呼吸商

呼吸商（RQまたは呼吸係数）は、二酸化炭素産生から推定される基礎代謝率（BMR）の計算に使用される無次元数です。体が定常状態にあるときに、体内で産生される二酸化炭素と体内で消費される酸素の比率から計算されます。酸素摂取量の測定と同様に、このような測定値は間接熱量測定の一種です。呼吸計を使用して測定されます。呼吸商の値は、脂肪、炭水化物、タンパク質に異なるエネルギー経路が使用されるため、どの主要栄養素が代謝されているかを示します。^[1]代謝が脂質のみで構成されている場合、呼吸商は約0.7、タンパク質の場合は約0.8、炭水化物の場合は1.0です。ただし、ほとんどの場合、エネルギー消費は脂肪と炭水化物の両方で構成されます。混合食の呼吸商はおおよそ0.8です。^[1]呼吸商に影響を及ぼす可能性のある他の要因としては、エネルギーバランス、循環インスリン、インスリン感受性などがある。^[2]

肺胞ガス方程式に使用できます。

呼吸交換比（RER ）は、二酸化炭素（CO2 _）の代謝産生と酸素（O2 _{）の摂取の}比率である。^{[3] [4]}

この比率は、呼気ガスと室内空気を比較して決定されます。この比率を測定すると、安静時または乳酸が蓄積しない軽度から中程度の有酸素運動中にのみRQに等しくなります。より激しい無酸素運動中に精度が低下するのは、重炭酸緩衝システムなどの要因によるものです。体は乳酸の蓄積を補い、呼吸器系からより多くの_CO2を排出することで血液の酸性化を最小限に抑えようとします。^[5]

激しい運動中はRERが1.0を超えることがあります。1.0を超える値は基質代謝によるものではなく、重炭酸緩衝に関する前述の要因によるものです。^{[5] RERの計算は、通常、} VO2maxテストなどの運動テストと組み合わせて行われます。これは、参加者が疲労困憊し、心肺系の限界に近づいていることを示す指標として使用できます。1.0以上のRER_{は、 VO2max}テストの二次エンドポイント基準としてよく使用されます。^[5]

呼吸商（RQ）は次の比率です。

RQ = 排出されるCO ₂ /_{消費されるO 2}

ここで「排出」という用語は、定常状態で体内から除去される 二酸化炭素 (CO _{2 ) を指します。}

この計算では、 CO ₂と O _{2 は同じ単位で、分子の数に比例した量で与える必要があります。許容される入力値は、}モル、または標準温度および圧力でのガスの体積です。

代謝された物質の多くは、炭素、水素、酸素の元素のみを含む化合物です。例としては、脂肪酸、グリセロール、炭水化物、脱アミノ化生成物、エタノールなどがあります。このような化合物の完全酸化の化学式は次のようになります。

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

したがって、この化合物の代謝により、RQ は x/(x + y/4 - z/2) になります。

分子式が C ₆ H ₁₂ O ₆であるグルコースの場合、完全な酸化方程式は C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ → 6 CO ₂ + 6 H ₂ O です。したがって、RQ = 6 CO ₂ / 6 O ₂ =1 です。

脂肪酸分子、すなわちパルミチン酸の酸化の場合：^[6]

${\displaystyle 23\ \mathrm {O} _{2}+\mathrm {C} _{16}\mathrm {H} _{32}\mathrm {O} _{2}\to 16\ \mathrm {CO } _{2}+16\ \mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +129\ \mathrm {ATP} }$

${\displaystyle \mathrm {RER} ={\frac {\mathrm {VCO} _{2}}{\mathrm {VO} _{2}}}={\frac {16\ \mathrm {CO} _{2 }}{23\ \mathrm {O} _{2}}}\約 0.7}$

RQが0.7に近い場合は脂肪が主な燃料源であることを示し、1.0の値は炭水化物が主な燃料源であることを示し、0.7から1.0の間の値は脂肪と炭水化物の両方が混合されていることを示唆しています。^[6]一般的に、混合食はRER約0.8に相当します。^[7]脂肪の場合、RQは存在する特定の脂肪酸によって異なります。脊椎動物に一般的に蓄えられている脂肪酸の中で、RQは0.692（ステアリン酸）から0.759（ドコサヘキサエン酸）まで変化します。歴史的に、「平均的な脂肪」のRQは約0.71であると考えられていましたが、これは人間を含むほとんどの哺乳類に当てはまります。しかし、最近の調査では、水生動物、特に魚類には、酸化時により高いRQをもたらす脂肪があり、ドコサヘキサエン酸の量が多いため、0.73に達することが示されました。^[8]

代謝バランスにある生物の呼吸係数の範囲は、通常 1.0 (純粋な炭水化物の酸化で予測される値) から ~0.7 (純粋な脂肪酸の酸化で予測される値) までです。一般に、酸化度が高い分子 (グルコースなど) は、完全に代謝されるために必要な酸素が少なく、したがって呼吸商が高くなります。逆に、酸化度の低い分子 (脂肪酸など) は、完全に代謝されるために必要な酸素が多く、呼吸商が低くなります。これらの数値の算出方法については、 BMR を参照してください。脂肪と炭水化物の混合食は、これらの数値の平均値になります。

RQ値は、生成される_CO2 1 リットル (L) あたりのカロリー値に対応します。O2 消費量が利用可能な場合は_、エネルギー生成のより直接的で信頼性の高い推定値であるため、通常はそれが直接使用されます。

測定されたRQには、タンパク質から生成されるエネルギーの寄与が含まれます。ただし、さまざまなアミノ酸が代謝されるさまざまな方法の複雑さのため、食事中のタンパク質の酸化に単一のRQを割り当てることはできません。

インスリンは脂質の蓄積を増加させ、脂肪酸化を減少させ、呼吸商の増加と正の相関関係にある。^[2]エネルギーバランスがプラスになると、呼吸商も増加する。^[2]

呼吸商の実際的な応用は、患者が呼吸努力に多大なエネルギーを費やす重度の慢性閉塞性肺疾患の場合に見られます。食事中の脂肪の割合を増やすと、呼吸商が低下し、生成される_{CO2の量が相対的に減少します。これにより、 CO2を}排除するための呼吸負荷が軽減され、呼吸に費やされるエネルギー量が削減されます。^[9]

呼吸商は、栄養過剰または栄養不足の指標として使用できます。栄養不足は体に脂肪貯蔵を強制するため呼吸商を低下させますが、栄養過剰は脂肪生成を引き起こし、呼吸商を上昇させます。^[10]栄養不足は呼吸商が0.85未満でマークされ、呼吸商が1.0を超えると栄養過剰を示します。これは、呼吸器系が損なわれた患者にとって特に重要です。呼吸商の増加は呼吸数の増加と一回換気量の減少に大きく対応し、損なわれた患者を重大なリスクにさらすためです。^[10]

呼吸商は代謝に関与するため、肝機能の分析や肝疾患の診断に使用できます。肝硬変患者では、非タンパク質呼吸商（npRQ）値が全生存率の予測における優れた指標となります。npRQ < 0.85の患者は、npRQ > 0.85の患者と比較して生存率がかなり低くなります。^[11] npRQの低下は、肝臓によるグリコーゲン貯蔵量の減少に対応します。^[11]同様の研究によると、非アルコール性脂肪性肝疾患も呼吸商値が低く、非タンパク質呼吸商値は疾患の重症度を示す優れた指標でした。^[11]

最近、呼吸商は水生科学者によって環境への応用を明らかにするためにも使用されています。異なる単一基質を使用した天然の細菌プランクトンを用いた実験的研究は、呼吸商が呼吸する化合物の元素組成に関連していることを示唆しました。^[12]このようにして、細菌プランクトンの呼吸商は細菌プランクトンの呼吸決定の実際的な側面であるだけでなく、水生生態系の機能に関する独自の情報を提供する主要な生態系状態変数でもあることが実証されています。^[12]科学者は、代謝されるさまざまな基質の化学量論に基づいて、水生生態系の溶存酸素(O ₂ ) と二酸化炭素(CO _{2 ) は、}光合成と呼吸の処理により逆相関するはずであると予測できます。^{[13]この商を使用して、水生生態系の}生物地球化学を形作る化学的および物理的強制の代謝挙動と同時の役割を明らかにすることができます。^[13]

分子および細胞レベルから生態系レベルに移ると、生物圏と大気の間のO ₂と CO _{2の交換はさまざまなプロセスによって説明されます。酸素の同時消費 (-ΔO 2} ) と二酸化炭素の生成 (ΔCO ₂ ) のフィールド測定を使用して、見かけの呼吸商 (ARQ) を導き出すことができます。^{[14]この値は、サンプル内のすべての生物 (微生物および高等消費者) の}好気呼吸だけでなく、対応する CO ₂生成なしでO _{2 を}消費する、およびその逆の、観測された RQ に影響を与える他のすべての生物地球化学的プロセスの累積的な効果を反映しています。

^[19]

• 間接熱量測定法 – 間接的な手段による生体の熱の測定
• フィックの原理 – 臓器への血流の測定に適用される原理