Yiheng Chen

училище за човешко хранене, Университет Макгил, Ste. Ан дьо Белвю, QC, Канада

Марек Михалак

b Катедра по биохимия, Университет на Алберта, Едмънтън, AB, Канада

Луис Б. Агелон

училище за човешко хранене, Университет Макгил, Ste. Ан дьо Белвю, QC, Канада

Резюме

Въведение

През последните няколко десетилетия много юрисдикции по света са свидетели на нарастващото разпространение на придобити метаболитни синдроми, по-специално затлъстяване, диабет, мастни чернодробни заболявания и сърдечно-съдови заболявания [1-4]. През последните години възходящата тенденция е особено поразителна в развиващите се страни, където промените в диетите и начина на живот съпътстват модернизацията [1,5]. За да се противопоставят на нарастващите усложнения в областта на общественото здраве, причинени от променящите се хранителни практики, здравните организации предоставиха диетични препоръки [6]. Докато предишните интервенции, предназначени за справяне със случаи на единичен хранителен дефицит, са постигнали ясни показатели за успех [7], интервенционните опити, насочени към един клас хранителни вещества за управление на появата на метаболитни заболявания в общата популация, не са дали окончателни резултати [8,9 ]. Все по-често се осъзнава, че цялостният анализ на това, което се консумира заедно с начина на хранене, вместо да се фокусира върху отделни хранителни вещества, може да бъде по-информативен при формулирането на ефективни диетични препоръки.

Последният напредък в анализа с висока производителност спомогна за по-доброто разбиране на метаболизма и разкри активната роля на хранителните вещества и техните метаболити в регулирането на генната експресия и клетъчната функция. Хранителните вещества и техните метаболити не само служат като градивни елементи на клетъчните структури и като източници на гориво, но също така служат като директни модификатори на белтъчната функция, мощни сигнални молекули, както и индуктори и репресори на генната експресия. Много от тях участват в регулирането на генната експресия чрез директно модулиране на дейностите на транскрипционните фактори и чрез модериране на промените в епигенетичните маркировки в генома. Един от възгледите, който се очертава, е, че оптималната клетъчна хомеостаза е от решаващо значение за поддържането на здравето и избягването на заболявания, причинени от недостиг или излишък на хранителни вещества. В допълнение, вътрешните фактори (напр. Пол, възраст, генни вариации), външни фактори (напр. Храна, ксенобиотици, околна среда), както и взаимодействието гостоприемник/микробиота могат да повлияят на асимилацията, трансформацията и действието както на хранителни, така и на нехранителни вещества компоненти на храната. Този преглед разглежда значението на хранителното разнообразие и енергийната плътност върху клетъчния метаболизъм за здравето и болестите (Фигура 1).

храненето

Фактори, които влияят върху човешкото здраве. A. Връзка между хранителното разнообразие (ND) и енергийната плътност (ED) в еквивалентни размери на порциите и тяхното въздействие върху клетъчния метаболизъм. Б.. Вътрешните фактори (напр. Храна, ксенобиотици, околна среда), вътрешните фактори (напр. Пол, генни вариации, възраст) и взаимодействието гостоприемник-микробиота работят заедно, за да модулират програмата за генна експресия, биологичните процеси и хранителния и енергийния метаболизъм.

Качество на храненето

Хранителният преход се отнася до преминаване на диетата от традиционна към модерна, заедно с увеличаване на заседналото поведение, което се случва заедно с модернизацията. Концепцията за хранителен преход първоначално е предложена от Попкин [20,21], за да демонстрира как икономическите, демографските и епидемиологичните промени взаимодействат с промените в диетичното потребление и енергийните разходи. Интересното е, че някои страни в Източна Азия имат по-ниско разпространение на някои придобити метаболитни синдроми в сравнение с други общества на сравними етапи на хранителен преход [2,5,22]. Това може да се дължи отчасти на запазването на традиционните хранителни режими, които насърчават консумацията на храни с по-широк спектър от хранителни вещества и по-ниска енергийна плътност [23-25]. Причините, които са в основата на несъответствието, са сложни и се простират отвъд химическия състав на храната, като включват социални и икономически проблеми. Въпреки това има доказателства в подкрепа на идеята, че ограничаването на калориите е от полза за дълголетието [26-28], като осигурява подкрепа за потенциалната полза от диетите с ниска енергийна плътност (Фигура 1 А).

Преобладаващото глобално нарастване на развитието на придобити метаболитни синдроми е свързано с хранителен преход [29,30]. Една предложена концепция, която потенциално обяснява патогенезата на тези синдроми, произтича от постоянната модификация на клетъчната функция в отговор на стреса в ендоплазмения ретикулум, митохондриите и други органели, изграждащи клетъчната ретикуларна мрежа [31]. Както недостигът на хранителни вещества (недохранване), така и излишъкът на хранителни вещества (прекомерното хранене) причиняват загуба на хомеостаза на хранителни вещества/енергия и по този начин предизвикват клетъчен стрес. Механизмите за справяне със справянето, като разгънатия механизъм за протеинов отговор [31-33], се активират за разрешаване на стреса. В случай на неадаптивна реакция се активира програмирана клетъчна смърт за отстраняване на неправилно функциониращи клетки. От друга страна, постоянната настройка на клетъчните функции позволява на клетките да се справят дори при продължително излагане на индуктори на стрес. Механизмите за реакция при справяне със стреса първоначално насърчават адаптивни стратегии за възстановяване на хомеостазата в краткосрочен план, но стават патогенни в дългосрочен план поради дългосрочна модификация на клетъчните функции.

Хранителни компоненти

Много метаболитни заболявания, причинени от недостиг на микроелементи, могат да бъдат коригирани чрез възстановяване на липсващите микроелементи в диетата [54,55]. Един от най-важните аспекти на добавките с микроелементи, прилагани към общото население, е предозирането. Някои от тези съединения са мощни модулатори на ядрените рецептори и имат сериозно въздействие върху дейностите на множество метаболитни пътища. Например, дефицитът на витамин А може да доведе до слепота, докато излишъкът му е тератогенен. Витамин D също модулира експресията на много гени, които участват в много пътища [56], а неговият дефицит причинява рахит. Все още не е известно дали е възможно да се предозира с този микроелемент. Прекомерният хранителен прием на минерали може да бъде също толкова вреден, както е илюстрирано от индуцирана от диетата хипертония поради високия прием на натрий [57].

Други метаболити, произведени от метаболитни машини на бозайници, също играят критична роля в метаболизма. Например, холестеролът служи като мембранен компонент, сигнална молекула и предшественик за синтеза на стероидни хормони и жлъчни киселини [58]. Жлъчните киселини помагат за усвояването на хранителните мазнини и разтворимите в липиди съединения, а също така действат като сигнални молекули, модулиращи макронутриентния и енергийния метаболизъм, възпалителните реакции и детоксикацията чрез вътреклетъчни лиганд-активирани ядрени рецептори [59]. Чревните бактерии са способни да метаболизират жлъчните киселини и един от продуктите е вторична жлъчна киселина, наричана урсодезоксихолева киселина. Интересно е да се отбележи, че тази жлъчна киселина и нейното конюгирано производно на таурин могат да облекчат стреса на ендоплазмен ретикулум чрез насърчаване на протеостазата [60] и е доказано, че е ефективен за предотвратяване на сърдечна фиброза [61,62].

Фактори, които влияят върху храненето на човека

Сега е очевидно, че както външните фактори (като храна, ксенобиотици, околна среда), така и вътрешните фактори (като пол, възраст, вариации на гените), поотделно и съвместно, влияят върху метаболизма на хранителните вещества и риска от развитие на различни метаболитни заболявания (Фигура 1 B ). Вътрешните фактори са важни за определяне на ефективността на хранителния метаболизъм и резултатите за здравето, включително физически признаци като фотопериод и температура. Например, редуващият се светлинен/тъмен фотопериод на дневно-нощните цикли е важен за определяне на ендогенни циркадни ритми, които от своя страна са тясно свързани с регулирането на метаболитната активност [72]. Вредните среди, които включват ситуации, които предизвикват отделянето на хормони на стреса, могат да нарушат способността на тялото да усеща и да реагира на метаболитните предизвикателства [73-75]. Вътрешните фактори също насърчават промени в епигенома, които могат да окажат дълготрайно въздействие върху хранителния и енергийния метаболизъм и да допринесат за развитието на метаболитни нарушения в органи като сърцето (например коронарна болест на сърцето) и мозъка (например болестта на Алцхаймер) [76 -78].

Технологии, използвани при изследване на метаболизма и храненето

През последните няколко десетилетия изследването на метаболизма и храненето постепенно се разширява в своята мисия за намиране на начини за облекчаване на глада и подобряване на храненето и здравния статус. С по-доброто разбиране на клетъчния метаболизъм и метаболизма в цялото тяло стана ясно, че оптималното хранене не е просто случай на енергийна адекватност, но и на хранително разнообразие (Фигура 1 А). За справяне със сложните метаболитни нарушения, които произтичат от прекомерното хранене и неоптималното хранене, е необходимо да се прилагат многопроцесорни подходи, като се използват различни експериментални системи, насочени към различни нива на биологична организация (Фигура 2).