Гіпотеза "метаболічної зими": причина сучасних епідемій ожиріння та кардіометаболічних захворювань

Реймонд Дж. Кроніс

1 Thermogenex, Хантсвілль, Алабама.

Девід А. Сінклер

2 Департамент генетики, Гарвардська медична школа, Бостон, штат Массачусетс.

3 Кафедра фармакології Школи медичних наук Університету Нового Південного Уельсу, Сідней, Австралія.

Ендрю А. Бремер

4 кафедри педіатрії та медицини, Університет Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі.

Анотація

Концепція "калорійності" виникла в 1800-х роках в умовах обмеженої доступності їжі, насамперед як засобу для визначення економічних еквівалентів щільності енергії харчових субстратів. Незабаром після цього було визначено щільність енергії основних макроелементів - жиру, білка та вуглеводів. Однак протягом декількох десятиліть з моменту свого створення "Калорія" стала комерційним інструментом для галузей для просування певних харчових продуктів, незалежно від користі для здоров'я. Сучасні технології змінили наші умови життя та змінили наші стосунки з їжею з виживання на смак. Досягнення сільського господарства, виробництва продуктів харчування та переробки забезпечили, що дефіцит калорій є менш поширеним, ніж надлишок калорій у сучасному світі. Тим не менше, багато людей досі підходять до дієтичних макроелементів редукціоністським способом і припускають, що ізокалорійні харчові продукти є ізометаболічними. Тут ми обговорюємо новий спосіб розглянути основні харчові макроелементи та дієту людини в цю епоху надмірного споживання калорій, а також новий взаємозв'язок між дефіцитом калорій, легким холодним стресом та сном, що може пояснити зростаючу поширеність харчових захворювань.

Вступ

У 400 р. До н. Е. Гіппократ писав: «Ми повинні враховувати, [чи] їжу даватимуть один-два рази на день, у більшій чи меншій кількості, з інтервалом. Щось потрібно поступитись звичкам, сезону, країні та віку ". 1 Двадцять три століття пізніше Уілбур О. Атуотер, провідний дієтолог 19 століття, писав: „У нашій практиці прийому їжі ми можемо занадто сильно впливати на смак [і] піднебіння; ми схильні дозволяти, щоб природний інстинкт переборював набутий апетит. Нам потрібно стежити за своїм харчуванням і регулювати апетит розумно. Роблячи це, нам може дуже допомогти знання того, що містить наша їжа і як вона служить своєму призначенню в харчуванні ". 2

Сьогодні ми стикаємося з безпрецедентною пандемією ожиріння, яка сприяє різкому зростанню хронічних вікових захворювань. Насправді людей з надмірною вагою у всьому світі зараз більше, ніж тих, хто недоїдає. 3 Крім того, інформація про харчування ніколи не була більш об’ємною чи доступною. Численні книги, блоги та рекомендації містять не лише рекомендації щодо того, як їсти, але й обговорюють основну біологію, що підтверджує їхні твердження. Традиційні вчені та лікарі, разом з колективом науковців-громадян, також серйозно намагаються зрозуміти етіологію епідемії ожиріння та пов'язані з нею наслідки, а також те, як можна зменшити зростання хронічного переїдання та пов'язаних з харчуванням захворювань.

“Калорія”

У 1800-х роках у відносинах між людьми та їжею відбулися принципові зміни. Історично їжа просто розглядалася як їжа. Але, намагаючись зрозуміти, як їжа та повітря функціонували для виробництва праці та тепла, наші сучасні наукові уявлення про харчування та харчування почали розвиватися. Лавуазьє скасував столітню флогістичну доктрину наприкінці 18 століття, відкривши роль кисню в горінні та диханні. Протягом 50 років його загальні уявлення про вуглецеве та водневе паливо були замінені пропозицією Лібіха щодо специфічних органічних молекул, таких як крохмаль або цукри, жири та альбумін, фібрин та “білки”. Потім ці досягнення призвели до пояснення тисячоліть цікавинок Арістотеля та Галена щодо джерела "вродженого тепла". 5 Наприкінці 19 століття була визначена калорія (технічно кілокалорія або ∼4,2 кілоджоулі).

Наукові досягнення, досягнуті протягом 1840-х років, поклали початок сучасній науці про харчування. Зараз їжа класифікувалася як білки, вуглеводи або жири на основі більшості макроелементів, що підкреслює той факт, що цілісні продукти зазвичай містять суміш компонентів. Їжа виходила за рамки продовольства, і тепер вона мала призначення поза голодом. У 1875 році, працюючи з німецькими вченими з питань харчування Карлом фон Войтом, Максом фон Петтенкофером та Максом Рубнером, Атватер створив лабораторію в Уеслінському університеті для систематичної оцінки різних компонентів харчових продуктів. До 1877 р. Державне фінансування сприяння сільському господарству шляхом наукових досліджень та експериментів досягло 5000 доларів на рік. У 1887 році існувало 16 з цих лабораторій, і Конгрес США сприяв цій роботі, виділивши 15 000 доларів кожному штату, який мав такий заклад; до 1888 р. їх асигнування зростали до 1 000 000 доларів США щорічно, при цьому 25% становили недержавні пожертви. Просування їжі за допомогою харчової науки стало великим бізнесом. 6

У цих лабораторіях калориметрією вимірювали співвідношення макроелементів білка, вуглеводів та жирів у понад 4000 продуктах харчування. Атвотер популяризував харчову еквівалентність їжі за допомогою концепції калорійності, і, зберігаючи загальну парадигму білка та палива, розпочату Джустусом фон Лібіхом, він прагнув нормалізувати поживну економіку їжі, не роблячи при цьому жодних заяв про здоров'я. 7 Протягом наступних двох десятиліть зацікавлені сторони Міністерства сільського господарства США пропагували харчові продукти голодуючій країні; тепер було відомо, що дорогі продукти не обов’язково є більш “поживними”, ніж менш дорогі продукти. Наприклад, квасоля та рис були однаково, якщо не більш ситними, ніж дорожче м’ясо. 8

Білки, вуглеводи та жири

Харчовий бізнес процвітав до моменту смерті Атуотера та останнього опублікованого видання його Принципів харчування та поживної цінності їжі на початку 1900-х років. 9 Маркетинг продуктів харчування на основі макроелементів, особливо маркетинг на основі білків, був продемонстрований у наступне десятиліття рекламними кампаніями щодо яловичини та пшениці, кожна з яких стверджувала, що їх найкраща економічна цінність для білка. 10 Відкриття вітамінів у 1920-х роках призвело до нових маркетингових кампаній, спрямованих на рекламу корисної їжі на основі вмісту вітамінів. Цей підхід до їжі навіть був прийнятий на початку 20 століття у зовнішній політиці США як економічний інструмент контролю за продовольством у часи миру та війни. 10,11

Однак цільна їжа просто не відповідає цим маркуванням. Наприклад, мало хто розуміє, що звичайна картопля, хоча і вважається вуглеводом, може бути важливим харчовим джерелом білка. Більше того, сприйняття поширеності дефіциту білка та наголос, який історично робився на роль білка у недоїданні людини, був роз'яснений у коментарі Дональда С. Макларена 1974 року "Велике фіаско з білками". 13 Доведено, що навіть квашиоркор спричинений не простою недостатністю білка, а більш складним взаємовідношенням мікробіома та дієти кишечника. 14–16

Цікаво, що нещодавнє дослідження з використанням поживних геометричних рамок та підходу до моделювання стану та простору виявило, що листяні (поїдаючі листя) гірські горили в Уганді ставлять на перше місце споживання небілкової енергії (НПЕ). 17 Зокрема, встановлено, що споживання НПЕ є незмінним протягом року, тоді як споживання білка визначальним є щодо його доступності. Концентрації білка, споживаного по відношенню до загальної енергії, коли листя були основною частиною раціону для горил, були близькими до максимально рекомендованих для людей і подібні до дієт для схуднення з високим вмістом білка. Крім того, концентрації білка по відношенню до загальної енергії, коли горили харчувались домінуючими фрукти дієтами, були подібними до тих, які зазвичай рекомендуються для людей. Горили живуть у світі, де дефіцит калорійності та достаток змінюються з часом року. Ми створили середовище всюдисущих, дешевих і смачних калорій і розробили соціальні парадигми, які часто обертаються навколо їжі.

Харчовий трикутник

З середини 19 століття їжа осмислюється і пропагується як білок плюс паливо. І в часи дефіциту білка та калорій ця парадигма має сенс. Однак, оскільки сьогодні існує порівняно мало суспільств, які страждають від серйозного дефіциту білка та калорій, нова парадигма може бути корисною.

Наша версія «Харчового трикутника» (рис. 1) організовує харчування за допомогою парадигми щільності енергії. Він визнає, що незамінні амінокислоти (тобто білки) не обмежують поживних речовин у будь-якій повноцінній дієті, яка задовольняє щоденні потреби в енергії. Швидше за все, рослинні або тваринні амінокислоти, перевищуючи добові потреби, разом з вуглеводами та жиром, стають паливом. Більше того, оскільки присутність комбінованих видів палива в їжі створює пріоритет окислення, який впливає на коефіцієнт дихання після їжі (RQ) та швидкість метаболізму в спокої (RMR), 18,19, можливо, буде концептуально простіше розділити їх на основі джерела палива ніж більшість макроелементів. Ця організація щільності енергії надалі дозволяє людям задовольняти свої потреби в мікроелементах (вершина трикутника), не викликаючи переїдання (нижні вершини трикутника). Не дивно, що багато популярних дієтичних схем потрапляють уздовж однієї зі спадних сторін цього харчового трикутника, часто виключаючи одну або кілька груп продуктів (наприклад, «червоне» м’ясо, фрукти, молочні продукти, «білий» крохмаль тощо).

Однією з проблем організації харчування, заснованої на макроелементах, є те, що вона легітимізує певні продукти харчування як еквівалентні та поживні, як цільна їжа. Це додатково фокусує споживачів на часто плутаних цілях (тобто їсти складні вуглеводи з низьким вмістом глікемії), а не на простих повідомленнях (тобто їсти моркву). Він також нехтує попередженнями Атуотера про набутий апетит 19-го століття і не враховує вплив дієти як на мікробіом кишечника 20–23, так і на макроелементи, що перевищують їхні потреби, нехтуючи калоріями та вітамінами, мінералами та фітонутрієнтами. -збагачена рослинна їжа. 24–28

Калорії та дисфункція мітохондрій

На клітинному рівні мітохондріальний стрес та біоенергетика пов’язані з хронічним переїданням, що впливає на загальні клітинні окислювально-відновлювальні ланцюги. 29–31 Показано, що надлишок алкоголю, амінокислот з розгалуженим ланцюгом (BCAA), фруктози та транс-жирів впливає на функцію мітохондрій та посилює внутрішньопечінковий жир, коли енергія сповнюється, 32,33, і хоча численні дослідження продемонстрували, що ліпогенез de novo впливає не суттєво сприяє ожирінню як такому, 34–39 загальний міф «цукор перетворюється на жир» переважає, відволікаючи увагу від негативного метаболічного впливу цих субстратів на печінку.

Метаболічна зима

Сіртуїни підтримують гомеостаз та забезпечують виживання організму під впливом внутрішніх чи зовнішніх збурень, і існує велика кількість літератури, що демонструє їх роль (і) у ожирінні, метаболічному синдромі, діабеті, раку, запаленні та серцево-судинних захворюваннях. 53–59 SIRT1, зокрема, є ключовим регулятором енергетичного гомеостазу та метаболізму через активований проліфератором пероксисоми рецептор-гамма-коактиватор 1α (PGC-1α) 60 та індукований гіпоксією фактор 1-α (HIF-1α), 61 які є важливими медіаторами біогенезу мітохондрій та, можливо, відповідальні за багато переваг для здоров'я від дієти та фізичних вправ. Цікаво, що інша основна функція PGC-1α включає іншу ознаку виживання, незворушний термогенез, 62 під час якого окремі мітохондрії обходять вироблення аденозинтрифосфату (АТФ) і замість цього створюють тепло, активуючи роз’єднання білка 1 (UCP-1). 63 Це дуже ефективний механізм, який замінює негайну реакцію на холод, тремтіння, механізмом, який виробляє тепло безпосередньо за рахунок вербування мітохондрій.

Хоча всі клітини скелетних м’язів пов’язані з адаптивним термогенезом, 64 коричнева жирова тканина (НДТ) також є ключовим гравцем у метаболізмі. Люди народжуються з більшою кількістю жиру, ніж будь-який інший вид, і мають значну кількість НДТ; але до недавнього часу вважалося, що воно було втрачене у зрілому віці. 65,66 Нові дослідження показують, що дорослі можуть не тільки отримувати значну кількість НДТ, 67–69, але й те, що індуковане виробництвом іризину спричинене збільшенням НДТ та пов'язане з цим збільшення витрат енергії. 70 Ці висновки підтверджують уявлення про те, що сучасні люди еволюціонували проти сезонно прохолодних температур (холодний стрес) та періодичних періодів дефіциту їжі (обмеження калорій).

Сон і температура тіла

Наше сучасне суспільство хронічно недосипає. Зв’язок між сном та порушенням обмінних процесів можна знайти в ранньоримській медицині, а занадто мало сну пов’язано з ожирінням та багатьма кардіометаболічними захворюваннями. 71–74 Ранні спостереження, починаючи від австралійських аборигенів і закінчуючи холодним кліматом скандинавських кочових лапонів, демонструють, наскільки люди пристосовані до легкого холодного стресу під час сну. 75–77 Адаптація також відбувається для неживих мешканців після багаторазового впливу. 78 Крім того, до 20 століття зима характеризувалася довгими ночами без штучного освітлення та загалом прохолоднішими умовами сну.

Важливо те, що більша частина тієї ж біології, яка дозволяє адаптацію до зими до прохолодніших середовищ, включаючи сон, перекриває основні метаболічні механізми, задіяні в адаптації до дефіциту калорій. 79 Наприклад, посилений сон у прохолодному середовищі та довгі ночі зими за відсутності надмірного штучного світла та тепла можуть діяти синергічно для сприяння збереженню цінних калорій у пору року, коли їх природно мало. 80 Мелатонін, гормон, асоційований зі сном, знижує температуру тіла в основному, 81–84, а різкий темп зниження температури тіла пов’язаний як із початком сну, так і з його якістю. 85,86 На відміну від цього, зменшення сну призводить до порушення толерантності до глюкози та резистентності до інсуліну, 87 підвищення апетиту через зміни рівня лептину та греліну, 88 та зменшення енергетичних витрат. 89 Можна концептуально пов’язати зимові холодні, темні та тихі середовища як природний баланс із теплим, світлим та активним середовищем літа. Зараз дуже мало хто з нас спить на морозі, і дослідження навіть показали зв'язок між збільшенням ваги та середньою кімнатною температурою. 90

Крім того, гени "довголіття" є центральними для регулювання біологічних циркадних ритмів, у тому числі тих, що регулюють сон, харчування та секрецію гормонів та нейромедіаторів. 91,92 Важливо зазначити, що збурення внутрішньої годинникової системи та сну є чинниками ризику ожиріння, цукрового діабету та серцево-судинних захворювань та пов’язані з порушенням метаболізму. 93–95 Більше того, схоже, існує взаємна залежність між циркадними ритмами та метаболізмом: Хоча циркадні годинники справді регулюють безліч метаболічних шляхів (включаючи метаболізм глюкози та холестерину), метаболіти та поведінка годування також можуть регулювати циркадні годинники. 96 Таким чином, порушення роботи генів, що регулюють циркадні ритми, включаючи гени "довголіття", як окремо, так і в поєднанні із змінами системних метаболітів та поведінкою харчування, спричиненими дієтою, може лежати в основі молекулярного зв'язку між недоліком сну та зміненими режимами сну, такими як зміна обертання робота та кардіометаболічні захворювання.

Поєднавши все це разом

Ці спостереження не заперечують незліченних переваг для здоров'я від фізичних вправ та не відбивають фізичних навантажень, а також не припускають, що значні зміни способу життя (включаючи зміни як споживання енергії, так і витрат) не можуть вплинути на загальну вагу; але збільшення часу фізичних вправ може не бути головним фактором у профілактиці ожиріння для широкої громадськості. Просто збільшення активності за допомогою фізичних вправ за відсутності значних модифікацій способу життя навряд чи матиме значний вплив. З іншого боку, модифікація способу життя, що включає лише дієту, може суттєво вплинути як на ожиріння, так і на хронічні захворювання.

Що приносить нам повне коло стосовно їжі. Гіппократ міркував про необхідність одного або двох прийомів їжі на день, і все ж зараз суспільство, як правило, харчується протягом усього дня. Після прийому їжі в RMR/RQ відбуваються зміни після прийому їжі протягом щонайменше 4 годин, щоб задовольнити спожиті калорії 102; лише тоді ми продовжуємо використовувати “накопичену” енергію. Більш того, пропуск їжі не викликає зниження метаболізму; насправді посилення метаболізму відбувається протягом перших 4 днів голодування. 103

Парадигма харчування білок плюс паливо, яка розпочалася в середині 19 століття, змінила уявлення про вживання їжі з одного з продуктів харчування на пошук конкретного харчування. Він популяризував маркетингові кампанії, спрямовані на просування вмісту поживних речовин у продуктах харчування, ігноруючи можливість споживання зайвої калорії. У світі дефіциту калорій прагнення до повсюдних, дешевих і смачних калорій було благородною метою. Проблема, схоже, полягає в тому, що нам вдалося боротися з недоїданням, і зараз ми зіткнулися з реальністю хронічного переїдання, а найкраща порада щодо запобігання захворюванню, пов’язаному з переїданням, полягає в тому, що «їжте менше, рухайтесь більше». Можливо, найважливіший прийом їжі в день - це не швидке розбиття перед ожирінням, а натомість зосередження нашої тарілки на багатих поживними речовинами, калорійно бідних овочах та фруктах. Принаймні, нам слід прислухатися до порад Атвотера і не “... занадто впливати на смак” або “нехай природний інстинкт переборюється набутим апетитом”.

Висновки

У цьому огляді ми обговорили новий спосіб розглянути основні харчові макроелементи та те, як характеристика харчового вмісту їжі в раціоні людини може ненавмисно спричинити надмірне споживання калорій, поряд із новими взаємозв'язками між дефіцитом калорій та легким холодним стресом та сон, що стосується ожиріння, метаболічного синдрому та діабету. Намагаючись зберегти есе стислим та цілеспрямованим, ми навмисно не звертались до кожної сутності захворювання (тобто ожиріння, метаболічного синдрому та діабету) окремо; однак наступні огляди очікуються.

На нашому 7-мільйонному еволюційному шляху домінували дві сезонні проблеми - дефіцит калорій та легкий холодний стрес. За останні 0,9 дюйма нашої еволюційної милі ми вирішили їх обох. Холодильне обладнання та транспортування кардинально змінили продукти харчування, до яких ми маємо доступ, та середовище, в якому ми живемо. Ми також менше спимо і зазнаємо набагато більше штучного світла, особливо в зимові місяці. Ожиріння та хронічні захворювання найчастіше спостерігаються у людей та тварин (домашніх тварин), які вони зігрівають та недоїдають. Подібно до циркадного циклу і як і більшість інших живих організмів, є розумним вважати, що ми також реагуємо на пори року і маємо з собою гени виживання на зиму. Можливо, наша проблема в тому, що зима ніколи не настає.

Подяка

Ця робота отримала фінансову підтримку від гранту Національного інституту охорони здоров’я (NIH) R01 AG028730 DAS.

Заява про розкриття інформації про автора

Жодних суперечливих фінансових інтересів не існує.

Зміст цієї статті відображає погляди авторів і не є офіційною позицією Національного інституту охорони здоров’я чи уряду США.