A „Metabolikus téli” hipotézis: Az elhízás és a kardiometabolikus betegség jelenlegi járványainak oka

Raymond J. Cronise

1 Thermogenex, Huntsville, Alabama.

David A. Sinclair

2 Genetikai Tanszék, Harvard Medical School, Boston, Massachusetts.

3 Farmakológiai Tanszék, Orvostudományi Egyetem, Új-Dél-Wales Egyetem, Sydney, Ausztrália.

Andrew A. Bremer

4 Gyermekgyógyászati és Orvostudományi Tanszék, Vanderbilt Egyetem, Nashville, Tennessee.

Absztrakt

A „kalória” fogalma az 1800-as években keletkezett egy korlátozott élelmiszer-hozzáférhetőségű környezetben, elsősorban az élelmiszer-szubsztrátok energiasűrűségének gazdasági egyenértékűségének meghatározására. Nem sokkal ezután meghatározták a fő makrotápanyagok - zsír, fehérje és szénhidrátok - energiasűrűségét. Megalakulásától számított néhány évtizeden belül azonban a „Kalória” az ipar kereskedelmi eszközévé vált az egyes élelmiszer-ipari termékek népszerűsítésére, függetlenül az egészségügyi előnyöktől. A modern technológia megváltoztatta életkörülményeinket, és megváltoztatta az étellel való kapcsolatunkat a túlélésről az ízre. A mezőgazdaság, az élelmiszeripar és a feldolgozás fejlődése biztosította, hogy a modern világban a kalóriahiány kevésbé forduljon elő, mint a kalóriatúl. Mégis, sokan még mindig redukcionista módon közelítik meg az étrendi makrotápanyagokat, és feltételezik, hogy az izokalóriás élelmiszerek izometabolikusak. Itt tárgyalunk egy új módszert a fő élelmiszer-makroelemek és az emberi étrend megtekintésére a túlzott kalóriabevitel korában, valamint a kalóriahiány, az enyhe hidegstressz és az alvás közötti újszerű összefüggést, amely magyarázhatja a táplálkozással összefüggő betegségek növekvő előfordulását.

Bevezetés

Kr. E. 400-ban Hippokratész írta: „Meg kell fontolnunk, hogy ételt kell-e adni naponta egyszer vagy kétszer, nagyobb vagy kisebb mennyiségben és időközönként. Valamit el kell engedni a szokásnak, a fűszerezésnek, az országnak és az életkornak. ” 1 Huszonhárom évszázaddal később Wilbur O. Atwater, a 19. századi vezető táplálkozási szakember írta: „Étkezési gyakorlatunk során alkalmasak vagyunk arra, hogy túlságosan befolyásolják az ízlés [és] a szájpad diktátuma; hajlamosak vagyunk hagyni, hogy a megszerzett étvágy felülírja a természetes ösztönöket. Figyelnünk kell étrendünket és ésszel kell szabályoznunk az étvágyat. Ennek során nagy segítségünkre lehet annak ismerete, hogy mit tartalmaz ételünk, és hogyan szolgálja a táplálkozás célját. " 2

Ma soha nem látott elhízási járvány előtt állunk, amely a krónikus, korral összefüggő betegségek drámai növekedését idézi elő. Valójában a világszerte túlsúlyos egyének meghaladják az alultápláltakat. 3 Ezenkívül a táplálkozással kapcsolatos információk még soha nem voltak terjedelmesebbek vagy hozzáférhetőbbek. Számos könyv, blog és útmutató nemcsak ajánlásokat tartalmaz az étkezéshez, hanem az alapjául szolgáló biológiát is tárgyalja állításaik alátámasztására. A hagyományos tudósok és orvosok, valamint az állampolgári tudósok kádere komolyan küzdenek azért is, hogy megértsék az elhízási járvány etiológiáját és az azzal járó következményeket, valamint hogy a krónikus túlzott táplálkozás és a táplálkozással összefüggő betegségek növekedése hogyan fordulhat meg.

A „kalória”

Az 1800-as években alapvető változás következett be az emberek és az ételek viszonyában. Történelmileg az ételt egyszerűen tápláléknak tekintették. Annak érdekében, hogy megértsük, hogyan működött az élelmiszer és a levegő a munka és a hő előállításához, a táplálékról és táplálkozásról szóló jelenlegi tudományos elképzeléseink elkezdtek kialakulni. Lavoisier megdöntötte az évszázados fillogista doktrínát a 18. század végén azzal, hogy felfedezte az oxigén szerepét az égésben és a légzésben. 50 éven belül általános elképzeléseit a szén- és hidrogén-tüzelőanyagokról Liebig javaslata váltotta fel olyan szerves molekulákról, mint a keményítő vagy cukrok, zsírok, albumin, fibrin és „proteinek”. 4 Ezek az előrelépések aztán Arisztotelész és Galén ezeréves érdekességeinek magyarázatához vezettek a „veleszületett hő” forrásával kapcsolatban. 5 A 19. század végére meghatároztunk egy kalóriát (technikailag kilokalóriát vagy ∼4,2 kilojoule-t).

Az 1840-es évek során elért tudományos fejlődés a modern táplálkozástudomány kezdetét jelentette. Az ételeket ma a többségi makrotápanyag alapján fehérjék, szénhidrátok vagy zsírok közé sorolták, hangsúlyozva azt a tényt, hogy a teljes étel jellemzően alkotóelemek keverékét tartalmazza. Az étel meghaladta a táplálékot, és az éhezésen kívül megnevezésre került. 1875-ben, az atwater, miután együttműködött Carl von Voit, Max von Pettenkofer és Max Rubner táplálkozástudósokkal, laboratóriumot hozott létre a Wesleyan Egyetemen, hogy szisztematikusan értékelje az élelmiszerek különböző összetevőit. 1877-re az állami támogatás a mezőgazdaság tudományos kutatással és kísérletekkel történő előmozdítására elérte az évi 5000 dollárt. 1887-ben 16 ilyen laboratórium létezett, és az Egyesült Államok Kongresszusa tovább folytatta a munkát azzal, hogy 15 000 dollárt különített el minden államnak, amelynek ilyen létesítménye van; 1888-ra előirányzataik évente 1 000 000 USD-ra nőttek, ~ 25% -a nem kormányzati adományokból származott. Az élelmiszer népszerűsítése az élelmiszer-tudományon keresztül nagy üzlet lett. 6.

Ezekben a laboratóriumokban több mint 4000 élelmiszer fehérje, szénhidrát és zsír makroelem-arányát mértük kalorimetriával. Az Atwater a Kalória koncepcióján keresztül népszerűsítette az élelmiszerek táplálkozási egyenértékűségét, és megtartotta a Justus von Liebig által megkezdett általános fehérje és üzemanyag paradigmát, de igyekezett normalizálni az élelmiszerek tápanyag-gazdaságát, miközben önmagában semmilyen állítást nem tett az egészségről. 7 Az elkövetkező két évtizedben az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériuma érdekeltjei éhező nemzetté tették az élelmiszertermékeket; ma már ismert volt, hogy a drága ételek nem feltétlenül „táplálóbbak”, mint a kevésbé drága ételek. Például a bab és a rizs egyformán volt, ha nem is táplálóbb, mint a drágább hús. 8.

Fehérje, szénhidrátok és zsír

Az élelmiszeripar virágzott Atwater halálának idejére, és az 1900-as évek elején megjelent „Az élelmiszerek táplálkozási és tápértéke” című alapelvének utolsó kiadása. 9 Az élelmiszer makrotápanyag-alapú marketingjét, különös tekintettel a fehérje alapú marketingre, a következő évtizedben a marhahús kontra búza reklámkampányok példázták, amelyek mindegyike azt állította, hogy az övék a legjobb gazdasági érték a fehérje szempontjából. 10 A vitaminok felfedezése az 1920-as években új marketing kampányokhoz vezetett, amelyek célja az élelmiszerek vitamintartalomon alapuló hasznosságának reklámozása volt. Ezt az élelmiszer-megközelítést még a 20. század elején az USA külpolitikája is elfogadta, mint gazdasági eszközt az élelmiszerek ellenőrzésére béke és háború idején. 10,11

Az egész étel azonban egyszerűen nem felel meg ezeknek a címkéknek. Például kevesen veszik észre, hogy a közönséges burgonya, bár jellemzően szénhidrátnak számít, jelentős étrendi fehérjeforrás lehet. 12 Ezenkívül a fehérjehiány észlelt prevalenciáját és azt a hangsúlyt, amelyet történelmileg a fehérje szerepének tulajdonítottak az emberi alultápláltságban, Donald S. McLaren „The great protein fiasco” című 1974-es kommentárjában tisztázták. 13 Kimutatták, hogy még a kwashiorkor sem az egyszerű fehérjehiány miatt következik be, hanem sokkal bonyolultabb bélmikrobioma – étrend összefüggésben. 14–16

Érdekes módon egy nemrégiben készült táplálkozási geometriai keretrendszert és az állam-tér modellezési megközelítést alkalmazó tanulmány megállapította, hogy az ugandai növényevő (levélevős) hegyi gorillák a nem fehérje energia (NPE) bevitelét helyezik előtérbe. 17 Pontosabban, az NPE bevitele az év során változatlan volt, míg a fehérje bevitel meghatározó volt a rendelkezésre állás szempontjából. Az elfogyasztott fehérje koncentrációja az összenergiához viszonyítva, amikor a levelek voltak az étrend fő része a gorillák számára, megközelítette az ember számára ajánlott maximumot, és hasonló a magas fehérjetartalmú emberi fogyókúrákhoz. Alternatív megoldásként a fehérje koncentrációja a teljes energiához viszonyítva, amikor a gorillák gyümölcsök által dominált étrendet fogyasztottak, hasonlóak voltak az emberekhez általában ajánlottakhoz. A gorillák olyan világban élnek, ahol a kalóriahiány és a bőség az évszakhoz képest változik. Környezetet teremtettünk mindenütt jelen lévő, olcsó és ízletes kalóriákból, és olyan társadalmi paradigmákat dolgoztunk ki, amelyek gyakran az élelmiszer körül forognak.

Az élelmiszer-háromszög

A 19. század közepétől az ételeket fehérjéként és üzemanyagként fogalmazták meg és népszerűsítették. A fehérje és a kalóriahiány idején ennek a paradigmának van értelme. Mivel azonban manapság viszonylag kevés olyan társadalom létezik, amely súlyos fehérje- és kalóriahiányban szenved, új paradigma hasznos lehet.

Az Élelmiszer-háromszög verziónk (1. ábra) az energiasűrűség-paradigma felhasználásával szervezi az ételeket. Felismeri, hogy az esszenciális aminosavak (azaz a fehérjék) nem korlátozzák a tápanyagokat egyetlen olyan teljes táplálkozási étrendben sem, amely kielégíti a napi energiaigényt. Inkább a növényi vagy állati eredetű aminosavak, amelyek meghaladják a napi igényeket, a szénhidrátokkal és a zsírokkal együtt mind üzemanyaggá válnak. Sőt, mivel a kombinált üzemanyagok jelenléte az étkezés során olyan oxidatív prioritást eredményez, amely befolyásolja az étkezés utáni légzési hányadost (RQ) és a nyugalmi anyagcsere sebességét (RMR), 18, 19 fogalmilag könnyebb lehet őket szétválasztani az üzemanyag forrása alapján. mint a többségi makrotápanyagok összetétele. Az energia sűrűségének ez a szervezete lehetővé teszi az egyének számára, hogy a tápanyagigény (a háromszög csúcsa) kielégítésére a túlzott táplálkozás (a háromszög alsó csúcsai) nélkül vezetjenek. Nem meglepő, hogy sok népszerű étrend az élelmiszer-háromszög egyik leszálló oldalán helyezkedik el, gyakran megszüntetve egy vagy több élelmiszercsoportot (pl. „Vörös” hús, gyümölcs, tejtermék, „fehér” keményítő stb.).

Az élelmiszer makrotápanyag-alapú szervezésének egyik problémája az, hogy bizonyos élelmiszereket egyenértékűnek és táplálónak legitimál, mint az egész élelmiszert. Ezenkívül a fogyasztókat a gyakran zavaró célokra (azaz alacsony glikémiás, komplex szénhidrátok fogyasztására) összpontosítja, nem pedig egyszerű üzenetekre (vagyis sárgarépát fogyaszt). Ez elhanyagolja az Atwater 19. századi figyelmeztetéseit a megszerzett étvágyról, és nem veszi figyelembe azt a hatást, amelyet a diéta játszik a bél mikrobiom 20–23-ra és a makrotápanyagokra, meghaladva az igényeiket, ugyanakkor elhanyagolja a korlátozott kalóriatartalmú, valamint a vitaminokban, ásványi anyagokban és a fitonutriensekben -gazdag növényi ételeket. 24–28

Kalóriák és mitokondriális diszfunkció

Sejt szinten a mitokondriális stresszt és a bioenergetikát összefüggésbe hozzák a krónikus túl táplálkozással, amely befolyásolja az összes sejt redox áramkört. 29–31 Az alkohol feleslege, az elágazó láncú aminosavak (BCAA), a fruktóz és a transzzsírok kimutatták, hogy hatással vannak a mitokondriális funkcióra és fokozzák az intrahepatikus zsírt, ha az energia megtelik, 32,33, és bár számos tanulmány kimutatta, hogy a de novo lipogenezis igen önmagában nem járul hozzá jelentősen az elhízáshoz, 34–39 az általános „cukor zsírrá változik” mítosz uralkodik, elvonva a hangsúlyt a szubsztrátok májra gyakorolt negatív metabolikus hatásaitól.

Metabolikus tél

A sirtuinok a homeosztázis fenntartása és a szervezet túlélésének biztosítása érdekében, ha belső vagy külső zavaroknak vannak kitéve, rengeteg szakirodalom mutatja be szerepüket az elhízásban, a metabolikus szindrómában, a cukorbetegségben, a rákban, a gyulladásban és a szív- és érrendszeri betegségekben. Különösen az 53–59 A SIRT1 az energia homeosztázisának és anyagcseréjének kulcsszabályozója a peroxiszóma proliferátor által aktivált receptor-gamma koaktivátor 1α (PGC-1α) 60 és a hipoxia által indukálható 1-α (HIF-1α) faktor révén, 61 amelyek a mitokondriális biogenezis kritikus közvetítői, és valószínűleg felelősek a fogyókúra és a testmozgás számos egészségügyi előnyéért. Érdekes módon a PGC-1α másik fő funkciója egy másik túlélési tulajdonságot, a nem rezzenést okozó termogenezist foglalja magában, 62 amelynek során az egyes mitokondriumok megkerülik az adenozin-trifoszfát (ATP) termelését, és ehelyett hőt teremtenek az 1-es szétkapcsoló fehérje (UCP-1) aktiválásával. 63 Ez egy nagyon hatékony mechanizmus, amely felváltja a hidegre, borzongásra adott azonnali reakciót egy olyan mechanizmussal, amely közvetlenül a mitokondriumok toborzása révén termel hőt.

Noha az összes vázizom sejt adaptív termogenezissel társul, a 64 barna zsírszövet (BAT) szintén kulcsszerepet játszik az anyagcserében. Az emberek több zsírral születnek, mint bármely más faj, és jelentős mennyiségű BAT-mal rendelkeznek; de egészen a közelmúltig úgy gondolták, hogy felnőttkorára elveszett. 65,66 új tanulmány azt sugallja, hogy nemcsak a felnőttek kaphatnak jelentős mennyiségű BAT-t, 67–69, hanem az, hogy a testmozgás által kiváltott irizin termelés a BAT növekedését és az ezzel járó energiafelhasználás növekedését okozza. 70 Ezek a megállapítások alátámasztják azt az elképzelést, hogy a modern emberek úgy alakultak ki, hogy megbirkózzanak a szezonálisan hűvös hőmérsékletekkel (hideg stressz) és az időszakos táplálékhiányos időszakokkal (kalória-korlátozás).

Alvás és testhőmérséklet

Jelenlegi társadalmunk krónikusan alváshiányos. Az alvás és az anyagcsere-diszfunkció közötti összefüggések megtalálhatók a korai római orvostudományban, a túl kevés alvás pedig elhízással és számos kardiometabolikus betegséggel jár. 71–74 Az ausztrál őslakosoktól kezdve a skandináv nomád lappok hideg éghajlatáig terjedő korai megfigyelések azt mutatják, hogy az emberek mennyire alkalmazkodnak az enyhe hideg stresszhez alvás közben. 75–77 Az alkalmazkodás a nem élő lakosoknál is előfordul ismételt expozíció után. 78 Ezenkívül a 20. századig a telet hosszú éjszakák jellemezték mesterséges fény nélkül és általában hűvösebb alvási körülmények.

Fontos, hogy ugyanannak a biológiának a nagy része, amely lehetővé teszi a téli alkalmazkodást a hűvösebb környezetekhez, beleértve az alvást is, átfedi az alapvető metabolikus mechanizmusokat, amelyek a kalóriahiányhoz való alkalmazkodáshoz kapcsolódnak. 79 Például a hűvös körülmények között megnövekedett alvás és a téli hosszú éjszakák, túlzott mesterséges fény és meleg hiányában, szinergikusan segíthetik az értékes kalóriák megőrzését abban az évszakban, amikor azok természetesek. 80 A melatonin, az alvással társuló hormon, csökkenti a testhőmérsékletet (81–84), és a testhőmérséklet meredek csökkenése mind az alvás kezdetével, mind a minőséggel összefügg. 85,86 Ezzel szemben a csökkent alvás a glükóztolerancia és az inzulinrezisztencia romlásához vezet, 87 növelte az étvágyat a leptin és a ghrelin szintjének változásán keresztül, 88 és csökkentette az energiafelhasználást. 89 Fogalmilag a téli hideg, sötét és csendes környezetet természetes egyensúlyként társíthatjuk a nyári meleg, világos és aktív környezethez. Nagyon kevesen alszunk hidegben, és a vizsgálatok még összefüggést is kimutattak a súlygyarapodás és az átlagos szobahőmérséklet között. 90

Továbbá a „hosszú élettartamú” gének központi szerepet játszanak a biológiai cirkadián ritmusok szabályozásában, beleértve azokat, amelyek szabályozzák az alvást, az étkezést, valamint a hormonok és a neurotranszmitterek szekrécióját. 91,92 Fontos megjegyezni, hogy a belső órarendszer és az alvás zavarai az elhízás, a cukorbetegség és a szív- és érrendszeri betegségek megállapított kockázati tényezői, és anyagcsere-diszfunkcióval társulnak. 93–95 Ráadásul úgy tűnik, hogy a cirkadián ritmus és az anyagcsere között kölcsönös kapcsolat áll fenn: Bár a cirkadián óra valóban többféle anyagcsere útvonalat szabályoz (ideértve a glükóz és koleszterin anyagcserét is), a metabolitok és az etetési viselkedés is szabályozhatja a cirkadián órát. 96 Így a cirkadián ritmust szabályozó gének megzavarása, beleértve a „hosszú élettartamú” géneket, akár önmagukban, akár kombinálva az étrend által kiváltott szisztémás metabolitokkal és táplálkozási magatartással, megalapozhatja az alvásmegvonás és a megváltozott alvási szokások, például a rotációs váltás közötti molekuláris kapcsolatot munka és kardiometabolikus betegség.

Összedobva az egészet

Ezek a megfigyelések nem tagadják a testmozgás számtalan egészségügyi előnyét, és nem gátolják a fizikai aktivitást, és nem is utalnak arra, hogy a jelentős életmódbeli változások (beleértve az energiafogyasztás és a ráfordítás változásait) nem befolyásolhatják az összsúlyt; de a testmozgás időtartamának növelése nem jelentheti az elhízás megelőzésének fő tényezőjét a nagyközönség számára. A testmozgás révén történő aktivitás egyszerű növelése az életmód jelentős étrend-módosításának hiányában valószínűleg nem lesz jelentős hatása. Másrészt az önmagában diétával járó életmód-módosítások jelentősen befolyásolhatják mind az elhízást, mind a krónikus betegségeket.

Ami teljes kört jelent számunkra az élelmiszer tekintetében. Hippokratész azon gondolkodott, hogy szükség van-e egy-két étkezésre naponta, és a társadalom mégis hajlamos az egész nap enni. Étkezés után étkezés utáni elmozdulások következnek be RMR/RQ-ban legalább 4 órán át az elfogyasztott kalóriák befogadására 102; csak ezután folytatjuk a „tárolt” energia felhasználását. Sőt, az étkezés elhagyása nem okoz anyagcsere csökkenést; valójában az anyagcsere növekedése a böjt első 4 napjában jelentkezik. 103.

A fehérje és az üzemanyag táplálkozási paradigmája, amely a 19. század közepén kezdődött, megváltoztatta a táplálékfogyasztásról alkotott elképzelést a táplálékról a speciális táplálkozásra. Népszerűsítette az élelmiszerek tápanyagtartalmának népszerűsítésére irányuló marketing kampányokat, figyelmen kívül hagyva a felesleges kalóriafogyasztás lehetőségét. A kalóriahiányos világban a mindenütt jelen lévő, olcsó és ízletes kalóriák iránti törekvés nemes cél volt. Úgy tűnik, hogy a probléma az, hogy sikeresen küzdöttünk az alultápláltság ellen, és most szembesülünk a krónikus túlzott táplálkozás valóságával, a legjobb tanácsokkal annak megelőzésére, hogy a túl táplálkozással összefüggő betegségek „kevesebbet egyenek, többet mozogjanak”. A nap legfontosabb étkezése talán nem az, hogy gyorsan elszakadjon az elhízással szemben, hanem hogy tápanyag-sűrű, kalóriatartalmú zöldségekre és gyümölcsökre összpontosítsuk a tányérunkat. Legalább figyelnünk kell Atwater tanácsára, és nem szabad, hogy „… az íz túlságosan befolyásolja”, vagy „hagyjuk, hogy a megszerzett étvágy felülírja a természetes ösztönöket”.

Következtetések

Ebben az áttekintésben újfajta módszert tárgyaltunk a fő élelmiszer-makroelemek megtekintésére, valamint arra vonatkozóan, hogy az emberi étrendben az élelmiszerek tápanyag-tartalmának jellemzése hogyan vezethet-e akaratlanul is túlzott kalóriafogyasztást, valamint a kalóriahiány, az enyhe hidegstressz közötti újszerű kapcsolatokkal és az alvás, amelyek relevánsak az elhízás, a metabolikus szindróma és a cukorbetegség szempontjából. Annak érdekében, hogy az esszé tömör és koncentrált maradjon, szándékosan nem foglalkoztunk külön-külön az egyes betegségekkel (azaz az elhízással, a metabolikus szindrómával és a cukorbetegséggel); utólagos felülvizsgálatok azonban várhatóak.

7 millió éves evolúciós utunkat két szezonális kihívás uralta - a kalóriahiány és az enyhe hidegstressz. Evolúciós mérföldünk utolsó 0,9 hüvelykjén mindkettőt megoldottuk. A hűtés és a szállítás alapvetően megváltoztatta az élelmiszereket, amelyekhez hozzáférünk, és a környezetet, amelyben élünk. Kevesebbet alszunk, és lényegesen több mesterséges fénynek vagyunk kitéve, különösen a téli hónapokban. Az elhízás és a krónikus betegség leggyakrabban az embereknél fordul elő, és az általuk melegen tartott és túl táplált állatok (háziállatok). A cirkadián ciklushoz hasonlóan és a legtöbb más élő szervezethez hasonlóan ésszerű azt hinni, hogy mi is reagálunk az évszakokra, és magunkkal hordozzuk a tél túlélési génjeit. Talán az a bajunk, hogy soha nem jön a tél.

Elismerés

Ez a munka az Országos Egészségügyi Intézet (NIH) által az R01 AG028730 támogatásból kapott támogatást a DAS számára.

Szerző közzétételi nyilatkozata

Nincsenek ellentmondó pénzügyi érdekek.

A cikk tartalma a szerzők véleményét képviseli, és nem képezi a Nemzeti Egészségügyi Intézet vagy az Egyesült Államok kormányának hivatalos álláspontját.