Body composition and resting metabolic rate

AbstractIndicators of body composition determined by bioelectrical impedance analysis (total body water, extracellular water mass, intracellular water mass, skeletal muscle mass, soft lean mass, protein, mineral mass, fat mass) were compared with the resting metabolic rate values (RMR). Studies were conducted in adults of different occupations, gender, age, weight and height. In total, the survey involved 180 people, residents of Nizhny Novgorod (70 men and 110 women) aged 17 to 63 years. It was shown that the normalization of the RMR with the parameters of the bioelectrical impedance analysis reduced the scatter of individual values. Comparison of the normalization results allowed us to estimate the interconnection between the RMR and the body composition. It was obtained statistical formulas for the relation of the RMR with the bioelectrical impedance. The greatest effect was found with the normalization of lean mass, as well as intracellular and extracellular water masses. The smallest effect was detected with the normalization of body fat. We obtained statistical formulas for the relation of the RMR with the bioelectrical impedance parameters. The highest correlations were found between the RMR and the lean mass, muscle mass and total water mass, the lowest with the fat mass. Role of the metabolically active tissue in energy metabolism, including the role of the intracellular and extracellular water is discussed. The results confirm the importance of the metabolically active tissues in the formation of the value of the RMR. Identified dependencies and high correlation between the RMR and the bioelectrical impedance parameters allows us to use these as a fast and convenient method for the approximate estimation of the RMR.

Keywords:resting metabolic rate, bioelectrical impedance analysis, body composition

Вопр. питания. - 2012. - № 2. - С. 12-17.

Известно, что с помощью импедансометрии можно получать расширенную информацию о составе тела. В основе этого метода лежит корреляция между импедансом и составом тела [1, 2]. Новые показатели состава тела, измеряемые методом биоимпедансного анализа [такие, как жировая масса тела (ЖМТ), безжировая или тощая масса тела (ТМ), скелетно-мышечная масса (СММ), общая вода организма (ОВО), клеточная и внеклеточная жидкости (КЖ и ВКЖ), минеральная масса (ММТ)], можно использовать в качестве показателей для нормирования энергетического обмена.

Потребность в нормировании основного обмена возникает, когда есть необходимость сравнивать и сопоставлять между собой энергообмен разных групп населения. Эффект нормирования проявляется в виде снижения разброса относительных величин основного обмена. Уже 100 лет как обнаружена, рассчитана и с успехом используется зависимость основного обмена от пола, возраста, роста и массы тела [9, 10, 12]. Однако нормирование по параметрам состава тела позволяет даже в пределах одной половозрастной группы сравнивать энерготраты у лиц с различными антропометрическими характеристиками.

Успешный пример практического использования оценки основного обмена продемонстрирован при создании таблиц энергетической стоимости различных видов деятельности. Ввиду того что основной обмен является базовым показателем энергетического обмена, Объединенный комитет экспертов ФАО/ВОЗ предложил в 1973 г. [7] использовать его в качестве единицы измерения энерготрат [3, 4, 6]. Это позволило в таблицах энерготрат вместо абсолютных величин указывать коэффициенты физической активности, значение которых определяется отношением энергетической стоимости трудовых операций к величине основного обмена. Полученные величины уже не зависели от пола, возраста, роста и массы тела, а индивидуальные различия оставались только при пересчете в абсолютные значения (ккал).

Целью настоящего исследования является изучение зависимости энергетического обмена, определяемого в состоянии покоя, от состава тела.

Материал и методы

Состав тела оценивали с помощью биоимпедансометрической системы "InBody520" фирмы "Biospace Ко" (Корея). Показателями биоимпедансометрического анализа были общая вода организма (ОВО), масса внеклеточной (ВКЖ) и внутриклеточной (КЖ) жидкости, скелетная мышечная масса (СММ), тощая масса (ТМ), белок, минеральная масса тела (ММТ), жировая масса тела (ЖМТ), индекс массы тела (ИМТ), основной обмен (BMR, ккал/сут) и обмен покоя (RMR, ккал/сут).

Исследования проводили у взрослых людей, представителей различных профессий, работающих на разных предприятиях и в учебных учреждениях Нижнего Новгорода. Всего в обследовании участвовали 180 человек (70 мужчин и 110 женщин в возрасте от 17 до 63 лет; масса тела - от 57 до 72 кг).

Для статистической обработки результатов использовали программы Excel и SPSS.

Рис. 1. Обмен покоя, ккал/сут

Результаты и обсуждение

С учетом диапазона факторов, определяющих отличительные особенности энергетического обмена обследованных (пол, возраст, весоростовые показатели, профессиональная физическая активность и др.), была поставлена задача проверить эффективность нормирования обмена покоя по показателям импедансометрии.

Коэффициент вариации позволяет наиболее адекватно оценить разброс, поскольку на него не влияет значение средней величины (в отличие, например, от размеров доверительного интервала и значения среднеквадратичной ошибки).

Величина RMR занимает сравнительно широкий диапазон (рис. 1). По сумме всех проведенных измерений коэффициент вариации RMR был >18. Это обусловлено тем, что на обмен покоя существенно влияют пол, возраст, рост и масса тела, что в конечном счете и определяет индивидуальные различия. Вариабельность внутри каждой половозрастной группы можно существенно снизить пересчетом RMR на общую массу тела (рис. 2).

При пересчете RMR на 1 кг массы тела разброс уменьшается почти в 2 раза (коэффициент вариации = 9,9), однако при нормировании основного обмена на ТМ коэффициент вариации еще больше снижается - до 7,7 (рис. 3). По-видимому, это связано с тем, что нормирование RMR на общую массу тела не учитывает особенности состава тела и в первую очередь содержание жира.

По отношению к основному обмену все органы и ткани организма можно подразделить на значимые и малозначимые. Одни (например, печень, почки, сердце, мозг) являются метаболически и функционально активными, именно их деятельность определяет удельный вклад в формирование базальных энерготрат организма в целом (рис. 3-5). Другие, в частности жировая ткань, практически не влияют на величину основного обмена (рис. 6).

Это необходимо учитывать, если в задачи исследования входит определение информационной значимости нормирования RMR. Когда обмен покоя пересчитывают на массу метаболически активной ткани, которая играет важную роль в энергетическом обмене, можно с уверенностью прогнозировать снижение разброса. Если нормирование осуществляется по тканям энергетически не активным или с высокой вариабельностью, оно не даст удовлетворительного эффекта: разброс в результате нормирования может даже возрасти.

Рис. 2. Перерасчет обмена покоя на общую массу тела, ккал/кг Рис. 3. Обмен покоя в перерасчете на 1 кг тощей массы

Рис. 4. Обмен покоя в перерасчете на массу внеклеточной Воды

Рис. 5. Обмен покоя в перерасчете на массу общей воды

Роль, которая отводится участию КЖ и ВКЖ организма в энергетическом обмене, требует более тщательного изучения. Спекуляций на эту тему, к сожалению, пока больше, чем объективных данных. Однако нормирование обмена покоя по массе жидкости действительно привело к достоверному снижению вариабельности (см. рис. 4-5). Эффект пересчета был ничуть не хуже нормирования по ТМ. Косвенно это подтверждают роль и значение КЖ и ВКЖ в энергетическом обмене.

В свою очередь пересчет обмена покоя на МЖТ, как и предполагалось, не дал положительного результата: коэффициент вариации после нормирования RMR по массе жировой ткани возрос почти в 2 раза. Результаты статистического анализа нормирования представлены в табл. 1 по порядку возрастания коэффициента вариации.

В целом, полученные результаты совпали с представлениями о том, что величина обмена покоя определяется массой метаболически активных тканей [6, 8] и почти не зависит от МЖТ. Однако при сравнении нормировок было выявлено, что вода в организме, по-видимому, играет большую роль в энергообмене, поскольку нормирование по массе ВКЖ и ОВО дает самый низкий разброс (во всяком случае не больше, чем нормирование по СММ и ТМ).

Рис. 6. Обмен покоя в перерасчете на 1 кг жировой массы

Таблица 1. Коэффициент вариации обмена покоя после нормирования по показателям импедансометрии

Рис. 7. Зависимость обмена покоя от: а - минеральной массы; б - массы протеинов; в - внеклеточной воды; г - внутриклеточной воды; д - тощей массы; е - мышечной массы

Чтобы оценить корреляцию обмена покоя с параметрами импедансометрии, выявленные зависимости рассчитывали методом наименьших квадратов. Сами значения коэффициентов зависимости не имеют какого-либо биологического смысла, они просто определяются по принципу максимального приближения к экспериментальным данным. Тем не менее коэффициент пропорциональности отражает степень зависимости обмена покоя от импеданс-параметров и показывает, с какой скоростью меняется обмен покоя при изменении состава тела (рис. 7).

Очевидно, что наклон зависимости отчасти определяется массой показателя: чем меньше масса, тем выше удельная величина обмена покоя и, соответственно, выше скорость его изменения.

Но главным образом наклон зависимости обусловлен мерой участия ткани в энергетическом обмене. При условии полновесного вклада в энергообмен организма определяемая зависимость будет более отчетлива, а для метаболически инертных параметров следует ожидать уменьшения или отсутствия наклона зависимостей.

Показатели импедансометрии, представленные в табл. 2, расположены в порядке снижения влияния на величину RMR (по убыванию коэффициента пропорциональности).

Характерно, что все зависимости обмена покоя от показателей импедансметрии обнаружили достаточно высокую корреляцию: 0,91<r<0,93. Исключение составляет только зависимость от МЖТ, коэффициенты корреляции для которой были в 2 раза ниже всех других показателей.

Обращает на себя внимание, что перечень показателей возглавляет ММТ, которая не относится к метаболически активным тканям. Наиболее вероятная причина этого заключается в низком содержании минерального компонента в организме, а значит, высоком значении удельной величины обмена покоя и, соответственно, выраженным наклоном зависимости. На 2-м месте обосновано были белки, поскольку они играют основную роль в энергетическом метаболизме. Выявленные зависимости основного обмена от содержания ВКЖ и КЖ подтверждают предположение о значении воды в энергетическом обмене организма. ТМ завершает перечень метаболически активных показателей, что не согласуется с представлениями о ее значении, которая в существенной мере определяет величину основного обмена. Возможно, высокое содержание ТМ определяет низкий уровень удельной величины обмена покоя и низкий коэффициент пропорциональности. По этой причине использовать коэффициент пропорциональности в качестве абсолютного критерия зависимости от состава тела не вполне корректно и следует, вероятно, учитывать массовую долю определяемого показателя.

Обобщая изложенное, можно заключить, что выявленные зависимости и высокая корреляция обмена покоя с показателями импедансометрии, характеризующими состав тела, позволяют использовать последние для ориентировочной оценки величины обмена покоя взамен непрямой калориметрии, которая требует проведения высокотехнологических и дорогостоящих измерений, включая соблюдение необходимых условий подготовки людей и самой процедуры измерения [5, 8, 11, 13].

Таблица 2. Зависимость RMR (ккал/сут) от параметров импедансометрии

Литература

1. Мартиросов Э.Г., Николаев Д.В., Руднев С.Г. Технологии и методы определения состава тела человека. - М.: Наука, 2006. - 248 с.

2. Николаев Д.В., Смирнов А.В., Бобринская И.Г. и др. Биоимпедансный анализ состава тела человека. - М.. Наука, 2009. - 392 с.

3. Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации. Методические рекомендации МР 2.3.1.2432-08. - М.: ФЦГиЭ Роспотребнадзора, 2009. - 36 с.

4. Потребности в энергии и белке. Доклад Объединенного консультативного совещания экспертов ФАО/ВОЗ/УООН. - М.: Медицина, 1987. - 208 с.

5. Соколов А.И., Сото-Селада Х., Тарасова И.Б. // Вопр. питания. - 2011. - № 3. - С. 62-66.

6. Cunningham J .J. // Am. J. Clin. Nutr. - 1991. - Vol. 54. - P. 963-969.

7. FAO/WHO. Energy and Protein Requirements. Report of a Joint FAO/WHO Ad Hoc Expert Committee. FAO Nutrition meetings Report Series, No. 52. - Rome: FAO, 1973; WHO Technical Report Series, No. 522. - Geneva: WHO, 1973. - Р. 263.

8. Gallagher D., Belmonte D., Deurenberg P. еt al. // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. - 1998. - Vol. 275, N 2. - P. 249-258.

9. Harris J.A., Benedict F.G. A Biometric Study of Basal Metabolism in Man. - Washington: Carnegie Institution of Washington, 1919. - Р. 251-266.

10. Hoffer E.C., Meador C.K., Simpson D.C. // J. Appl. Physiol. - 1969. - Vol. 26. - P. 531-534.

11. Levine J.A. // Public Health Nutr. - 2005. - Vol. 8, N 7A. - P. 112 3 -113 2 .

12. Mifflin M.D., St Jeor S.T., Hill L.A. et al. // Am. J. Clin. Nutr. - 1990. - Vol. 51, N 2. - P. 241-247.

13. Raman A., Schoeller D.A. Energy expenditure. Indirect calorimetry // Encyclopedia of Human Nutrition. - Geneva, 2005. - P. 139-145.