Energiacsere, üzemanyag-kiválasztás és testtömeg-szabályozás

Absztrakt

Bevezetés

Az evolúció során az emberek és az állatok felesleges mechanizmusokat fejlesztettek ki, amelyek elősegítik a zsír felhalmozódását az ünnepi időszakokban, hogy éhínség időszakában túlélhessék. Ami azonban eszköz volt az evolúció során, az a jelenlegi „kórokozói” vagy „obezogén” környezetben felelősséggé vált. 1 A ’takarékos genotípus’ ezen hipotézisét azonban a közelmúltban vitatta a Speakman 2, aki alternatív magyarázatot kínál ’predáció felszabadítás’ hipotézisének. A Speakman 2 szerint 2 millió évvel ezelőtt a ragadozást jelentős tényezőként eltávolította a társadalmi viselkedés, a fegyverek és a tűz fejlődése. A ragadozás hiánya a testzsír populáció-megoszlásának változásához vezetett a véletlenszerű mutációk és a genetikai sodródás következtében. Speakman szerint 2 ilyen véletlenszerű sodródás az irányított szelekció helyett megmagyarázza, hogy egyes egyedek miért képesek vékonyak maradni obesogén környezetben élve.

Az elhízás genetikai hajlamának eredetétől függetlenül a közelmúltban bekövetkezett hirtelen változás a környezeti körülmények között, amelyekben a magas zsírtartalmú élelmiszerek könnyen elérhetők, és amelyekben alig van szükség fizikai aktivitásra, lehetővé tette, hogy az elhízás járványos méreteket öltsön mind az iparosodott országokban, mind az országokban. urbanizált népesség az egész világon. 3 Ez a járvány egy normális fiziológia (genetikai variabilitás) eredménye egy kórokozóban (1. ábra). Az Egyesült Államokban a 2000-es évek elején három felnőtt amerikai közül kettő volt túlsúlyos vagy elhízott. 6 Riasztóbb, hogy az elhízás gyakorisága drasztikusan növekszik a gyermekek körében. 7 Az Egészségügyi Világszervezet az elhízást a 21. század egyik felmerülő krónikus betegségének egyikeként határozta meg. Az elhízás növeli számos nem fertőző betegség, például a 2-es típusú cukorbetegség, a magas vérnyomás, a diszlipidémiák és a szív- és érrendszeri betegségek kockázatát, és csökkenti a várható élettartamot. 8 Csak az Egyesült Államokban az elhízásnak a közegészségügyi rendszerre fordított éves költsége meghaladja a 100 milliárd dollárt, ami az Egyesült Államok egészségügyi költségvetésének 5–10% -át teszi ki. 9.

Az elhízás az energiabevitel és az energiafogyasztás közötti krónikus egyensúlyhiány következménye. A hiperphágia, az alacsony anyagcsere, a zsír oxidációjának alacsony szintje és a szimpatikus idegi aktivitás károsodása jellemzi az elhízás állatmodelljeit. Hasonló anyagcsere tényezőkről derült ki, hogy a súlygyarapodásra hajlamos embereket jellemzik. Ebben a kéziratban áttekintjük a napi energiafelhasználás és a tápanyagok oxidációjának az energia- és szubsztrátmérleg szabályozásában, tehát az elhízás etiológiájában betöltött szerepének jelenlegi ismereteit. Először a szubsztrátegyensúly fogalmát vezetjük be az energiaháztartással való szembenállás és annak a testtömeg homeosztázisra gyakorolt hatása révén. Ezután áttekintjük azokat a tanulmányokat, amelyekben az energiamérleget megzavarta a túltáplálás, különös tekintettel a súlyváltozás változékonyságára. Végül megvizsgáljuk a szénhidrát-egyensúly potenciális szerepét az emberi energiafogyasztásban és a testtömeg-szabályozásban.

Energiamérleg vs szubsztrátmérleg

Energiamérleg

Aljzatmérleg

Ha a pozitív energiamérleg eredete az energiafogyasztás és a ráfordítás krónikus egyensúlyhiányában rejlik, akkor megfelelő kérdés az, hogy „milyen feltételek teszik lehetővé a bevitel és a ráfordítás közötti tartós egyensúlyhiányt?” Az egyes tápanyagmérlegek vizsgálata annak megállapítására, hogy krónikus egyensúlyhiány van-e. a tápanyagbevitel és az oxidáció között csak akkor érvényes, ha minden tápanyagnak külön egyensúlyi egyenlete van, ami külön szabályozást jelent (2. ábra, alsó panel). Gyakorlatilag minden tápanyag oxidálódik, vagy a saját rekeszében tárolódik (külön szabályozás)?, Vagy átalakulnak egy másik rekeszbe tárolás céljából? Ez különösen arra a kérdésre vonatkozik, hogy az étkezési szénhidrátokat a de novo lipogenezis zsírként tárolja-e. Az állatokkal ellentétben a 16 de novo lipogenezis emberben nagyon korlátozott, és csak akkor fordul elő, ha nagy mennyiségű szénhidrátot fogyasztanak. Következésképpen az egyes tápanyagmérleg-egyenleteket külön entitásnak kell tekintenünk.

Fehérje egyensúly

A fehérjebevitel általában az étkezési energia körülbelül 15% -át teszi ki, és a testben lévő fehérjetárolók a 70 kg-os embernél a teljes tárolt energia körülbelül egyharmadát képviselik. A napi fehérjebevitel a teljes 22, 23 fehérjetartalom valamivel több mint 1% -át teszi ki (2. ábra, alsó panel). A fehérjetárolók mérete csak a növekedési ingerekre, például a növekedési hormonra, az androgénekre, a fizikai edzésre és a súlygyarapodásra válaszul növekszik, de nem pusztán az étrendi fehérje megnövekedésével. A fehérjetartalékokat ezért szigorúan ellenőrzik, és napi szinten eléri a fehérjegyensúlyt. Ennek következtében a fehérje egyensúlyhiány nem tekinthető az elhízás közvetlen okának, de a fehérjebevitel befolyásolhatja a zsíregyensúlyt. 24.

Szénhidrátmérleg

A szénhidrát általában az étrendi energia fő forrása, a szervezet glikogén-raktárai mégis nagyon korlátozottak: 500–1000 g. A napi szénhidrátbevitel a szénhidrátkészletek körülbelül 50–100% -ának felel meg, szemben a fehérje és zsír kb. 1% -ával 25 (2. ábra, alsó panel), így órák és napok alatt a szénhidrátkészletek jelentősen ingadoznak a fehérje és a zsír tartalmával. A fehérjetárolókhoz hasonlóan azonban szigorúan ellenőrzik őket, 24 annak ellenére, hogy ennek a kontrollnak a mechanizmusait (humorális és/vagy ideges) még meg kell állapítani. Ez azt jelenti, hogy a túlzott szénhidrátbevitel nem lehet a súlygyarapodás alapja, mert a tárolókapacitás korlátozott és ellenőrzött, és a zsírrá való átalakulás csak extrém körülmények között történik embernél. 21

Zsíregyensúly

A többi tápanyaggal ellentétben a testzsír-raktárak nagyok, és a zsírbevitelnek nincs vagy csak nagyon kevés hatása van a zsír oxidációjára. 25, 26 A fehérjéhez hasonlóan a napi zsírbevitel az összes zsírkészlet kevesebb mint 1% -át teszi ki; a zsírraktárak azonban a fehérjetárak energiájának körülbelül hatszorosát tartalmazzák (2. ábra, alsó panel). A zsírraktárak energiapuffert jelentenek a test számára, és az energiaegyensúly és a zsíregyensúly kapcsolatának meredeksége egyenlő a mindennapi kicsi pozitív vagy negatív energia-egyensúlyhiány esetén. 24 24 órán át tartó 200 kcal-os hiány azt jelenti, hogy 200 kcal zsírraktárakból származik, és ugyanez vonatkozik a 200 kcal feleslegére is, amely zsírraktárakba kerül. Spontán túltáplálás esetén a teljes zsírfelesleg testzsírként tárolódik. 27.

Mi elősegíti a zsír oxidációját, ha ez nem étrendi zsírbevitel? A teljes testzsír mennyisége kicsi, de jelentős hatást gyakorol a zsír oxidációjára, és ez a zsír oxidációjának elősegítése magasabb testzsír szintnél mechanizmust jelenthet a súlygyarapodás sebességének csillapítására a krónikus túltáplálkozás hatására. 28.

Alkohol egyensúly

A bejelentett alkoholfogyasztás és a testtömeg-index között nincs következetes összefüggés. 29, 30 Kimutatták azonban, hogy egészséges egyéneknél a bevitt alkohol sorsa az oxidáció és nem a tárolás, ezért a tökéletes alkohol-egyensúly elérhető. 31 Az étrendi szénhidráthoz és fehérjéhez hasonlóan, az alkohol is elvezeti az étkezési zsírt az oxidációtól a tárolás felé, és gátolja a lipolízist. Ezért az alkoholfogyasztás és az oxidáció közötti krónikus egyensúlyhiány közvetlenül nem okozhat elhízást, bár közvetett módon befolyásolhatja a zsíregyensúlyt.

Összefoglalva, ha figyelembe vesszük az emberi egyensúlyt fiziológiás körülmények között, akkor a zsír az egyetlen tápanyag, amely krónikus egyensúlyhiányt okozhat a bevitel és az oxidáció között, és így közvetlenül hozzájárul a zsírszövet növekedéséhez. A többi tápanyag közvetetten befolyásolja az adipozitást azáltal, hogy hozzájárul az általános energiaegyensúlyhoz, és ezáltal a zsíregyensúlyhoz, amint azt Frayn hangsúlyozta. 32 A zsíregyensúly-egyenlet használata az energiamérleg-egyenlet helyett új keretet kínál az elhízás patogenezisének megértéséhez.

Az energia-anyagcsere, mint a súlygyarapodás előrejelzője

A karcsú és elhízott személyeket összehasonlító keresztmetszeti vizsgálatok kevéssé járultak hozzá a súlygyarapodásra hajlamosító élettani mechanizmusok megértéséhez. 11 Az emberi elhízás etiológiájának megértéséhez longitudinális vizsgálatokra van szükség a súlygyarapodás előrejelzőinek vagy kockázati tényezőinek azonosításához. Számos tanulmány prospektív módon vizsgálta ezeket a prediktorokat a pima indiai populációban Arizona délnyugati részén, olyan populációban, ahol az elhízás rendkívül elterjedt 33, és a súlygyarapodás gyakori a fiatal felnőttek körében. Ezekben az egyénekben legalább négy anyagcsere-paramétert jósoltak a súlygyarapodásra - alacsony anyagcsere, alacsony spontán fizikai aktivitás, alacsony szimpatikus idegrendszeri (SNS) aktivitás és alacsony zsíroxidáció.

Alacsony anyagcsere

Alacsony spontán aktivitás

Alacsony SNS aktivitás

A kaukázusi tanulmányok azt mutatják, hogy az SNS aktivitása az energiafogyasztás minden egyes fő összetevőjéhez kapcsolódik: RMR, 43 az étel termikus hatása, 44 spontán fizikai aktivitása 45 és 24 órás légzési hányadosa. 46 Fontos, hogy a keresztmetszeti vizsgálatok azt mutatják, hogy az elhízásra hajlamos személyek (pima indiánok) alacsonyabb izomszimpatikus aktivitást mutatnak, mint a testsúlyhoz illeszkedő kaukázusiak. Következésképpen prospektíven tanulmányoztuk a Sima-aktivitás és/vagy a mellékvese medulláris funkciójának szerepét az emberi elhízás etiológiájában Pima indiai férfiaknál. A nyomon követéskor a testtömeg változás negatívan korrelált a vizelet kiindulási norepinefrin kiválasztási sebességével, míg a derék és a comb kerületi arányának változásai negatívan korreláltak az epinefrin kiindulási kiindulási értékével. 47 Ezek az eredmények együttesen azt mutatják, hogy a károsodott SNS aktivitás és a mellékvese medulla tengelyének alacsony aktivitása összefügg a testtömeg-növekedéssel és a központi elhízással. Következésképpen az alacsony SNS-aktivitás rossz fogyási eredményekkel járt az elhízott, étrend-korlátozási beavatkozással kezelt egyéneknél. 48

Alacsony zsíroxidáció

Amint azt a fentiekben áttekintettük, a tápanyagbevitel összetétele fontos tényező az elhízás kialakulásában, következésképpen arra lehet számítani, hogy a tápanyagok oxidációjának összetétele szerepet játszik etiológiájában is. A nem fehérje légzési hányados (RQ) a szénhidrát/zsír oxidáció arányának indexe, az éjszakai éhomi értékek pedig egy éjszakán át tartó böjt után 0,80 jelzik a zsír-oxidációra való nagy mértékű támaszkodást, 49 míg a szénhidrát-étkezés elfogyasztása után az 1,00-hoz közeledő értékek a szénhidrát, mint fő energia-szubsztrát. 26, 50 Az étrend-összetétel nyilvánvaló hatásán kívül az RQ-t a közelmúltbeli energiamérleg, a nem, az adipozitás és fontos a családtagság is befolyásolja, ami genetikai determinánsokra utal. 50, 51

Pima indiánok longitudinális vizsgálata azt mutatta, hogy a magas 24 órás RQ súlygyarapodást jósolt, alacsony zsírtartalmú oxidálószerekkel (a légzési hányados 90. percentilis) 2,5-szer nagyobb a kockázata 5 kg vagy annál nagyobb testtömeg-hízásnak, mint a magas zsírtartalmú oxidálószereknek (10. percentilis) a légzési hányadoshoz). Ez a hatás független volt a viszonylag alacsony vagy magas 24 órás anyagcserétől. Hasonló eredményeket jelentettek a kaukázusiaknál is. 52 Mások kimutatták, hogy a postobese önkénteseknél alacsony a zsíroxidáció aránya, 53, 54 és a fogyás fenntartásában sikereseknél magasabb a zsíroxidációs arány, mint azoknál, akiknél a súlycsökkenés tapasztalható. 55

Amint a 3. ábrán látható, a súlygyarapodásnak ez a négy előrejelzője együttesen a pima indiánoknál a súlygyarapodás változékonyságának körülbelül 30% -át magyarázta.

Az egymástól nevelkedett monozigóta ikrek vizsgálata azt mutatja, hogy a testtömeg-index (BMI) változékonyságának körülbelül egyharmada a nongenetikus tényezőknek és kétharmada genetikai tényezőknek tulajdonítható. Ebben az ábrán a BMI variabilitásának genetikai részét bontottuk az anyagcsere sebesség (MR), a légzési hányados (RQ), a spontán fizikai aktivitás (SPA; fidgeting) és a szimpatikus idegi aktivitás (SNA) hatásaira. Feltételezzük, hogy a fennmaradó genetikai variabilitás összefügg a táplálékfelvétel és a fizikai aktivitás változékonyságával. Az MR, RQ, SPA és SNA értékeit az arizonai Pima indiánok körében végzett prospektív vizsgálatok alapján számolták ki.

Súlyváltozások a túltáplálkozás hatására

A túltáplálás után megfigyelt súlygyarapodás egyénekenként meglehetősen változó, és akár négyszer is változik. Az étrendi megfelelés fontos tényező az ilyen változékonyság magyarázatában, de a jól kontrollált vizsgálatok hasonló változékonyságot mutattak a súlygyarapodásban. A súlygyarapodás ilyen különbségei először azzal magyarázhatók, hogy képtelenek vagyunk felmérni a súlymegtartó energiaigényt, és ezért a tényleges energiafelesleget. Másodszor, az emésztés és az abszorpció különbségei módosíthatják a „biológiailag elérhető” energia mennyiségét, befolyásolva a tényleges pozitív energiamérleget. Harmadszor: a súlygyarapodás összetétele (zsírtömeg és sovány tömeg) különbséget tesz a súlygyarapodásban, mivel a fehérje lerakódásának energiaköltsége magasabb, mint a zsírszöveté. Negyedszer, az étrendi fehérjetartalmat a Stock 56 javasolta a túlsúlyos táplálkozás során a súlygyarapodás kritikus meghatározójának, mivel az alacsony és magas fehérjetartalmú étrend úgy tűnik, hogy növeli az 1 kg testtömeg lerakódásának energiaköltségét. Végül a mitokondriális energiahatékonyság különbségei szintén a súlygyarapodás változékonyságának mögöttes okát jelenthetik.

Bouchard és mtsai. 57 egy nagyon jól kontrollált tanulmányra vállalkozott annak megállapítására, hogy vannak-e valódi különbségek a hosszú távú túladagolásra adott egyedek válaszaiban, és felmérjék annak lehetőségét, hogy a genotípusok részt vesznek ilyen különbségekben. Válaszul a 84 napos 1000 kcal-os −1 túltáplálásra 12 monozigóta ikerpár átlagosan 8,1 kg-ot hízott, de a tartomány 4,3–13,3 kg volt. Mindazonáltal az egyes ikerpárok közötti hasonlóság a túltáplálásra reagálva szignifikáns volt a testtömeg-növekedés, a zsír százalékos aránya és a teljes zsírtömeg tekintetében, a párok közötti körülbelül háromszor nagyobb eltéréssel, mint párokon belül. Az ikerpárokon belül a hosszú távú túltápláláshoz való alkalmazkodás hasonlósága egyértelműen jelezte, hogy genetikai tényezők vesznek részt a zsír és a sovány tömeges lerakódás közötti felosztásban és az energiafelhasználási válasz meghatározásában.

Ezeknek az anyagcsere-folyamatoknak a sejt- és molekuláris mechanizmusainak megértése, amelyek befolyásolják a testsúly fenntartását vagy a súlygyarapodás energiahatékonyságát, gyümölcsöző lehet új terápiás célok feltárásában.

Szénhidrát egyensúly és energia homeosztázis

A fentiek szerint a testtömeg stabil, ha a makrotápanyagok lenyelése egyenértékű a makrotápanyagok oxidációjával. Ha az élelmiszerellátás korlátozott, számos keringő szubsztrát, peptid és hormon hat a hipotalamuszra, az agytörzsre és az autonóm idegrendszerre az étvágy fokozása érdekében a makrotápanyagok egyensúlyának helyreállítása érdekében. 66 Javasoljuk, hogy a szénhidrát-egyensúlyhiány felelős lehet ennek a kompenzációs válasznak a generálásáért 67, 68, mivel a szervezet korlátozottan képes tárolni a felesleges szénhidrátbevitelt. A csökkentett szénhidrátbevitel vagy a megnövekedett szénhidrát-oxidáció gyorsan csökkentheti a test glikogén-tartalmát. Érdekes módon a glikogén raktárak csökkenése a májban vagy az izmokban stimulálja az AMP-aktivált protein kinázt, egy sejtenergia-érzékelőt, 69 ami viszont növeli a lipid oxidációját, és ezáltal csökkenti a szénhidrát oxidációt és megőrzi a szénhidrát készleteket. Ezenkívül a kimerült glikogénkészletek az egerekben megnövekedett ad libitum táplálékbevitelhez kapcsolódnak. 68 Összefoglalva, vannak bizonyítékok arra vonatkozóan, hogy az alacsony szénhidráttartalékok adaptív változásokat válthatnak ki az üzemanyag oxidációjában és végül az energia bevitelében.

Szénhidrát egyensúly és energiafogyasztás emberben

Asztal 1

Tanulmányok, amelyek értékelik a szénhidrátkészletek energiabevitelre vagy testtömegre gyakorolt szerepét