Резюме

Разбирането на патогенезата на затлъстяването сега е по-важно от всякога, предвид забележителната епидемия в световен мащаб. Тази статия изследва потенциалната роля на температурата на сърцевината в енергийния баланс и развива хипотезата, че базалната температура и промените в температурната реакция в различни ситуации допринасят за повишената метаболитна ефективност на състоянието на затлъстяване. Аргументът се основава на важния принос, който производството на топлина има при установяването на основната или метаболитната скорост в покой, както и на анализ на адаптивната роля, която играят промените в температурата в отговор на предизвикателството на околната среда. Ако тази хипотеза бъде потвърдена, могат да се появят нови терапевтични подходи.

имат

Общо енергийни разходи и уравнение на енергийния баланс

При заседнали хора оценките показват, че физическата активност представлява около 10% от енергийните разходи, докато основната или метаболитна скорост (RMR) представлява около 80%, а адаптивната термогенеза закръглява останалите 10%. Последното се отнася до симпатично медиирано производство на топлина в отговор на студ или диетичен прием. RMR от своя страна има два основни компонента: „основна“ топлина, която представлява около 1/3 от RMR, представлява енергията, необходима за поддържане на клетъчната цялост и йонната среда; вторият компонент на RMR е производството на топлина за хомеотермия, което възлиза на около 2/3 rds от скоростта на метаболизма (1-3). Въпреки че тези оценки са груби и могат да подценят приноса на физическата активност в зависимост от дефиницията за „заседнал“, като цяло те предполагат, че до 50% от енергийните разходи при заседналия човек са посветени на поддържане на постоянна основна температура. Това необикновено наблюдение се потвърждава от факта, че скоростта на метаболизма на мишка е многократно по-висока от тази на гущер със същото тегло (3).

Какво означава това по отношение на енергийния баланс? Помислете за уравнението на енергийния баланс:

Когато приемът е равен на изхода, индивидът е в енергиен баланс и няма промяна в запасите (мазнини). Увеличаването на който и да е от компонентите на енергийните разходи би разширило обхвата на приема, над които би могъл да се поддържа енергийният баланс. Обратно, намаленията в който и да е от изходните компоненти биха намалили обхвата на всмуканията, при които може да се постигне баланс.

Може ли този прост тавтологичен израз да помогне да се разбере настоящата епидемия от затлъстяване и свързаните с него разстройства? Помага ли да се разбере защо хората са наследници на затлъстяването? Има ли нещо повече от затлъстяване от „лакомия и леност“? И ако е така, на какво се основават разликите между слабите и затлъстелите?

Метаболитна ефективност

В този контекст метаболитната ефективност се отнася до индивидуалните разлики в разсейването на калориите като топлина. В класически експеримент с прехранване, включващ двойки близнаци, се забелязва трикратна вариация в наддаването на тегло сред участниците, които консумират допълнително 1000 kcal/ден, 6 дни в седмицата, в продължение на три месеца, като същевременно поддържат заседнал начин на живот и ограничават активността (4). Някои от субектите разсейват почти нито една част от повишените калории, докато други разсейват до 60%. Разликите са по-големи между двойки близнаци, отколкото в двойки двойки, което предполага наследствено разположение на метаболитната ефективност.

За тези, които разсейват излишните калории, може да се каже, че имат по-малко ефективен метаболизъм от тези, които съхраняват приетите калории като мазнини с по-малко разсейване като топлина. Тези с по-ефективен метаболизъм се противопоставят по-добре на глада, но имат предразположение да станат затлъстели, когато са изправени пред изобилие от храна и при наличие на диетичен излишък. Като се има предвид постоянно нарастващото разпространение на затлъстяването в САЩ и по света, разбирането на основата на тези различия в метаболизма е от решаващо значение (5).

Отделения на енергията

Трите основни компонента на енергийните разходи включват: физическа активност, адаптивна или факултативна термогенеза и базална скорост или метаболизъм в покой (RMR).

Физическа дейност.

При заседналия човек целенасоченото и нецелесъобразното движение представляват около 10% от общата енергийна продукция (2). При хората, които са физически активни, активният компонент на енергията е, разбира се, съответно по-голям. При изследването на метаболитната ефективност, описано по-горе, разликите в активността са малко вероятни причини за разликите в наддаването на тегло, посочвайки разликите в метаболитната ефективност като причина за разликите в наддаването на тегло.

Адаптивна (факултативна) термогенеза.

Тъй като SNS е медиаторът на адаптивната термогенеза (потиснат с гладуване, увеличен с прехранване), разумно е да се запитаме дали намалената активност на SNS отчита засилената метаболитна ефективност при затлъстелите. Това е правдоподобно обяснение, тъй като наследствените модели на затлъстяване на гризачи всъщност намаляват симпатиковата активност (11, 12). Прехранените модели на затлъстяване при гризачи обаче, както и при затлъстели хора, са се увеличили, а не намалили симпатиковата активност (13-16). Следователно всяко увреждане на диетичната термогенеза не се дължи на намалена активност на SNS. Възможно е обаче термогенният отговор на стимулацията на SNS да бъде притъпен при затлъстелите. Това би било в съответствие с данните, които предполагат, че диетичната термогенеза може да бъде намалена при затлъстелите.

Базална или метаболитна скорост в покой.

Терминът скорост на метаболизъм в покой обикновено се използва, тъй като предполага по-малко за „базалното“ състояние, отколкото базалната скорост на метаболизма (BMR), въпреки че за практически цели двата термина обикновено се считат за еквивалентни. Както беше отбелязано по-горе, при напълно заседнал човек се смята, че скоростта на метаболизма в покой (RMR) представлява около 80% от общите енергийни разходи (2). Във физически активния RMR може да бъде значително по-малък в зависимост от степента на активност.

RMR (или BMR), от своя страна, се състои от два компонента: основни енергийни разходи и енергията, необходима за хомеотермията. Първият се отнася до енергията, използвана за поддържане на клетъчната структура и функция, включително обмен на протеини, йонни градиенти (калций, натрий) и други подобни. Последното е метаболитната цена за поддържане на основната температура на приблизително 37 градуса С. Изчислено е, че цената на хомеотермията е около 2/3 от BMR (2). Това съответства на добре признатото наблюдение, отбелязано по-горе, че скоростта на метаболизма на мишка е 8 до 10 пъти по-голяма от тази на гущер със същото телесно тегло (3); тъй като компонентите на основните енергийни разходи трябва да бъдат сходни както при пойкилотермите, така и при хомеотермите, ясният извод е, че поддържането на по-висока температура е причина за повишената скорост на метаболизма. Ако RMR е 80% от общия разход на енергия, тогава приблизително 50% от общата енергия се изразходва за поддържане на хомеотермията. RMR се генерира от митохондриален метаболизъм, регулиран от хормоните на щитовидната жлеза с незначителен принос от SNS.

Скорост на метаболизма при затлъстяване

Въпреки убедителните доказателства за термогенен хендикап при затлъстелите, не е налице ясна демонстрация на свързаните с теглото разлики в метаболитната ефективност. Вероятно обяснение за неуспеха да се демонстрират окончателно разликите в енергийните разходи при директни сравнения между слаби и затлъстели включва факторинг за размера на тялото. Разходът на енергия се измерва чрез консумация на кислород и това изисква нормализиране на масата на метаболизиращата тъкан. Тази загадка - как да сравним човек с тегло 150 кг със човек с тегло 70 кг - никога не е била разрешена успешно. Факторингът на телесната повърхност или чистата телесна маса (обичайният метод) има както теоретични, така и практически ограничения (17). Грешката при измерването при определяне на чиста телесна маса например е достатъчно голяма, за да заличи физиологично важна разлика в консумацията на кислород. Основната температура, от друга страна, може да бъде измерена прецизно и е независима от размера на тялото, като по този начин се избягва тази загадка.

Случаят за температура на сърцевината

Пет точки показват потенциалното значение на по-ниската температура на сърцевината като фактор за повишената енергийна ефективност, свързана със затлъстяването:

Значителен принос към RMR.

Поддържането на температура на сърцевината от 37 градуса С е основният фактор за генериране на RMR. До 50% от общия разход на енергия може да се дължи на хомеотермия при наистина заседнали хора.

Ефект на температурата върху скоростта на метаболизма.

От началото на 20-ти век е известно, че повишаването на температурата е свързано с повишаване на скоростта на метаболизма. Повишаването на температурата с всеки градус С е свързано с 10-13% нарастване на потреблението на кислород (18). Самото повишаване на температурата е отговорно за ускоряване на метаболизма.

Скоростта на метаболизма и основната температура варират сред индивидите и при различни популации.

Има обратна връзка между средната годишна температура на околната среда и RMR в различните географски региони. RMR е по-висок в арктическите климати и по-нисък в тропиците (19–22). Освен това е известно, че RMR варира сред индивидите с до 600 Kcal на ден (3).

Падането на температурата е физиологична адаптация към намаления енергиен прием.

Като се има предвид количественото значение на поддържането на температурата в общия разход на енергия, не би трябвало да е изненадващо, че спадът на температурата е част от адаптивния отговор на лишаването от енергия. По време на гладуване както изходящата енергия, така и спадът на температурата (10, 23) Хипогликемията, остро състояние на лишаване от енергия, също е свързана с хипотермия (24-26). Последните проучвания също показват, че Fibroblast Growth Factor 21, лиганд, генериран в черния дроб под регулацията на активирания от пероксизома пролифератор рецептор α (PPARα), медиира липидната мобилизация по време на гладуване и предизвиква понижаване на температурата (плитка изпареност) при мишки (27) . Всички наблюдения показват, че по-ниската температура е важна част от метаболитния отговор на намаления енергиен прием.

Предимство в животинския свят.

Генетично затлъстелите гризачи (ob/ob мишки, fa/fa плъхове) имат по-ниски температури от постните контролни животни (28–31). Хибернацията и по-малкото състояние на плитка изпареност, които се използват от много видове бозайници, са свързани със значително спадане на температурата в сърцевината (32, 33). Някои местни човешки популации също претърпяват ужас, което е преувеличение на нормалния спад на основната температура по време на нощния сън (34).

Потенциално въздействие на температурата върху метаболитната ефективност

Температурата може да е свързана с повишаване на метаболитната ефективност по следните начини: зададена по-ниска температура на основната температура; по-голямо нощно спадане на температурата; по-малко повишаване на температурата по време на тренировка; по-малко повишаване на температурата след хранене; и по-голямо спадане на температурата по време на гладуване или намален енергиен прием, както при терапевтичната диета. Някои проучвания при хора предполагат по-ниска телесна температура при затлъстелите, но други не (35–37).

Количествено значение.

Интерес представляват някои груби оценки на въздействието на температурата върху енергийния баланс. Положителният калориен баланс от 3500–4000 Kcal води до отлагане на половин килограм мазнини. Изминаването на една миля изгаря около 100 ккал. Увеличението на температурата в сърцевината с една степен С чрез увеличаване на метаболизма с 10–13% би довело до увеличаване на разхода на калории от 100 до 130 Kcal/ден, като се приеме прием на калории от 2000 Kcal/ден и ако се приеме, че температурата отчита 50% от общото производство на енергия. Това би увеличило диапазона на диетичния прием, през който човек може да поддържа енергиен баланс със съответно количество. Обратно, една градус С по-ниска температура би наложила термогенен недостатък от 100–130 Kcal/ден, което може да възлезе на 3000–4000 kcal на месец или един килограм мазнина. Тези изчисления са приблизителни приблизителни, но те служат, за да покажат, че по-ниските температури могат да допринесат значително за метаболитната ефективност. Следователно температурата може да бъде компонент на пестеливия метаболитен фенотип.

Резюме: Основна температура и патогенеза на затлъстяването

„Лакомията и леността“, поради яденето и липсата на физически упражнения, очевидно играят важна роля в генезиса на затлъстяването. Но решителната демонстрация, че индивидите се различават в метаболитната ефективност, показва, че играят роля и други фактори. Обобщените тук доказателства сочат, че по-ниската температура на сърцевината при затлъстелите може да е един такъв фактор. Изследванията на телесната температура при затлъстели при различни обстоятелства (упражнения, сън, след хранене) са осъществими и могат да разкрият важни разлики между слабите и затлъстелите. Ако това се окаже така, може да се появи нова терапевтична цел, телесна температура.

Бележки под линия

Потенциален конфликт на интереси: Не се разкрива.

ДИСКУСИЯ

Люк, Синсинати: Феохромоцитозите и тиреотоксикозата причиняват по-високи температури. Това свързано ли е с това?

Ландсберг, Чикаго: Е, и двамата имат значително увеличение на метаболизма по различни механизми, често в зависимост от температурата на сърцевината, но това не е изключително от температурата на сърцевината, защото те се потят много; и така защитават температурата си, но имат много увеличено производство на енергия.

Чапман, Джаксън: Телесните температури обикновено са по-ниски при пациенти с бъбречна недостатъчност, уремична. Имало ли е проучвания за наддаване на тегло, което се случва при уремия?

Ландсберг, Чикаго: Това е добра точка. Не съм наясно с такива. Може би някои от нефролозите знаят.

Бойер, Ню Хейвън: Интересна беседа, Леу. Има някои скорошни вълнуващи данни от Франция, които показват, че жлъчните киселини влияят на термогенезата, мисля, че чрез някакъв начин за регулиране на щитовидната жлеза. Това би могло да обясни може би ефектите на гладно хранене, тъй като при гладуване жлъчните киселини ще останат в жлъчния мехур, вместо да се циркулират; и може също да обясни усложненията от терапията с урсодезоксихолевата киселина, където увеличаването на теглото е една от хидрофобността на жлъчката, която намалява. Бихте ли коментирали тази възможност?

Ландсберг, Чикаго: Това е интересно нещо, което да се преследва. Не знаем какво е в основата на тези промени. Подозирам, че тиреоидният хормон е от голямо значение и че митохондриалният метаболизъм, регулиран от щитовидната жлеза, в клетките в тялото е подходящ да бъде важен.

Бойер, Ню Хейвън: Може би промените в ентерохепаталната циркулация на жлъчната киселина може да играят роля тук чрез мишена за терапия.

Хохберг, Балтимор: Така че една от популациите, която има тази метаболитна ефективност и е била широко проучена, са индианците Пима на югозапад, особено в Аризона, и има много данни чрез NIDDK от тяхната изследователска станция. Знаете ли дали някой някога е гледал телесната температура от тази група?

Ландсберг, Чикаго: Това е единствената група, на която се гледа по този начин и те имат два доклада за температурата в затлъстелия Пимас. Един съобщава, че е увеличен, а друг съобщава, че е намален. Зависи как гледате на него. Така че мисля, че имаме нужда от допълнителни проучвания.