Yayla ilkesi - Plateau principle
Plato prensibi bir olan matematiksel model veya bilimsel kanun aslen uyuşturucu eylem (zaman sürecini açıklamak için geliştirilen farmakokinetiği ). Prensip, farmakoloji, fizyoloji, beslenme, biyokimya ve sistem dinamiklerinde geniş uygulanabilirliğe sahiptir. Bir ilaç veya besin nispeten sabit bir hızda infüze edildiğinde veya yutulduğunda ve her zaman aralığında sabit bir fraksiyon ortadan kaldırıldığında geçerlidir. Bu koşullar altında, infüzyon hızındaki herhangi bir değişiklik, yeni bir seviyeye ulaşılana kadar üssel bir artışa veya azalmaya yol açar. Bu davranışa sabit duruma bir yaklaşım da denir çünkü belirsiz bir artış veya azalmaya neden olmak yerine, infüzyon veya üretim hızı kayıp oranıyla dengelendiğinde doğal bir denge elde edilir.
Plato ilkesinin özellikle önemli bir kullanımı, insan ve hayvan vücudundaki doku bileşenlerinin yenilenmesini incelemektir. Yetişkinlerde, doku bileşenlerinin günlük sentezi neredeyse sabittir ve bileşenlerin çoğu birinci dereceden bir reaksiyon hızı ile çıkarılır . Plato ilkesinin uygulanabilirliği , 1940'larda Rudolph Schoenheimer ve David Rittenberg tarafından protein dönüşümünün radyoaktif izleyici çalışmaları sırasında kabul edildi . İlaç durumunun aksine, başlangıçtaki doku veya doku proteini miktarı sıfır değildir, çünkü günlük sentez günlük eliminasyonu dengelemektedir. Bu durumda, modelin ayrıca üstel veya logaritmik kinetik ile kararlı bir duruma yaklaştığı söylenir . Bu şekilde değişen bileşenlerin biyolojik bir yarı ömre sahip olduğu söylenir .
Yayla ilkesinin pratik bir uygulaması, çoğu insanın ağırlık yönetimi rejimleri veya spor eğitimi sırasında "plato" yaşamış olmasıdır. Birkaç haftalık ilerlemeden sonra, kişi yetenek kazanmaya veya kilo vermeye devam edemiyor gibi görünüyor. Bu sonuç, aynı temel nicel modelden kaynaklanmaktadır. Bu giriş, popüler kavramları ve plato ilkesinin bilimsel, matematiksel bir model olarak gelişimini açıklayacaktır.
Bilimlerde, plato ilkesinin en geniş uygulaması, kinetik modellerde değişim için gerçekçi zaman imzaları yaratmaktır ( bkz.Matematiksel model ). Bu prensibin bir örneği, insan vücut kompozisyonunu etkili bir şekilde değiştirmek için gereken uzun süredir. Teorik çalışmalar, daha önce fazla kilolu olan kişilerde kalıcı kilo stabilitesi sağlamak için aylarca tutarlı fiziksel eğitim ve gıda kısıtlamasına ihtiyaç olduğunu göstermiştir .
Farmakokinetikte plato ilkesi
İlaçların çoğu birinci dereceden kinetiklerle kan plazmasından elimine edilir . Bu nedenle intravenöz tedavi ile bir ilaç vücuda sabit bir hızda verildiğinde, kanda yarı ömrü ile tanımlanan bir hızda yeni bir sabit konsantrasyona yaklaşır . Benzer şekilde, intravenöz infüzyon sona erdiğinde, ilaç konsantrasyonu üssel olarak azalır ve 5-6 yarılanma ömrü geçtikten sonra saptanamayan bir düzeye ulaşır. Aynı ilaç, tek bir enjeksiyonla bolus (ilaç) olarak uygulanırsa, doruk konsantrasyona hemen ulaşılır ve ardından konsantrasyon katlanarak düşer.
İlaçların çoğu ağızdan alınır. Bu durumda, sabit infüzyon varsayımı yalnızca birkaç gün boyunca dozlar tekrar edildikçe yaklaşık olarak tahmin edilir. Yayla ilkesi hala geçerlidir, ancak uygulama yolunu hesaba katmak için daha karmaşık modellere ihtiyaç vardır .
Kararlı duruma yaklaşım için denklemler
Sıfır derece girdili ve birinci dereceden eliminasyona sahip bir sistem için değişimin zaman sürecini tanımlayan denklemlerin türetilmesi , Üstel bozunma ve Biyolojik yarı ömür makalelerinde ve bilimsel literatürde sunulmuştur.
- C t , t zamanından sonra konsantrasyondur
- C 0 başlangıç konsantrasyonudur ( t = 0)
- k e , eliminasyon hızı sabitidir
Eliminasyon hızı sabiti ile yarı ömür arasındaki ilişki aşağıdaki denklemde verilmiştir:
Ln 2 0,693'e eşit olduğundan, yarı ömür, eliminasyon hızı sabitinden kolayca hesaplanır. Yarı ömür zaman birimlerine sahiptir ve eliminasyon hızı sabiti 1 / zaman birimlerine sahiptir, örneğin, saat başına veya gün başına.
Kesirli bozunma oranı ve kararlı durum konsantrasyonu bilindiğinde gelecekteki herhangi bir zamanda bir bileşiğin konsantrasyonunu tahmin etmek için bir denklem kullanılabilir:
- C ss , kararlı duruma ulaşıldıktan sonraki konsantrasyondur.
Zaman geçtikçe arasındaki fark olarak elde edilmiştir, toplam değişim fraksiyonu için parantez tekabül üstel fonksiyon Cı ss ve C 0 değişim toplam miktarına eşittir. Son olarak, kararlı durumda konsantrasyonun sentez, üretim veya infüzyon hızının birinci dereceden eliminasyon sabitine bölünmesine eşit olması beklenir.
- k s sentez veya infüzyon hızıdır
Bu denklemler, ilaç etkisinin zaman sürecini tahmin etmeye yardımcı olmak için türetilmiş olsa da, aynı denklem ölçülebilir bir oranda üretilen ve birinci dereceden kinetiklerle bozulan herhangi bir madde veya miktar için kullanılabilir. Denklem birçok kütle dengesi durumunda geçerli olduğundan, farmakokinetiğe ek olarak çok geniş bir uygulanabilirliğe sahiptir . Kararlı durum denkleminden ve zaman içindeki kesirli değişim denkleminden türetilen en önemli çıkarım , bir modelde geçerli olan eliminasyon hızı sabitinin ( k e ) veya hız sabitlerinin toplamının, bir sistem olduğunda kütledeki değişim için zaman seyrini belirlediğidir. tedirginlik (içeri akış veya üretim hızını değiştirerek veya eleme oranlarını değiştirerek).
Kinetik hız parametreleri için değerleri tahmin etme
Deneysel veriler mevcut olduğunda, k e ve C ss gibi hız parametrelerini tahmin etmek için normal prosedür , hız sabiti ve kararlı durum değerinin ilk tahminlerine dayalı olarak gözlemlenen veriler ile tahmin edilen değerler arasındaki farkların karelerinin toplamını en aza indirmektir . Bu, eğri uydurma rutini içeren herhangi bir yazılım paketi kullanılarak yapılabilir . Elektronik tablo yazılımıyla uygulanan bu metodolojinin bir örneği rapor edilmiştir. Aynı makale, kinetik parametreler için tahminler elde etmek için yalnızca 3 eşit aralıklı veri noktası gerektiren bir yöntemi bildirmektedir. Bu yöntemleri karşılaştıran elektronik tablolar mevcuttur.
Beslenmede yayla ilkesi
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki ilk gıda bileşimi veritabanını geliştiren Dr. Wilbur O. Atwater , aşırı veya yetersiz besin alımına verilen yanıtın bir platoyla sonuçlanacak verimlilikte bir ayarlama içerdiğini fark etti. Şöyle gözlemledi: "Çok sayıda deneyde, besinler çok fazla beslendiğinde, vücudun fazladan materyalin bir kısmını depolamaya bir süre daha devam edebileceği, ancak belirli bir miktar biriktikten sonra almayı reddettiği bulundu. daha fazla ve günlük tüketim büyük israf içerdiğinde bile arza eşittir. "
Genel olarak, vücutta hiçbir temel besin üretilmez. Bu nedenle besin kinetiği, çoğunun ağızdan yutulduğu ve vücudun sağlık için yeterli miktarda içermesi gerektiği ayrımıyla plato ilkesini izler. Yayla ilkesi, alım yetersiz olduğunda bir eksiklik üretmek için ne kadar zamana ihtiyaç duyulduğunu belirlemede önemlidir. Bu nedenle, farmakokinetik hususlar, temel besinler için diyetle ilgili bir referans alımını belirlemek için gereken bilgilerin bir parçası olmalıdır .
C vitamini
Dozun bir fonksiyonu olarak C vitamini veya askorbik asidin kan plazması konsantrasyonu , yaklaşık 2 haftalık bir yarılanma ömrü ile bir düzlüğe ulaşır. C vitamininin biyoyararlanımı günde 200 mg'ın altındaki dozlarda en yüksektir. 500 mg'ın üzerinde, fazla C vitamininin neredeyse tamamı idrarla atılır.
D vitamini
D vitamini metabolizması karmaşıktır çünkü provitamin ciltte ultraviyole ışınlama ile oluşturulabilir veya diyetten elde edilebilir. Hidroksile edildikten sonra vitaminin yarılanma ömrü yaklaşık 2 aydır. Çeşitli çalışmalar, mevcut alımı uygun kemik sağlığı için yetersiz ve çok mevcut araştırma D vitamini dolaşan yeterli elde etmek için öneriler belirlenmesi amaçlanmaktadır olduğunu ileri sürmüşlerdir 3 , aynı zamanda, potansiyel toksisite en aza indirerek ve kalsiyum.
Yiyecek ve içeceklerde bulunan fitokimyasallar
Yiyecek ve içeceklerin birçok sağlıklı kalitesi, fitokimyasalların içeriğiyle ilişkili olabilir (bkz . Gıdalardaki fitokimyasallar listesi ). Başlıca örnekler yeşil çay, çilek, kakao ve baharatların yanı sıra elma, soğan ve üzümlerin kabuklarında ve tohumlarında bulunan flavonoidlerdir .
Fitokimyasalların sağlıklı yararlarına yönelik araştırmalar, ilaç tedavisini incelemek için gerekli olan farmakokinetiklerin tamamen aynı ilkelerini takip eder. Kan plazmasındaki herhangi bir besleyici olmayan fitokimyasalın başlangıç konsantrasyonu, bir kişi yakın zamanda bir yiyecek veya içecek almadıkça sıfırdır. Örneğin, artan miktarlarda yeşil çay özütü tüketildikçe, plazma kateşinde kademeli bir artış ölçülebilir ve ana bileşik yaklaşık 5 saatlik bir yarı ömürle elimine edilir. Değerlendirilmesi gereken diğer hususlar, sindirilen bileşiğin diğer besinler veya ilaçlarla olumlu veya olumsuz etkileşime girip girmediğini ve daha yüksek alım seviyelerinde bir eşik veya toksisite için kanıt olup olmadığını içerir.
Vücut kompozisyonunda geçişler
Diyet ve kilo verme sırasında yaylalar
Kilo vermeye çalışan kişilerin, birkaç haftalık başarılı bir kilo vermenin ardından platolar yaşaması özellikle yaygındır. Yayla ilkesi, bu dengelemenin bir başarı işareti olduğunu ileri sürer. Temel olarak, kişi kilo verdikçe, istirahat halindeki metabolik hızı korumak için daha az gıda enerjisi gerekir, bu da ilk rejimi daha az etkili hale getirir. Ağırlık platoları fikri, bir kalori kısıtlama deneyine katılan denekler için tartışılmıştır. Yiyecek enerjisi, büyük ölçüde yer çekimine karşı yapılan çalışmayla harcanır (bkz. Joule ), bu nedenle kilo verme belirli bir egzersizin etkinliğini azaltır. Ek olarak, eğitimli bir kişi daha fazla beceriye ve dolayısıyla bir egzersiz sırasında daha fazla etkinliğe sahiptir. Çözümler arasında egzersiz yoğunluğunun veya uzunluğunun artırılması ve öğünlerin porsiyon boyutlarının başlangıçta yapılandan daha fazla azaltılması yer alır.
Kilo vermenin ve diyetin metabolik hızı düşürdüğü araştırmalarla desteklenmektedir. Bir çalışmada, kilo verme programından sonra obez erkeklerde ısı üretimi% 30 azaldı ve bu, vücut ağırlığını daha fazla kaybetmeye karşı dirence yol açtı. Vücut kütlesi ister yükselsin ister azalsın , gıdanın termik etkisindeki ayarlamalar , dinlenme enerjisi harcamaları ve dinlenme dışı enerji harcamaları daha fazla değişime karşı çıkıyor.
Kuvvet antrenmanı sırasında yaylalar
Bir spor için eğitim almış herhangi bir sporcu muhtemelen platolar yaşamıştır ve bu, gelişmeye devam etmek için çeşitli stratejilerin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Gönüllü iskelet kası , her gün sentezlenen veya yenilenen kas miktarı ile bozulan miktar arasında denge içindedir. Kas lifleri tekrara ve yüke tepki verir ve artan eğitim, egzersiz yapılan kas lifi miktarının katlanarak artmasına neden olur (basitçe en büyük kazanımların eğitimin ilk haftalarında görüldüğü anlamına gelir). Başarılı eğitim , egzersiz rejimine bir adaptasyon olarak kas liflerinin hipertrofisini üretir . Daha fazla kazanç elde etmek için, daha ağır yükler ve daha fazla tekrar ile daha fazla egzersiz yoğunluğu gerekir, ancak becerideki gelişme yetenek kazanımlarına katkıda bulunabilir.
Bir bedensel bileşen zaman içinde üssel olarak ayarlandığında, genellikle plato ilkesinin bir sonucu olarak yeni bir kararlı seviyeye ulaşır. Yeni seviye , kuvvet antrenmanı durumunda başlangıç seviyesinden ( hipertrofi ) daha yüksek veya diyet veya kullanmama atrofisi durumunda daha düşük olabilir . Bu ayarlama, homeostaza katkıda bulunur, ancak geri bildirim düzenlemesi gerektirmez . Sentez ve bozunma arasında yeni bir dengeye aşamalı, asimptotik yaklaşım, kararlı bir seviye üretir. Bu nedenle, plato ilkesine bazen kararlılık ilkesi denir . Matematiksel olarak, biyolojik süreçlerin çoğunun doğrusal olmadığı gerçeğine rağmen ( bkz.Doğrusal Olmayan sistem ), çok geniş bir girdi yelpazesi üzerinden düşünüldüğünde sonuç doğrusal dinamiktir .
Yiyecek kısıtlandığında vücut kompozisyonundaki değişiklikler
Ancel Keys ve diğerleri tarafından hazırlanan Minnesota Açlık Deneyinden elde edilen veriler , gıda kısıtlaması sırasında, toplam vücut kütlesi, yağ kütlesi ve yağsız vücut kütlesinin yeni bir kararlı duruma üstel bir yaklaşım izlediğini gösteriyor. Kısmi veya tam açlık sırasında vücut kütlesinin katlanarak değiştiği gözlemi, enerji kısıtlamasına adaptasyonun genel bir özelliği gibi görünüyor.
Biyokimyada plato ilkesi
Her hücre binlerce farklı türde protein ve enzim üretir . Hücresel düzenlemenin anahtar yöntemlerinden biri , haberci RNA'nın transkripsiyon oranını değiştirmektir, bu da haberci RNA'nın şifrelediği protein için sentez hızında bir değişikliğe yol açar. Plato ilkesi, tek bir hormona yanıt olarak farklı enzimlerin konsantrasyonunun neden benzersiz oranlarda arttığını açıklar . Her enzim benzersiz bir oranda (her biri farklı bir yarı ömre sahiptir ) bozunduğundan , aynı uyarıcı uygulandığında bile değişim hızı farklıdır. Bu ilke, amino asitleri katabolik bir hormon olan kortizona indirgeyen karaciğer enzimlerinin tepkisi için kanıtlanmıştır .
Kararlı duruma yaklaşma yöntemi, sentez veya bozunma değiştiğinde haberci RNA seviyelerindeki değişikliği analiz etmek için de kullanılmıştır ve haberci RNA sentezindeki değişikliği beklenen değere bağlamak için plato ilkesinin kullanıldığı bir model de rapor edilmiştir. zamanın bir fonksiyonu olarak protein sentezi ve konsantrasyonundaki değişiklik.
Fizyolojide plato ilkesi
Vücut ağırlığındaki aşırı artış, yüksek açlık kan şekeri (veya glikoz ), insülin etkisine direnç , yüksek düşük yoğunluklu lipoprotein (LDL kolesterol) veya düşük yüksek yoğunluklu lipoprotein (HDL kolesterol) gibi metabolik sendroma katkıda bulunur. ve yüksek kan basıncı . Obezite , 2013 yılında Amerikan Tabipler Birliği tarafından bir hastalık olarak tanımlandı. Kronik, tekrarlayan, çok faktörlü, nörodavranışsal bir hastalık olarak tanımlanır; burada vücut yağındaki artış, yağ dokusu disfonksiyonunu ve anormal yağ kütlesi fiziksel kuvvetlerini teşvik eder ve bu da metabolik, biyomekanik ve psikososyal sağlık sonuçlarına yol açar. Kilo verme sırasında vücut kütlesi, yağ kütlesi ve yağsız kütlenin tümü üssel olarak değiştiği için, metabolik sendrom semptomlarının da üssel olarak normal değerlere göre ayarlanmasını beklemek makul bir hipotezdir.
Bölmeli modellemede plato ilkesi
Bilim adamları, radyoaktif izleyiciler ve kararlı izotop izleyiciler kullanarak vücut bileşenlerinin cirosunu değerlendirdiler . Ağızdan verilirse, izleyiciler emilir ve kan plazmasına geçer ve daha sonra vücut dokularına dağıtılır. Bu tür çalışmalarda, ciroyu izotopik etiketleme ile analiz etmek için çok bölmeli bir model gereklidir . İzotopik işaretleyici izleyici olarak adlandırılır ve analiz edilen malzeme izdir .
İnsanlarla yapılan çalışmalarda kan plazması, kolayca örneklenebilen tek dokudur. Yaygın bir prosedür, değişikliklerin bir üstel toplamına atfedilebileceğini varsayarak dinamikleri analiz etmektir. Tek bir matematiksel bölmenin genellikle plato ilkesine uygun olarak birinci dereceden kinetiği takip ettiği varsayılır. Beslenmede bu tür analizlerin birçok örneği vardır, örneğin çinko ve karotenoidlerin metabolizması çalışmasında.
Bölmeli modellemede en yaygın varsayım, homojen bir bölmedeki malzemenin üssel olarak davrandığıdır. Bununla birlikte, bu varsayım bazen Michaelis-Menten kinetiğini izleyen bir doyurulabilir yanıtı veya Hill denklemi olarak adlandırılan ilgili bir modeli içerecek şekilde değiştirilir . Söz konusu malzeme K M'ye yakın bir konsantrasyonda bulunduğunda , genellikle sözde birinci dereceden kinetiklerle davranır (bkz. Hız denklemi ) ve modelin doğrusal olmamasına rağmen plato ilkesi geçerlidir.
Sistem dinamiğinde plato ilkesi
Biyomedikal bilimlerde kompartman modelleme, öncelikle izleyiciler kullanarak metabolizmayı inceleme ihtiyacından kaynaklanıyordu. Aksine, Sistem dinamikleri , Jay Wright Forrester ve meslektaşları tarafından matematiksel modeller geliştirmenin basit bir yöntemi olarak ortaya çıktı . Sistem dinamikleri, bir stok olarak bir bölmeyi veya havuzu ve akışlar olarak bölmeler arasındaki hareketi temsil eder . Genel olarak akış hızı, bağlı olduğu stoktaki malzeme miktarına bağlıdır. Bu bağımlılığı modelde bir bağlayıcı eleman kullanarak sabit bir oran (veya birinci dereceden) olarak temsil etmek yaygındır .
Sistem dinamiği, kontrol teorisi alanının bir uygulamasıdır . Biyomedikal alanında, fizyolojik problemlerin bilgisayar tabanlı analizinin en güçlü savunucularından biri Dr. Arthur Guyton'du . Örneğin, vücut ağırlığı düzenleme problemini analiz etmek için sistem dinamikleri kullanılmıştır. Salgınların yayılmasını incelemek için benzer yöntemler kullanılmıştır ( Epidemiyolojide bölüm modellerine bakınız ).
Bölmeli modelleme ve sistem dinamikleri için gerekli denklem sistemlerini çözen yazılım, bir dizi adi diferansiyel denklemi temsil etmek için sonlu fark yöntemlerini kullanır . Yayla ilkesinin sistem dinamiği alanına uygulanmasıyla geliştirilebilecek farklı dinamik davranış türlerinin uzman değerlendirmesi yayınlandı.