Реймънд Дж. Кронис

1 Thermogenex, Хънтсвил, Алабама.

Дейвид А. Синклер

2 Катедра по генетика, Харвардско медицинско училище, Бостън, Масачузетс.

3 Катедра по фармакология, Факултет по медицински науки, Университетът на Нов Южен Уелс, Сидни, Австралия.

Андрю А. Бремер

4 Катедри по педиатрия и медицина, Университет Вандербилт, Нешвил, Тенеси.

Резюме

Концепцията за „Калория“ възниква през 1800 г. в среда с ограничена наличност на храна, главно като средство за определяне на икономически еквиваленти в енергийната плътност на хранителните субстрати. Скоро след това бяха определени енергийните плътности на основните макронутриенти - мазнини, протеини и въглехидрати. Въпреки това, в рамките на няколко десетилетия от създаването си, „Калорията“ се превърна в търговски инструмент за индустриите за популяризиране на специфични хранителни продукти, независимо от ползата за здравето. Съвременните технологии са променили условията ни на живот и са променили връзката ни с храната от тази на оцеляването до вкуса. Напредъкът в селското стопанство, производството на храни и преработката гарантира, че недостигът на калории е по-малко разпространен от излишъка на калории в съвременния свят. И все пак мнозина все още подхождат към хранителните макронутриенти по редукционистки начин и приемат, че изокалорийните храни са изометаболитни. Тук ние обсъждаме нов начин за разглеждане на основните хранителни макронутриенти и човешката диета в тази ера на прекомерна консумация на калории, заедно с нова връзка между недостига на калории, лекия студен стрес и съня, който може да обясни нарастващото разпространение на хранителни заболявания.

Въведение

През 400 г. пр. Н. Е. Хипократ пише: „Трябва да помислим [дали] храната да се дава веднъж или два пъти на ден, в по-големи или по-малки количества и на интервали. Нещо трябва да се отстъпи на навика, сезона, страната и възрастта. " 1 Двадесет и три века по-късно Уилбър О. Атуотър, водещ диетолог от 19-ти век, пише: „В нашата практика на хранене сме склонни да се влияем твърде много от вкуса [и] диктата на небцето; ние сме склонни да оставим естествения инстинкт да бъде отхвърлен от придобития апетит. Трябва да спазваме диетата си и да регулираме апетита по разум. Правейки това, можем да бъдем много подпомогнати от знанието какво съдържа храната ни и как тя служи за предназначението си в храненето. " 2

Днес се сблъскваме с безпрецедентна пандемия на затлъстяването, която води до драстично нарастване на хроничните заболявания, свързани с възрастта. Всъщност хората с наднормено тегло в световен мащаб сега са повече от недохранените. 3 Освен това информацията относно храненето никога не е била по-обемна или достъпна. Многобройни книги, блогове и насоки предоставят не само препоръки за това как да се храните, но и обсъждат основната биология, подкрепяща техните твърдения. Традиционните учени и лекари, заедно с екип от граждански учени, също се борят сериозно да разберат етиологията на епидемията от затлъстяване и свързаните с нея последици и как може да се обърне нарастването на хроничното прехранване и хранителните заболявания.

„Калорията“

През 1800 г. настъпи фундаментална промяна в отношенията между хората и храната. В исторически план храната просто се възприема като препитание. Но в опит да разберем как храната и въздухът функционират, за да произвеждат работа и топлина, сегашните ни научни представи за храненето и храненето започнаха да се развиват. Лавоазие отхвърля вековната филогистична доктрина в края на 18 век с откритието си за ролята на кислорода в горенето и дишането. В рамките на 50 години неговите общи идеи за въглерод и водородно гориво бяха заменени от предложението на Либих за специфични органични молекули, като нишесте или захари, мазнини и албумин, фибрин и „протеини“. 4 Тези напредъци след това доведоха до обяснението на хилядолетните любопитства на Аристотел и Гален за източника на „вродена топлина“. 5 Към края на 19-ти век се определя калория (технически килокалория или ∼4,2 килоджаула).

Научният напредък, постигнат през 40-те години на ХХ век, бележи началото на съвременната хранителна наука. Храната понастоящем се класифицира като протеини, въглехидрати или мазнини въз основа на макроелементите в повечето случаи, подчертавайки факта, че цялостната храна обикновено съдържа смес от съставки. Храната надхвърляше прехраната и вече имаше обозначение извън глада. През 1875 г., след като работи с немските учени по хранене Карл фон Войт, Макс фон Петтенкофер и Макс Рубнер, Атуотър създава лаборатория в Университета Уеслиан за системна оценка на различните компоненти на храните. Към 1877 г. държавното финансиране за насърчаване на селското стопанство чрез научни изследвания и експерименти достига 5000 долара годишно. През 1887 г. съществуват 16 от тези лаборатории и Конгресът на САЩ доразвива работата, като отпуска по 15 000 долара на всяка държава, която има такова съоръжение; до 1888 г. техните бюджетни кредити нарастват до 1 000 000 annu годишно, като with25% идват от неправителствени дарения. Насърчаването на храната чрез науката за храните се превърна в голям бизнес. 6

В тези лаборатории съотношенията на макроелементите на протеини, въглехидрати и мазнини в над 4000 храни се измерват с калориметрия. Атуотър популяризира хранителната еквивалентност на храната чрез концепцията за калории и макар да запазва общата парадигма протеин плюс гориво, започната от Юстус фон Либиг, той се стреми да нормализира хранителната икономика на храната, като същевременно не прави никакви изявления за здравето. 7 През следващите две десетилетия заинтересованите страни от Министерството на земеделието на САЩ популяризираха хранителни продукти в гладна нация; сега беше известно, че скъпите храни не са непременно по-„питателни“ от по-евтините храни. Например бобът и оризът бяха еднакво, ако не и по-подхранващи, отколкото по-скъпото месо. 8

Протеини, въглехидрати и мазнини

Бизнесът с храни процъфтява по времето на смъртта на Атуотър и последното публикувано издание на неговите Принципи на храненето и хранителната стойност на храната в началото на 1900-те. 9 Маркетингът на храни, базиран на макронутриенти, особено маркетингът, базиран на протеини, беше илюстриран през следващото десетилетие от рекламни кампании за говеждо и пшеница, като всеки от тях твърди, че тяхната най-добра икономическа стойност за протеините. 10 Откриването на витамините през 20-те години на миналия век доведе до нови маркетингови кампании, насочени към рекламиране на полезността на дадена храна въз основа на съдържанието на витамини. Този подход към храната дори е възприет в началото на 20-ти век външната политика на САЩ като икономически инструмент за контрол на храните по време на мир и война. 10,11

Цялата храна обаче просто не отговаря добре на тези етикети. Например, малцина осъзнават, че обикновеният картоф, въпреки че обикновено се счита за въглехидрат, може да бъде важен хранителен източник на протеини. 12 Освен това, възприетото разпространение на протеиновия дефицит и акцентът, който в исторически план е бил даван на ролята на протеина в недохранването на хората, са изяснени в коментара на Доналд С. Макларън от 1974 г. „Голямото протеиново фиаско“. Доказано е, че дори квашиоркорът не се дължи на прост дефицит на протеини, а по-скоро на по-сложна връзка между чревния микробиом и диетата. 14–16

Интересното е, че неотдавнашно проучване, използващо хранителна геометрична рамка и подход на държавно-космическо моделиране, установи, че листноядните (изяждащи листа) планински горили в Уганда дават приоритет на приема на непротеинова енергия (NPE). 17 По-конкретно, беше установено, че приемът на NPE е неизменен през цялата година, докато приемът на протеин е определящ за неговата наличност. Концентрациите на консумиран протеин по отношение на общата енергия, когато листата са основната част от диетата за горилите, са близки до максимално препоръчителните за хората и подобни на диетите за отслабване при хора с високо съдържание на протеини. Като алтернатива, концентрациите на протеин по отношение на общата енергия, когато горилите се хранят с доминирани от плодове диети, са подобни на тези, които обикновено се препоръчват за хората. Горилите живеят в свят, в който недостигът на калории и изобилието се променят в зависимост от сезона. Създадохме среда от повсеместни, евтини и вкусни калории и разработихме социални парадигми, които често се въртят около храната.

Хранителният триъгълник

От средата на 19-ти век храната е концептуализирана и популяризирана като протеин плюс гориво. И по време на недостиг на протеини и калории тази парадигма има смисъл. Тъй като обаче днес съществуват относително малко общества, които страдат от тежък дефицит на протеини и калории, нова парадигма може да бъде полезна.

Нашата версия на хранителния триъгълник (фиг. 1) организира храната, използвайки парадигма за енергийна плътност. Той признава, че незаменимите аминокиселини (т.е. протеините) не ограничават хранителните вещества в нито една пълноценна хранителна диета, която отговаря на ежедневните нужди от енергия. По-скоро растителните или животинските аминокиселини, надвишаващи ежедневните нужди, заедно с въглехидратите и мазнините, се превръщат в гориво. Освен това, тъй като наличието на комбинирани горива в храната създава окислителен приоритет, който влияе върху нечии дихателни коефициенти след хранене (RQ) и метаболизма в покой (RMR), 18,19, може да бъде концептуално по-лесно да ги разделите на базата на източника на гориво от състава на макронутриентите с мнозинство. Тази организация на енергийна плътност допълнително позволява на хората да отговорят на своите нужди от микроелементи (върхът на триъгълника), без да кара прекомерното хранене (долните върхове на триъгълника). Не е изненадващо, че много популярни диетични схеми попадат по една от низходящите страни на този хранителен триъгълник, като често елиминират една или повече групи храни (напр. „Червено“ месо, плодове, млечни продукти, „бели“ нишестета и т.н.).

причина

Един от проблемите на организацията на храните, базирана на макронутриенти, е, че тя легитимира определени храни като еквивалентни и подхранващи като пълноценна храна. Освен това той фокусира потребителите върху често объркващи цели (т.е. яденето на нискогликемични сложни въглехидрати), а не върху прости съобщения (т.е. яжте моркови). Той също така пренебрегва предупрежденията на Атуотър от 19-ти век за придобит апетит и не отчита въздействието на диетата върху чревния микробиом 20–23 и макронутриентите, надвишаващи нуждите им, като същевременно пренебрегва калориите и витамините, минералите и фитонутриентите -богата растителна храна. 24–28

Калории и митохондриална дисфункция

На клетъчно ниво митохондриалният стрес и биоенергетиката са свързани с хроничното преяждане, засягащо цялостните клетъчни редокс вериги. 29–31 Доказано е, че излишъкът от алкохол, аминокиселини с разклонена верига (BCAA), фруктоза и транс-мазнини влияят върху митохондриалната функция и подобряват вътречернодробните мазнини, когато енергията е пълна, 32,33 и въпреки че многобройни проучвания показват, че de novo липогенезата има не допринася значително за затлъстяването само по себе си, 34–39 преобладава общият мит „захарта се превръща в мазнина“, намалявайки фокуса от негативните метаболитни ефекти върху черния дроб.

Метаболитна зима

Сиртуините функционират, за да поддържат хомеостазата и да осигурят оцеляването на организма, когато са изложени на вътрешни или външни смущения и има богата литература, показваща тяхната роля (и) при затлъстяването, метаболитния синдром, диабета, рака, възпалението и сърдечно-съдовите заболявания. 53–59 SIRT1, по-специално, е ключов регулатор на енергийната хомеостаза и метаболизма чрез активиран от пероксизома пролифератор рецептор-гама коактиватор 1α (PGC-1α) 60 и индуцируем от хипоксия фактор 1-α (HIF-1α), 61 всички които са критични медиатори на митохондриалната биогенеза и евентуално отговорни за много от ползите за здравето от диетите и упражненията. Интересното е, че другата основна функция на PGC-1α включва друга характеристика за оцеляване, неотклоняваща се термогенеза, 62 по време на която отделните митохондрии заобикалят производството на аденозин трифосфат (ATP) и вместо това създават топлина чрез активиране на разединяващия протеин 1 (UCP-1). 63 Това е много ефективен механизъм за заместване на незабавната реакция на студ, треперене, с механизъм, който произвежда топлина директно чрез набирането на митохондрии.

Въпреки че всички скелетни мускулни клетки са свързани с адаптивна термогенеза, 64 кафява мастна тъкан (НДНТ) също е ключов играч в метаболизма. Хората се раждат с повече мазнини от всеки друг вид и имат значителни количества НДНТ; но доскоро се смяташе, че е загубена до зряла възраст. 65,66 Нови проучвания показват, че не само възрастните могат да имат значителни количества НДНТ, 67–69, но и че индуцираното от упражнения производство на иризин причинява увеличаване на НДНТ и свързано с това увеличение на енергийните разходи. 70 Тези открития подкрепят схващането, че съвременните хора са еволюирали, за да се справят със сезонно хладни температури (студен стрес) и периодични периоди на недостиг на храна (ограничение на калориите).

Сън и телесна температура

Сегашното ни общество е хронично лишено от сън. Връзките между съня и метаболитната дисфункция могат да бъдат намерени в ранната римска медицина и твърде малко сън е свързан със затлъстяването и много кардиометаболитни заболявания. 71–74 Ранните наблюдения, вариращи от австралийски аборигени до студения климат на скандинавските номадски лапи демонстрират колко приспособими са хората към лек студен стрес по време на сън. 75–77 Адаптиране се случва и за неродни обитатели след многократно излагане. 78 Освен това, до 20-ти век, зимата се характеризира с дълги нощи без изкуствена светлина и като цяло по-хладни условия за сън.

Важно е, че голяма част от същата биология, която позволява адаптация към зимата за по-хладна среда, включително сън, се припокрива с основните метаболитни механизми, участващи в адаптациите към недостига на калории. 79 Например, увеличеният сън в хладна среда и дългите зимни нощи при липса на излишна изкуствена светлина и топлина може да действат синергично, за да насърчат запазването на ценните калории във време на годината, когато те са естествено оскъдни. 80 Мелатонинът, хормон, свързан със съня, действа за понижаване на основната телесна температура, 81–84, а стръмният спад на основната телесна температура е свързан както с началото на съня, така и с неговото качество. За разлика от това, намаленият сън води до нарушен глюкозен толеранс и инсулинова резистентност, 87 повишен апетит чрез промени в нивата на лептин и грелин, 88 и намален разход на енергия. 89 Човек би могъл концептуално да свърже студената, тъмна и неподвижна среда през зимата като естествен баланс с топлата, светла и активна среда на лятото. Много малко от нас сега спят на студ и проучванията дори показват връзка между наддаването на тегло и средната стайна температура. 90

Освен това гените за „дълголетие“ са от основно значение за регулирането на биологичните циркадни ритми, включително тези, които регулират съня, храненето и секрецията на хормони и невротрансмитери. 91,92 Важното е, че нарушенията на вътрешната система на часовника и съня са установени рискови фактори за затлъстяване, захарен диабет и сърдечно-съдови заболявания и са свързани с метаболитна дисфункция. 93–95 Освен това изглежда, че има взаимна връзка между циркадните ритми и метаболизма: Въпреки че циркадният часовник наистина регулира множество метаболитни пътища (включително метаболизма на глюкозата и холестерола), метаболитите и поведението на хранене също могат да регулират циркадния часовник. 96 По този начин, нарушаването на гените, регулиращи циркадните ритми, включително гените на „дълголетието“, самостоятелно или в комбинация с диетични промени в системните метаболити и поведението на храненето, може да лежи в основата на молекулярната връзка между лишаването от сън и променените модели на сън като ротационна смяна работа и кардиометаболитни заболявания.

Сглобяване на всичко

Тези наблюдения не отричат ​​безбройните ползи за здравето от упражненията или не обезсърчават физическата активност, нито предполагат, че значителни промени в начина на живот (включително промени както в приема на енергия, така и в разходите) не могат да повлияят на общото тегло; но увеличаването на времето за упражнения може да не е основен фактор за профилактиката на затлъстяването за широката общественост. Простото увеличаване на активността чрез упражнения при липса на значителна диетична промяна в начина на живот е малко вероятно да има значително въздействие. От друга страна, модификациите на начина на живот, включващи само диета, могат значително да повлияят както на затлъстяването, така и на хроничните заболявания.

Което ни води до пълен кръг по отношение на храната. Хипократ разсъждава върху необходимостта от едно или две хранения на ден и въпреки това сега обществото има тенденция да се храни през целия ден. След хранене в RMR/RQ се наблюдават промени след хранене за поне 4 часа, за да се съберат консумираните калории 102; чак тогава възобновяваме използването на „съхранена“ енергия. Освен това пропускането на хранене не води до намаляване на метаболизма; в действителност, увеличаване на метаболизма се случва през първите 4 дни от гладуването. 103

Хранителната парадигма на протеини плюс гориво, започнала в средата на 19-ти век, промени възприятието за ядене на храна от един начин на прехрана в търсене на специфично хранене. Той популяризира маркетингови кампании, предназначени да популяризират хранителното съдържание на храните, пренебрегвайки потенциала за консумация на излишни калории. В един свят на недостиг на калории стремежът към повсеместни, евтини и вкусни калории беше благородна цел. Проблемът изглежда е, че успяхме да се преборим с недохранването и сега сме изправени пред реалността на хроничното преяждане, като най-добрият съвет за предотвратяване на свързаното с прехранване заболяване е „яжте по-малко, движете се повече“. Може би най-важното хранене за деня не е да се счупим бързо пред затлъстяването, а вместо това да съсредоточим чинията си върху гъсти хранителни вещества, калорично бедни зеленчуци и плодове. Най-малкото трябва да се вслушаме в съветите на Атуотър и да не бъдем „... повлияни прекалено много от вкуса“ или „нека естественият инстинкт бъде преодолян от придобития апетит“.

Заключения

В този преглед обсъдихме нов начин за разглеждане на основните хранителни макронутриенти и как характеризирането на хранителното съдържание на храната в човешката диета може да е причинило неволно прекомерна консумация на калории, заедно с нова връзка между недостига на калории, лекия студен стрес и сън, които са от значение за затлъстяването, метаболитния синдром и диабета. В стремежа си да запазим есето сбито и съсредоточено, умишлено не се обърнахме към всяка болест (т.е. затлъстяване, метаболитен синдром и диабет) поотделно; предстоят обаче последващи прегледи.

Нашият еволюционен път от 7 милиона години беше доминиран от две сезонни предизвикателства - недостиг на калории и лек студен стрес. В последните 0,9 инча от нашата еволюционна миля ги решихме и двамата. Охлаждането и транспортирането са променили коренно храната, до която имаме достъп, и средата, в която живеем. Ние също спим по-малко и сме изложени на значително повече изкуствена светлина, особено през зимните месеци. Затлъстяването и хроничните заболявания се наблюдават най-често при хората и животните (домашните любимци), които поддържат топлина и прехранване. Подобно на циркадния цикъл и подобно на повечето други живи организми, разумно е да вярваме, че ние също реагираме на сезоните и носим със себе си гените за оцеляване през зимата. Може би нашият проблем е, че зимата никога не идва.

Признание

Тази работа получи финансова подкрепа от Националния здравен институт (NIH) безвъзмездна помощ R01 AG028730 на DAS.

Изявление за разкриване на автор

Не съществуват противоречиви финансови интереси.

Съдържанието на тази статия представя възгледите на авторите и не представлява официална позиция на Националния здравен институт или правителството на САЩ.