Резюме

Накратко

Разбирането на физиологията зад регулирането на телесното тегло може да помогне на клиницистите да лекуват и да обучават пациенти със затлъстяване. Тази статия прави преглед на съвременните познания за регулиране на телесното тегло и метаболитните промени, които се случват в организма в отговор на загуба на тегло. Обсъжда се физиологичната основа за трудния характер на отслабването и особено поддържането на загубеното тегло.

Съвкупност от клинични проучвания установи тясната връзка между затлъстяването и диабета тип 2. 1–3 Тази корелация обаче не е перфектна; много пациенти с диабет не са със затлъстяване и много хора със затлъстяване са напълно реагиращи на инсулин. Независимо дали съществува причинно-следствена връзка между затлъстяването и реакцията на организма към инсулин, благоприятните ефекти от загубата на тегло върху метаболитните параметри на много пациенти с диабет са добре документирани. 4–6 По този начин не е изненадващо, че комбинация от загуба на тегло и упражнения е ефективно лечение за много пациенти с диабет. 7

Както Американската диабетна асоциация, така и Националните здравни институти препоръчват на здравните специалисти да съветват пациентите с диабет със затлъстяване да отслабват. 8,9 Въпреки това, макар че отслабването в краткосрочен план е постижимо, поддържането на намалено телесно тегло в дългосрочен план се оказа изключително трудно за повечето хора. 10,11 Поне част от причината за трудността да се поддържа намалено телесно тегло е способността на тялото да активира адаптивни механизми, които действат за минимизиране на загубата на тегло.

Целта на тази статия е да опише физиологичните основи на поддържане на телесното тегло и метаболитните промени, които се случват в организма в отговор на загуба на тегло. Разбирането на присъщите трудности, свързани с поддържането на дългосрочна загуба на тегло, може да позволи на пациентите и тези, които са отговорни за управлението на своите заболявания, да оценят пречките. Тази статия не свежда до минимум ролята на личната воля и ангажираност за постигане на дългосрочно отслабване, като подчертава ролята на физиологията и генетиката. За разлика от това, в комбинация с посланието, че дългосрочната загуба на тегло е трудна, но постижима, реалистична оценка и признание за приноса на генетиката в поддържането на теглото може да помогне за преодоляване на схващането, че затлъстяването е причинено изключително от прекалено снизхождение. По-задълбоченото разбиране на сложния характер на регулирането на телесното тегло може да накара повече хора да се ангажират да правят трайни промени в начина на живот, за да постигнат и поддържат здравословно тегло.

Еволюция и способност на организма да поддържа телесно тегло

Телесното тегло се определя от енергийния прием, от една страна, и енергийния разход, от друга. Дисбалансът между енергийния прием и разход води до промяна в телесното тегло. Организмите харчат енергия за извършване на ежедневна работа, необходима за оцеляване, като намиране на храна или избягване на хищници. Метаболитната ефективност се отнася до количеството енергия, която организмът трябва да упражни, за да изпълни дадено количество работа.

Ефективността на метаболизма варира при различните видове организми и при различните индивиди в даден вид. Човек с висока метаболитна ефективност ще изразходва по-малко енергия за изпълнение на конкретна задача, като например изкачване на стълби, отколкото човек с ниска метаболитна ефективност. В сравнение с индивид с ниска метаболитна ефективност, индивид с висока метаболитна ефективност е по-способен да запази телесно тегло по време на отрицателния дневен енергиен баланс (разходите надвишават приема), но е вероятно да спечелят повече тегло по време на положителния енергиен баланс (приемът надвишава разходите). Способността на организма да минимизира намаляването на телесното тегло по време на дълги периоди на глад вероятно е свързана с неговото оцеляване. В резултат на това милиони години еволюция може да са облагодетелствани организми с висока метаболитна ефективност. 12–15

Организмите са много умели в придобиването и съхраняването на енергия. Повечето енергийни резерви на гръбначните животни съществуват под формата на мазнини. Един килограм мазнина съдържа повече енергия от един килограм динамит. Усложнява нещата факта, че ние гравитираме към нашите източници на храна. Би било много по-лесно да постигнем и поддържаме загуба на тегло, ако се отнасяме към ежедневното си препитание със същото отвращение като сиропа за кашлица. Всъщност е точно обратното; храни с висока енергийна плътност, като захар и мазнини, са по-вкусни. 16 Може би човешката асоциация на хранене с удоволствие може да има еволюционен произход, подобен на нашето отвращение към горчивия вкус на токсичните растителни съединения. 17

Генетичен принос за метаболитната ефективност и регулиране на телесното тегло

Начинът на живот (заседнал или активен) има ясно влияние върху телесното тегло. Бързото нарастване на честотата на затлъстяването през последните десетилетия, като процентът на възрастните с наднормено тегло или затлъстяване достига 66% в САЩ според Центровете за контрол и превенция на заболяванията, не може да се отдаде само на генетиката. Резултатите от много проучвания обаче показват, че генетичните фактори играят важна роля. 18 В редки случаи затлъстяването е проследено до мутации в единични гени. 19 Обикновено тези гени кодират протеини, участващи в регулирането на ситостта и приема на храна, като лептин (Ob), лептинов рецептор (Ob-R), про-опиомеланокортин (POMC) и меланокортин 4 рецептор (MC4R). 20 Въпреки че досега тези мутации се приписват само на няколко изолирани семейства, наблюдението, че практически всички засегнати гени играят роля в невроналния контрол на ситостта, предполага прием на храна, а не метаболитна ефективност като основен двигател в регулирането на телесното тегло. 20.

Много различни видове проучвания демонстрират значението на генетичните фактори за поддържане на телесното тегло и са налични подробни прегледи. 21,22 Тук са описани само няколко от тези изследвания. За да се оцени относителният принос на генетиката и семейната среда към телесното тегло в по-широката популация, преди две десетилетия в Дания е проведено проучване, в което се сравнява ИТМ на> 500 осиновени с този на техните биологични и осиновители. 23 Въпреки че има положителна корелация в ИТМ между осиновените и техните биологични родители, не е установена връзка между осиновените и техните осиновители.

Метаболитните изследвания на монозиготни близнаци също предоставят убедителни доказателства за ролята на генетиката при определяне на телесното тегло. Едно проучване изследва ефектите от прехранването върху наддаването на тегло при двойки монозиготни близнаци. 24 Въпреки че всички индивиди в проучването консумират едно и също количество калории за едно и също време (приблизително 3 месеца), има голяма разлика в степента на наддаване на тегло, от 8,8 до 29,3 фунта, сред различните индивиди. Въпреки това, количеството на наддаване на тегло беше много подобно при всяка двойка близнаци. Обратното също важи. Когато умерено затлъстелите монозиготни близнаци са били държани на нискокалорична диета, размерът на загуба на тегло варира значително при различните двойки близнаци. 25 Въпреки това, при всяка двойка близнаци, количеството загуба на тегло е доста сходно. Тези резултати показват, че реакцията на организма към промените в приема на калории се диктува поне отчасти от генетиката.

Друг ред доказателства, подкрепящи ролята на генетиката в регулирането на телесното тегло, идва от сравнението на метаболитните разлики при индивиди, принадлежащи към различни етноси. В едно проучване група жени с наднормено тегло (среден ИТМ ∼ 29 kg/m 2) са били държани на нискокалорична диета за определен период от време, докато техният ИТМ намалява до 2, определената горна граница на това, което се счита за нормално тегло. 26 Когато тези жени, съобразени с възрастта, теглото и ИТМ, бяха разделени въз основа на етническа принадлежност (в случая афроамериканки или бели), разликите в разходите за енергия в покой бяха очевидни преди и след загуба на тегло. Въпреки че това проучване включва само ограничен брой субекти, резултатите въпреки това предполагат, че индивидите, принадлежащи към различни етнически групи, се различават по метаболитна ефективност; тези с по-нисък разход на енергия, като същевременно поддържат еднакво телесно тегло, са по-ефективни и следователно по-податливи на наддаване на тегло. Интересното е, че афро-американските жени са имали по-големи намаления в разхода на енергия в покой след загуба на тегло, което предполага, че те могат да бъдат изложени на по-голям риск да възстановят загубеното тегло. Освен това децата, принадлежащи към различни етнически групи, също имат различни разходи за енергия в покой. 27

Контрол на телесното тегло на молекулярно ниво

Регулирането на телесното тегло и енергийната хомеостаза се контролират от безброй междинни метаболитни пътища и системи за контрол на ендокринната система. Приемът на храна е под контрола на централната нервна система чрез много взаимосвързани невроендокринни и невротрансмитерни вериги. 28 Разходът на енергия се регулира от вегетативната нервна система и множество ендокринни хормони, най-известните от които са щитовидната хормонална система. 11,29 Излиза извън обхвата на този преглед, за да се опише достатъчно подробно която и да е от тези системи за контрол. Вместо това ще се съсредоточим върху един ендокринен хормон с особено значение за пациенти с диабет тип 2: инсулин.

Вероятно инсулинът предхожда лептина като хормеостазен хормон на предците. Сигнализиращите системи за инсулин и инсулиноподобен растежен фактор 1 (IGF-1) участват в регулирането на продължителността на живота, репродуктивната зрялост и размера на тялото при нематода Caenorhabditis elegans и муха Drosophila melanogaster, два организма, които нямат лептин. 30 При гръбначните животни инсулинът регулира енергийната хомеостаза и телесното тегло както чрез централната нервна система, така и чрез въздействието си върху метаболизма на липидите и глюкозата. 31,32

При здрави индивиди нивата на инсулин се повишават след хранене. Инсулинът лесно преминава кръвно-мозъчната бариера 33, за да влезе в централната нервна система и да се свърже с рецептори, разположени в хипоталамуса, зоната на мозъка, която контролира поведението на хранене и енергийната хомеостаза. 33 Известно е, че инсулинът инхибира приема на храна, като намалява експресията на орексигенния невротрансмитер невропептид Y. 32 Тези научни открития са в контраст с редица популярни препоръки за храненето, които предполагат, че повишаването на ендогенния плазмен инсулин през периода след хранене е свързано с увеличаване на последващия апетит. Тази хипотеза е проучена от редица изследователи, при слаби 34, както и при затлъстели 35 души. Като цяло резултатите от тези проучвания не подкрепят пряката роля на инсулина като стимулант на апетита при хората.

Инсулинът има дълбоки метаболитни ефекти при определяне на телесното тегло, които са независими от неговото невроендокринно действие в централната нервна система. Инсулинът е анаболен хормон, който насърчава съхранението на глюкоза и мазнини. Загуба на тегло често се наблюдава при пациенти с диабет с лошо контролирана кръвна захар поради почти пълна липса на инсулин. Без инсулин за инхибиране на чувствителната към хормони липаза, вътрешните запаси на триглицериди на адипоцити се хидролизират до мастни киселини и глицерол и се освобождават в кръвообращението, причинявайки кръвта да стане липемична и да придобие облачен вид. При пациенти с диабет, на които липсва инсулин, телесното тегло намалява, тъй като запасите на триглицериди се изчерпват.

Обратен феномен често се случва при пациенти, приемащи тиазолидиндион (TZD) клас инсулинови сенсибилизатори. Този клас пероксизомни пролифератор-активатор рецептор-γ (PPAR-γ) агонисти включват пиоглитазон и розиглитазон. Един от често срещаните странични ефекти на тези лекарства е увеличаването на теглото в резултат на разширяване на мастната тъкан. 36 Този ефект вероятно е свързан с добре документирания ефект на PPAR-γ активирането при индуциране на диференциация на адипоцитите. 37 При плъхове Zucker със затлъстяване и резистентност към инсулин, приложението на TZD съединение води до намалени нива на глюкоза в плазмата, инсулин и триглицериди, които са свързани с четирикратно увеличение на броя на малките адипоцити. 38

По този начин изглежда, че инсулиносенсибилизиращият ефект от лечението с TZD е тясно свързан с разширяването на мастната тъкан и увеличаването на теглото. Всъщност се предполага, че инсулиновата резистентност и диабет тип 2 са отчасти причинени от неспособността на мастната тъкан да се разшири. 39 Високите нива на циркулиращи свободни мастни киселини и съдържание на триглицериди в черния дроб и мускулите са свързани с развитието на инсулинова резистентност. 40,41 Механизмът, чрез който разширяването на мастната тъкан подобрява действието на инсулина в цялото тяло, се смята за двоен: 1) триглицеридите в черния дроб и мускулите и циркулиращите свободни мастни киселини се прехвърлят и секвестират в мастната тъкан, където могат да се съхраняват правилно, и 2) тези адипоцитни хормони с инсулино-сенсибилизиращ ефект се възстановяват до нормални нива. 42

Възможността инсулиновата резистентност да бъде свързана с предотвратяването на допълнително наддаване на тегло има сериозни последици за терапевтичните модалности, насочени към подобряване на инсулиновото действие при пациенти с диабет тип 2. Ако посочената по-горе хипотеза е вярна, може да е почти невъзможно да се отдели увеличаването на теглото от подобряването на инсулиновата чувствителност при липса на постоянен и агресивен режим на упражнения.

Физиологична основа за затруднено отслабване

Добре документирано е, че въпреки че повечето хора, участващи в програми за отслабване, могат успешно да отслабнат в краткосрочен план, повечето от тях не могат да поддържат намаленото телесно тегло в дългосрочен план. 10,11 Една правдоподобна хипотеза, която може да обясни тенденцията на тялото да се върне към предишното си тегло, може да се заяви, както следва: телесното тегло се поддържа на определено ниво, а отклоненията от предпочитаната зададена точка се съпротивляват и минимизират чрез система за контрол на обратната връзка.

Тези ранни експерименти предсказват ролята на лептина и неговия рецептор като един контур за обратна връзка, който регулира телесното тегло при гризачи. 49 Произведени от адипоцити, нивата на лептин се повишават или намаляват в зависимост от размера на мастното депо. 49 Когато размерът на мастното депо е достатъчен, повишените нива на лептин преминават към вентромедиалния хипоталамус, където лептиновият рецептор е доста богат, и инициират поредица от събития, които водят до отвращение към храненето. 50

В допълнение към приема на храна, лептинът играе разрешаваща роля в имунния отговор и репродукцията. 51 Въпреки че сигналната система за лептин може да диктува телесното тегло на гризачите, значението му за регулиране на телесното тегло при хората остава неясно. Затлъстелите хора вече имат високи нива на лептин; те са огнеупорни към ефектите на лептина, състояние, наречено „устойчиво на лептин“. Всъщност едно проучване при затлъстели плъхове демонстрира, че анорексичният ефект и последващите ефекти на метформин върху загубата на тегло могат да бъдат свързани с подобряването на лептиновата резистентност в хипоталамуса. 52 Не е ясно дали лечението с метформин подобрява чувствителността към лептин при хората. Във всеки случай, с откриването на допълнителни системи за сигнализация, които могат да изпълнят функционалните изисквания на контролната верига за обратна връзка, сега разбираме, че лептинът е само една от многото системи, способни да повлияят на телесното тегло.

За разлика от наддаването на тегло, 10% загуба на тегло води до намаляване на енергийните разходи над очакваното от 10% загуба на телесно тегло. 53 Освен това, различно от наддаването на тегло, както загубата на енергия в покой, така и неспокойствието намалява след загуба на тегло. С 10% загуба тялото вече е по-ефективно в метаболизма, изисква по-малко енергия от преди в покой, както и изразходва по-малко енергия по време на тренировка. Това предпазва от допълнително отслабване.

Тази констатация може да обясни опита на много хора, че не са в състояние да загубят „последните няколко килограма“ от определена цел за отслабване. Той може също да предостави потенциално обяснение защо е сравнително лесно да се върне загубеното тегло. Тъй като тялото е по-ефективно от метаболизма, отколкото преди, връщането към първоначалното ниво на хранене след период на отслабване чрез намален прием на калории би възстановило загубеното тегло. За хора, които са особено ефективни, това може дори да доведе до нетно наддаване на тегло.

Понастоящем не е ясно колко дълго ще продължи по-голямото от очакваното намаление на енергийните разходи след загуба на тегло. Може би тялото в крайна сметка ще се адаптира към новото тегло и ще бъде по-лесно да поддържате намаленото тегло. Всъщност някои изследователи съобщават, че при продължителна загуба на тегло промените в енергийните разходи в крайна сметка се стабилизират и не са по-големи от очакваното. 55,56

В допълнение към намаляването на енергийните разходи, загубата на тегло е свързана и с увеличаване на апетита. 57 Doucet et al. 58 съобщават, че субектите, които успешно са преминали програма за отслабване, състояща се от ограничаване на енергията плюс упражнения, съобщават за увеличаване на желанието на гладно да ядат, както и за по-интензивно чувство на глад, съчетано с по-голяма консумация на храна. Повишеният глад при тези пациенти е свързан с по-високи нива на кортизол на гладно.

Индуцираната от диетата загуба на тегло също е свързана с повишени нива на базален и постпрандиален грелин. 59 Грелин е орексигенен хормон, който се секретира предимно от стомаха и дванадесетопръстника. 60 Обикновено нивата на грелин се повишават преди хранене (свързано с желанието за ядене) и се потискат след хранене. 61 В допълнение към стимулирането на апетита, приложението на екзогенен грелин е свързано с намаляване на скоростта на метаболизма 62 и катаболизма на мазнините. 63 По този начин, по-високите нива на грелин след загуба на тегло насърчават възстановяването на теглото чрез два механизма: увеличаване на енергийния прием, съчетано с намаляване на енергийните разходи.

В обобщение, регулирането на телесното тегло включва сложни сигнални системи и компенсаторни промени в апетита и метаболитната ефективност. Настоящите доказателства сочат към съществуването на зададена точка, която затруднява постепенно отслабването или наддаването. Въпреки това, както при повечето биологични системи, има вероятност да има горна и долна граница за това доколко метаболитната ефективност може да се промени. Докато разходът на енергия надвишава този на приема, трябва да настъпи намаляване на телесното тегло. Това може да се заяви с абсолютна сигурност.

Бележки под линия

Betsy B. Dokken, PhD, NP, CDE, е постдокторант в Приложната сърдечно-съдова физиологична лаборатория на Центъра за сърдечни заболявания Sarver към Медицинския колеж на Университета в Аризона в Tuscon. Тя поддържа клинична практика като практикуваща медицинска сестра в Университетските лекари в Тоскон. Д-р Цу-Шуен Цао е асистент по биохимия и молекулярна биофизика в Университета на Аризона в Тоскон.

  • Американска диабетна асоциация

    • физиологията