセスを経ています。タンパク質代謝の呼吸商は、アルブミンの酸化の化学式で示されます。

${\displaystyle {\ce {C72H112N18O22S + 77 O2 -> 63 CO2 + 38 H2O + SO3 + 9 CO(NH2)2}}}$

アルブミンのRQは0.818です。

${\displaystyle {\text{R.Q.}}={\frac {{\ce {63 CO2}}}{{\ce {77 O2}}}}=0.818.}$

タンパク質代謝を理解する過程でこれが重要な理由は、体が 3 つの主要栄養素を混合し、ミトコンドリア密度に基づいて、筋肉が行う作業のためにどのパケットでどのくらいの燃料が使用されるかを決定する好ましい比率を確立できるためです。タンパク質の異化 (分解) は、2 時間の有酸素トレーニング セッション中に総エネルギー必要量の 10% から 15% を供給すると推定されています。このプロセスは、心臓のタンパク質の収縮特性、細胞ミトコンドリア、ミオグロビン貯蔵、筋肉内の代謝酵素など、生存を維持するために必要なタンパク質構造を著しく劣化させる可能性があります。

酸化システム (有酸素) は、安静時および低強度の運動中に体に供給される ATP の主な供給源であり、主に炭水化物と脂肪を基質として使用します。長期間の飢餓状態および長時間の運動 (90 分以上) を除き、タンパク質は通常、大幅に代謝されません。安静時には、生成される ATP の約 70% が脂肪から、30% が炭水化物から生成されます。活動開始後、運動の強度が増すにつれて、基質の好みが脂肪から炭水化物に変わります。高強度の有酸素運動中は、十分な供給があれば、エネルギーのほぼ 100% が炭水化物から生成されます。

^1992年[31]と1997年^[32]に発表された研究は、個人の有酸素運動能力のレベルは安静時代謝のレベルとは何の相関関係もないことを示しています。どちらの研究でも、有​​酸素運動能力のレベルは、脂肪のない体重による安静時代謝率の予測力を向上させないことがわかりました。

しかし、 2012年に発表されたJournal of Applied Physiologyの最近の研究^{[33]では、過体重の成人における体重と脂肪量に対する}レジスタンストレーニングと有酸素トレーニングを比較しました（STRRIDE AT/RT）。健康上の利点に対して時間的なコミットメントを考慮すると、有酸素トレーニングは脂肪量と体重を第一に減らすための最適な運動モードであり、レジスタンストレーニングは老化と除脂肪量が懸念される場合の二次的な要因として適しています。レジスタンストレーニングは、有酸素トレーニングよりもはるかに高い割合で怪我を引き起こします。^[33]レジスタンストレーニングと比較して、有酸素トレーニングは、脂肪基質の代謝利用における主要な要因である心血管系を強化することにより、有意に顕著な体重減少をもたらすことがわかりました。時間があればレジスタンストレーニングも運動後の代謝に役立ちますが、レジスタンストレーニングの合間に体が十分に回復する必要があるため、補助的な要因です。一方、有酸素トレーニングでは、体が毎日これを受け入れることができます。 RMRとBMRは、1日のカロリー消費量の測定値です。^{[34] [33]}このテーマで発表された研究の大部分は、健康と体重管理への有効性から有酸素運動に注目しています。

ウェイトリフティングなどの無酸素運動は、筋肉量を増加させます。筋肉は個人の除脂肪体重に寄与するため、無酸素運動の効果的な結果はBMRを増加させます。^[35]しかし、BMRへの実際の影響は議論の余地があり、列挙するのが困難です。さまざまな研究^{[36] [37]}によると、訓練された筋肉の安静時の代謝率は1日あたり約55 kJ/kgです。筋肉量が大幅に増加したとしても、たとえば5kgでも、BMRへの影響はわずかです。

1926年、レイモンド・パールは、寿命は基礎代謝率に反比例すると提唱した（「生存率仮説」）。この仮説は、体が大きい哺乳類は最大寿命が長いという事実（大型動物は総代謝率が高いが、細胞レベルでの代謝率ははるかに低く、呼吸率と心拍数は大型動物の方が遅い）と、ショウジョウバエの寿命は周囲温度に反比例するという事実から支持されている。^[38]さらに、イエバエの寿命は身体活動を防ぐことで延ばすことができる。^[39]この理論は、人間を含む動物界全体で基礎代謝率の低下と平均寿命の延長を結び付けるいくつかの新しい研究によって裏付けられている。 カロリー制限と甲状腺ホルモンレベルの低下はどちらも代謝率を低下させるが、動物の寿命の延長と関連している。^{[40] [41] [42] [43] [信頼できない医学的情報源？ ]}

しかし、1日の総エネルギー消費量と安静時代謝率の比率は、哺乳類の種によって1.6～8.0の間で変化する。また、酸化的リン酸化とATP産生の結合度、ミトコンドリア膜の飽和脂肪量、 DNA修復量など、最大寿命に影響を与える多くの要因も動物によって異なる。 ^[44]

寿命と代謝の関係を理解する上で問題となるのは、代謝の変化が寿命に影響を与える可能性のある他の要因と混同されることが多いことです。たとえば、カロリー制限下では、制限レベルが上がるにつれて全身の代謝率は低下しますが、体温も同じパターンに従います。マウスとハムスターでは、周囲の温度と風への露出を操作することで、体温が代謝率よりも寿命のより重要な調節因子であることが示されました。^[45]

人の代謝は、身体の状態や活動によって異なります。ウェイトトレーニングは有酸素トレーニングよりも代謝に長い影響を与えますが、同化神経筋トレーニングによる栄養変化から代謝が上昇する期間と持続時間を正確に予測できる数式は知られていません。

食事摂取量が減ると、体がエネルギーを節約しようとするため、通常、代謝率は低下します。^{[46]研究者のゲイリー・フォスターは、1日800カロリー未満の}非常に低カロリーの食事では、代謝率が10％以上低下すると推定しています。 ^[47]

代謝率は、抗甲状腺剤、甲状腺機能亢進症の治療に使用されるプロピルチオウラシルやメチマゾールなどの薬剤などの一部の薬剤によって影響を受ける可能性があり、代謝率を正常まで下げて甲状腺機能正常症を回復させます。^[要出典]一部の研究^{[どの研究? ]は、}骨格筋の熱産生を刺激する薬剤など、代謝率を上げる抗肥満薬の開発に焦点を当てています。^[要出典]

代謝率はストレス、病気、糖尿病などで上昇することがあります。更年期も代謝に影響を与える可能性があります。^[48]

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