Резюме

Въведение

По време на еволюцията хората и животните са развили излишни механизми, насърчаващи натрупването на мазнини по време на пиршества, за да оцелеят по време на периоди на глад. Това, което обаче е било актив по време на еволюцията, се е превърнало в пасив в настоящата „патосреда“ или „обезогенна“ среда. 1 Тази хипотеза за „пестеливия генотип“ обаче наскоро беше оспорена от Speakman 2, който предлага алтернативно обяснение, наречено хипотеза „освобождаване на хищничество“. Speakman 2 твърди, че преди около 2 милиона години хищничеството е било премахнато като важен фактор от развитието на социалното поведение, оръжията и огъня. Липсата на хищничество доведе до промяна в популационното разпределение на телесната мастна тъкан поради случайни мутации и генетичен дрейф. Според Speakman, 2 такива произволни дрейфа, вместо насочен подбор, обясняват защо някои индивиди са в състояние да останат слаби, докато живеят в обезогенна среда.

Независимо от произхода на генетичната предразположеност към затлъстяване, неотдавнашната рязка промяна в условията на околната среда, при които храните с високо съдържание на мазнини е лесно достъпна и при които има малка нужда от физическа активност, позволи затлъстяването да достигне епидемични размери както в индустриализираните страни, така и в урбанизирано население по целия свят. 3 Тази епидемия е резултат от нормална физиология (генетична променливост) в патологична среда (Фигура 1). В САЩ, в началото на 2000-те, двама от трима възрастни американци са с наднормено тегло или затлъстяване. 6 По-тревожно е, че разпространението на затлъстяването драстично се увеличава сред децата. 7 Световната здравна организация определи затлъстяването като едно от основните възникващи хронични заболявания на 21 век. 3 Затлъстяването увеличава риска от редица неинфекциозни заболявания, като захарен диабет тип 2, хипертония, дислипидемии и сърдечно-съдови заболявания и намалява продължителността на живота. 8 Само в Съединените щати годишните разходи за затлъстяване за общественото здравеопазване се оценяват на над 100 милиарда щатски долара, което представлява между 5 и 10% от бюджета на САЩ за здравеопазване. 9

енергиен

Затлъстяването е резултат от хроничен дисбаланс между енергийния прием и енергийните разходи. Хиперфагия, ниска скорост на метаболизма, ниски нива на окисление на мазнините и нарушена симпатикова нервна дейност характеризират животински модели на затлъстяване. Установено е, че подобни метаболитни фактори характеризират хората, които са податливи на наддаване на тегло. В този ръкопис ние правим преглед на съвременните познания за ролята на ежедневните енергийни разходи и окисляването на хранителни вещества в регулирането на енергийния и субстратния баланс и следователно в етиологията на затлъстяването. Първо ще представим концепцията за субстратния баланс чрез противопоставяне на енергийния баланс и неговото отражение върху хомеостазата на телесното тегло. След това правим преглед на проучвания, при които енергийният баланс е нарушен от прекомерно хранене, с особен акцент върху променливостта в промяната на теглото. Накрая обсъждаме доказателства за потенциалната роля на въглехидратния баланс върху приема на енергия и регулирането на телесното тегло при хората.

Енергиен баланс срещу баланс на субстрата

Енергиен баланс

Баланс на субстрата

Ако произходът на положителен енергиен баланс се крие в хроничния дисбаланс на енергийния прием и разход, подходящ въпрос е „какви условия позволяват дълготраен дисбаланс между приема и разходите?“ Изследване на всеки хранителен баланс, за да се определи дали хроничният дисбаланс между приема на хранителни вещества и окисляването е валидно само ако всяко хранително вещество има отделно уравнение на баланса, което предполага отделно регулиране (Фигура 2, долния панел). На практика дали всяко хранително вещество се окислява или съхранява в собствено отделение (отделно регулиране) ?, или се превръща в друго отделение за съхранение? Това важи по-специално за въпроса дали диетичните въглехидрати се съхраняват като мазнини чрез de novo липогенеза. За разлика от животните, 16 de novo липогенеза е много ограничена при хората и се появява само при поглъщане на големи излишъци от въглехидрати. 17 - 21 В резултат на това трябва да се разглежда всяко уравнение на баланса на хранителните вещества като отделна единица.

Протеинов баланс

Приемът на протеини обикновено е около 15% от диетичната енергия, а запасите от протеини в тялото представляват около една трета от общата складирана енергия при 70-килограмов човек. Дневният прием на протеин възлиза на малко над 1% от общия запас на протеини 22, 23 (Фигура 2, долния панел). Запасите от протеини се увеличават само в отговор на стимули за растеж, като хормон на растежа, андрогени, физическа подготовка и наддаване на тегло, но не просто от повишен хранителен протеин. Следователно, запасите от протеини са строго контролирани и всеки ден се постига баланс на протеините. 24 В резултат на това дисбалансът на протеини не може да бъде замесен като пряка причина за затлъстяване, но приемът на протеини може да повлияе на баланса на мазнините. 24

Баланс на въглехидратите

Въглехидратите обикновено са основният източник на диетична енергия, но запасите от гликоген в организма са много ограничени: 500–1000 g. 21 Ежедневният прием на въглехидрати съответства на около 50–100% от запасите на въглехидрати в сравнение с около 1% за протеини и мазнини 25 (Фигура 2, долния панел), така че за период от часове и дни запасите от въглехидрати се колебаят значително в сравнение с тези на протеини и мазнини. Въпреки това, подобно на запасите от протеини, те са строго контролирани, 24 въпреки че механизмите на този контрол (хуморален и/или нервен) все още предстои да бъдат установени. Това означава, че излишният прием на въглехидрати не може да бъде в основата на наддаването на тегло, тъй като капацитетът за съхранение е ограничен и контролиран, а превръщането в мазнини се случва само при екстремни условия при хората. 21.

Баланс на мазнините

За разлика от останалите хранителни вещества, запасите от телесни мазнини са големи и приемът на мазнини няма или има много малко влияние върху окисляването на мазнините. 25, 26 Както при протеините, дневният прием на мазнини представлява по-малко от 1% от общите запаси на мазнини; запасите от мазнини обаче съдържат около шест пъти енергията на запасите от протеини 23 (Фигура 2, долен панел). Мастните запаси представляват енергиен буфер за тялото, а наклонът на връзката между енергийния баланс и баланса на мазнините е равен на един в условията на ежедневни малки положителни или отрицателни енергийни дисбаланси. 24 Дефицитът от 200 kcal за 24 часа означава, че 200 kcal идва от мастните депа, а същото важи и за излишък от 200 kcal, който в крайна сметка се оказва в мастните депа. В условията на спонтанно прехранване целият прием на излишни мазнини се съхранява като телесна мазнина. 27

Какво насърчава окисляването на мазнините, ако не се приема хранителен прием на мазнини? Количеството на общите телесни мазнини оказва малък, но съществен ефект върху окисляването на мазнините и това насърчаване на окисляването на мазнините при по-високи нива на телесни мазнини може да представлява механизъм за намаляване на скоростта на наддаване на тегло в отговор на хронично прехранване. 28

Алкохолен баланс

Съществува несъвместима връзка между съобщения прием на алкохол и индекса на телесна маса. 29, 30 Доказано е обаче, че при здрави индивиди съдбата на погълнатия алкохол е окисляване, а не съхранение и следователно се постига перфектен алкохолен баланс. 31 Подобно на диетичните въглехидрати и протеини, алкохолът отклонява хранителните мазнини далеч от окисляването и към тяхното съхранение и инхибира липолизата. Следователно, хроничният дисбаланс между приема на алкохол и окисляването не може директно да причини затлъстяване, въпреки че може косвено да повлияе на баланса на мазнините.

В обобщение, когато се има предвид енергийният баланс при хората при физиологични условия, мазнините са единствените хранителни вещества, способни да причинят хроничен дисбаланс между приема и окисляването и по този начин пряко да допринесат за увеличаването на мастната тъкан. Другите хранителни вещества косвено ще повлияят на затлъстяването, като допринесат за цялостния енергиен баланс и по този начин за баланса на мазнините, както подчертава Frayn. 32 Използването на уравнението за баланса на мазнините вместо уравнението на енергийния баланс предлага нова рамка за разбиране на патогенезата на затлъстяването.

Енергийният метаболизъм като предиктор за наддаване на тегло

Проучванията в напречно сечение, които сравняват слаби и затлъстели индивиди, не са добавили много към нашето разбиране за физиологичните механизми, предразполагащи към наддаване на тегло. 11 Разбирането на етиологията на човешкото затлъстяване изисква надлъжни проучвания, за да се идентифицират предиктори или рискови фактори за наддаване на тегло. Няколко проучвания са изследвали прогностично тези предсказатели в индийското население Пима в югозападна Аризона, популация, при която затлъстяването е изключително разпространено 33 и наддаването на тегло е често срещано сред младите възрастни. При тези индивиди е установено, че поне четири метаболитни параметъра предсказват увеличаване на теглото - ниска скорост на метаболизма, ниска спонтанна физическа активност, ниска активност на симпатиковата нервна система (SNS) и ниско окисление на мазнините.

Ниска скорост на метаболизма

Ниска спонтанна активност

Ниска активност на SNS

Проучванията при кавказците показват, че активността на SNS е свързана с всеки от основните компоненти на енергийните разходи: RMR, 43 термичният ефект на храната, 44 спонтанна физическа активност 45 и 24-часов дихателен коефициент. 46 Важното е, че проучванията на напречното сечение показват, че индивидите (индианците от Пима), склонни към затлъстяване, имат по-ниски нива на мускулна симпатикова активност в сравнение с кавказците, съобразени с теглото. 43 Следователно проучихме проспективно ролята на нарушената активност на SNS и/или медуларната функция на надбъбречната жлеза в етиологията на човешкото затлъстяване при индийските мъже Pima. При проследяването промяната на телесното тегло е в отрицателна корелация с изходната скорост на екскреция на норепинефрин с урината, докато промените в съотношението на обиколката на талията до бедрото са в отрицателна корелация с изходната скорост на екскреция на епинефрин. 47 Заедно тези резултати показват, че нарушената активност на SNS и ниската активност на оста на надбъбречната медула са свързани с увеличаване на телесното тегло и централно затлъстяване. Последователно ниската активност на SNS е свързана с лоши резултати при загуба на тегло при лица със затлъстяване, лекувани с диетична интервенция. 48

Окисляване с ниско съдържание на мазнини

Както беше разгледано по-горе, съставът на приема на хранителни вещества е важен фактор за развитието на затлъстяване и следователно се очаква, че съставът на окисляването на хранителни вещества също играе роля в неговата етиология. Непротеиновият коефициент на дишане (RQ) е индекс на съотношението на окисляването на въглехидратите към мазнините, а стойностите на гладно от 0,80 след постигане през нощта показват голяма зависимост от окисляването на мазнините, 49 докато стойностите, приближаващи се до 1,00 след поглъщане на въглехидратно хранене, показват зависимостта от въглехидрати като основен енергиен субстрат. 26, 50 Освен очевидното въздействие на състава на диетата, RQ се влияе и от скорошния енергиен баланс, пола, затлъстяването и по-важното членство в семейството, което предполага генетични детерминанти. 50, 51

Надлъжно проучване на индианците от Пима показа, че висок 24-часов RQ предсказва наддаване на тегло, като окислителите с ниско съдържание на мазнини (90-ия персентил за коефициент на дишане) имат 2,5 пъти по-голям риск от наддаване на 5 кг или повече телесно тегло от окислителите с високо съдържание на мазнини за дихателен коефициент). 50 Този ефект не зависи от относително ниска или висока 24-часова метаболитна скорост. Подобни резултати са докладвани при кавказците. 52 Други са показали, че доброволците в постобеза имат ниски нива на окисление на мазнините, 53, 54 и тези, които са успели да поддържат загуба на тегло, имат по-високи нива на окисление на мазнините от тези, които изпитват рецидив на теглото. 55

Както е показано на Фигура 3, заедно тези четири предиктора за наддаване на тегло обясняват приблизително 30% от променливостта в наддаването на тегло при индианците от Пима.

Изследванията на монозиготни близнаци, отглеждани поотделно, показват, че приблизително една трета от променливостта на индекса на телесна маса (ИТМ) се дължи на негенетични фактори, а две трети на генетични фактори. На тази фигура разделихме генетичната част на вариабилността на ИТМ в ефектите върху скоростта на метаболизма (MR), дихателния коефициент (RQ), спонтанната физическа активност (SPA; трептене) и симпатиковата нервна дейност (SNA). Останалата генетична изменчивост се приема, че е свързана с променливостта на приема на храна и физическата активност. Стойностите за MR, RQ, SPA и SNA са изчислени от проспективни проучвания, проведени сред индианците Пима от Аризона.

Промени в теглото в отговор на прехранване

Увеличаването на теглото, наблюдавано след прехранване, е доста променливо за отделните индивиди и варира до четири пъти. 56 Съответствието с диетата е важен фактор за обяснение на такава променливост, но добре контролираните проучвания показват подобна променливост в наддаването на тегло. Такива разлики в наддаването на тегло могат първо да се обяснят с нашата неспособност да оценим енергийните нужди за поддържане на теглото и следователно действителния енергиен излишък. На второ място, разликите в храносмилането и усвояването могат да променят количеството „бионалична“ енергия, което влияе върху действителния положителен енергиен баланс. Трето, съставът на наддаване на тегло (мастна маса и чиста маса) прави разлика в наддаването на тегло, тъй като енергийните разходи за отлагане на протеини са по-високи от тези на мастната тъкан. Четвърто, съдържанието на протеини в диетата беше предложено от Stock 56 като критичен фактор за увеличаване на теглото по време на прехранване, тъй като диетите с ниско и високо съдържание на протеини изглежда увеличават енергийните разходи за депозиране на 1 kg телесно тегло. И накрая, разликите в енергийната ефективност на митохондриите също могат да представляват основна причина за променливостта в наддаването на тегло.

Bouchard и сътр. 57 предприе много добре контролирано проучване, за да установи дали има истински разлики в отговорите сред индивидите на дългосрочно прехранване и да оцени възможността генотипите да участват в такива разлики. В отговор на 84 дни от 1000 kcal ден -1 на прехранване, 12 двойки монозиготни близнаци наддават средно 8,1 kg, но диапазонът е от 4,3 до 13,3 kg. Приликата обаче във всяка двойка близнаци в отговор на прехранването е значителна по отношение на наддаването на телесно тегло, процента на мазнините и общата маса на мазнините с около три пъти повече вариация между двойките, отколкото в двойките. Сходството в адаптацията към дългосрочното прехранване при двойките близнаци ясно показва, че генетичните фактори участват в разпределението между отлагането на мазнини и чиста маса и при определянето на реакцията на енергийните разходи.

Разбирането на клетъчните и молекулярните механизми зад тези метаболитни процеси, влияещи върху енергийната ефективност на поддържането на теглото или наддаването на тегло, може да бъде плодотворно за разкриване на нови терапевтични цели.

Въглехидратен баланс и енергийна хомеостаза

Както е описано по-горе, телесната маса е стабилна, когато поглъщането на макронутриенти е еквивалентно на окисляване на макронутриенти. Когато доставката на храна е ограничена, редица циркулиращи субстрати, пептиди и хормони действат върху хипоталамуса, мозъчния ствол и автономната нервна система, за да увеличат апетита в опит да възстановят баланса на макроелементите. 66 Предполага се, че дисбалансът на въглехидратите може да е отговорен за генерирането на този компенсаторен отговор 67, 68 поради ограничената способност на организма да съхранява излишния прием на въглехидрати. Намаленият прием на въглехидрати или повишеното окисление на въглехидратите може бързо да намали съдържанието на гликоген в организма. Интересното е, че намаляването на гликогеновите запаси в черния дроб или мускулите стимулира AMP-активирана протеинкиназа, клетъчен енергиен сензор, 69 който от своя страна причинява увеличаване на окисляването на липидите и по този начин намалява окисляването на въглехидратите и запазва запасите от въглехидрати. Освен това изчерпаните запаси от гликоген са свързани с повишен прием на храна ad libitum при мишки. 68 В обобщение, има доказателства, които предполагат, че ниските запаси на въглехидрати могат да предизвикат адаптивни промени в окисляването на горивата и в крайна сметка в приема на енергия.

Въглехидратен баланс и енергиен прием при хората

маса 1

Проучвания за оценка на ролята на запасите от въглехидрати върху енергийния прием или телесното тегло