Энергетический гомеостаз
В биологии энергетический гомеостаз , или гомеостатический контроль энергетического баланса , — это биологический процесс , включающий скоординированную гомеостатическую регуляцию поступления пищи (притока энергии) и расхода энергии (оттока энергии). [1] [2] [3] Человеческий мозг, особенно гипоталамус , играет центральную роль в регулировании энергетического гомеостаза и формировании чувства голода путем интеграции ряда биохимических сигналов, передающих информацию об энергетическом балансе. [2] [3] [4] Пятьдесят процентов энергии метаболизма глюкозы немедленно преобразуется в тепло. [5]
Энергетический гомеостаз — важный аспект биоэнергетики .
Определение
[ редактировать ]В США биологическая энергия выражается с использованием энергетической единицы калории с большой буквы (т.е. килокалории), которая равна энергии, необходимой для повышения температуры 1 килограмма воды на 1 °C (около 4,18 кДж ) . [6]
Энергетический баланс посредством реакций биосинтеза можно измерить с помощью следующего уравнения: [1]
- Потребление энергии (из пищи и жидкости) = Затраченная энергия (за счет работы и выделения тепла) + Изменение запасенной энергии ( отложение жира и гликогена )
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Но энергия может быть преобразована из одной формы энергии в другую. Таким образом, когда потребляется калория пищевой энергии, в организме происходит один из трех конкретных эффектов: часть этой калории может храниться в виде жировых отложений , триглицеридов или гликогена , передаваться в клетки и превращаться в химическую энергию в виде аденозинтрифосфат (АТФ – кофермент ) или родственные соединения или рассеиваются в виде тепла . [1] [5] [7]
Энергия
[ редактировать ]Впуск
[ редактировать ]Потребление энергии измеряется количеством калорий, потребляемых с пищей и жидкостью. [1] Потребление энергии модулируется голодом, который в первую очередь регулируется гипоталамусом . [1] и выбор, который определяется набором структур мозга, которые отвечают за контроль стимулов (т. е. оперантное обусловливание и классическое обусловливание ) и когнитивный контроль пищевого поведения. [8] [9] Голод частично регулируется действием определенных пептидных гормонов и нейропептидов (например, инсулина , лептина , грелина и нейропептида Y ) в гипоталамусе . [1] [10]
Расходы
[ редактировать ]Затраты энергии в основном представляют собой сумму произведенного внутреннего тепла и внешней работы. Вырабатываемое внутреннее тепло, в свою очередь, в основном представляет собой сумму основного обмена (BMR) и термического эффекта пищи . Внешнюю работу можно оценить путем измерения уровня физической активности (PAL). [ нужна ссылка ]
Дисбаланс
[ редактировать ]Теория заданного значения , впервые представленная в 1953 году, постулировала, что каждое тело имеет заранее запрограммированный фиксированный вес с регулирующими механизмами для его компенсации. Эта теория была быстро принята и использована для объяснения неудач в разработке эффективных и устойчивых процедур по снижению веса. Систематический обзор множественных вмешательств по изменению веса на людях, включая диету , физические упражнения и переедание, проведенный в 2019 году, выявил систематические «энергетические ошибки», то есть некомпенсированную потерю или набор калорий, для всех этих процедур. Это показывает, что организм не может точно компенсировать ошибки в потреблении энергии/калорий, что противоречит гипотезе теории заданного значения и потенциально объясняет как потерю веса , так и его увеличение, например, ожирение . Этот обзор проводился на основе краткосрочных исследований, поэтому нельзя исключать такой механизм в долгосрочной перспективе, поскольку в настоящее время отсутствуют доказательства по этому временному интервалу. [11] [12]
Положительный баланс
[ редактировать ]Положительный баланс является результатом того, что потребление энергии превышает то , что расходуется на внешнюю работу и другие телесные способы расходования энергии. [ нужна ссылка ]
Основными предотвратимыми причинами являются:
- Переедание , приводящее к увеличению потребления энергии
- Сидячий образ жизни , приводящий к снижению затрат энергии за счет внешней работы.
Положительный баланс приводит к тому, что энергия сохраняется в виде жира и/или мышц , что приводит к увеличению веса . Со временем может развиться избыточный вес и ожирение , что приведет к осложнениям.
Отрицательный баланс
[ редактировать ]Отрицательный баланс возникает в результате того, что потребление энергии меньше, чем расходуется на внешнюю работу и другие телесные способы расходования энергии.
Основной причиной является недоедание из-за таких заболеваний, как снижение аппетита , нервная анорексия , заболевания органов пищеварения , или из-за некоторых обстоятельств, таких как голодание или отсутствие доступа к пище. гипертиреоз Причиной также может быть .
Требование
[ редактировать ]Нормальная потребность в энергии и, следовательно, нормальное потребление энергии зависит главным образом от возраста, пола и уровня физической активности (PAL). Продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО) Объединенных Наций составила подробный отчет о потребностях человека в энергии. [13] Более старый, но часто используемый и довольно точный метод — уравнение Харриса-Бенедикта .
Тем не менее, в настоящее время продолжаются исследования, чтобы показать, имеет ли ограничение калорий ниже нормальных значений положительный эффект, даже несмотря на то, что они показывают положительные результаты у приматов, не являющихся людьми. [14] [15] до сих пор неясно, оказывает ли ограничение калорий положительное влияние на продолжительность жизни людей и других приматов. [14] [15] Ограничение калорий можно рассматривать как достижение энергетического баланса при более низком потреблении и расходе, и в этом смысле оно обычно не является энергетическим дисбалансом, за исключением первоначального дисбаланса, когда снижение расходов еще не соответствует уменьшению потребления.
Общество и культура
[ редактировать ]Были разногласия по поводу сообщений об энергетическом балансе, которые преуменьшают потребление энергии, пропагандируемых группами пищевой промышленности. [16]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Фрейн К.Н. (2013). «Глава 11: Энергетический баланс и регулирование массы тела» . Метаболическая регуляция: человеческий взгляд (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. стр. 329–349. ISBN 9781118685334 . Проверено 9 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Маленка Р.К., Нестлер Э.Дж., Хайман С.Е. (2009). Сидор А., Браун Р.Ю. (ред.). Молекулярная нейрофармакология: фонд клинической неврологии (2-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill Medical. стр. 179, 262–263. ISBN 9780071481274 .
Нейроны орексина регулируются периферическими медиаторами, несущими информацию об энергетическом балансе, включая глюкозу, лептин и грелин. ... Соответственно, орексин играет роль в регуляции энергетического гомеостаза, вознаграждения и, возможно, в более общем смысле, в эмоциях. ...Регулирование энергетического баланса предполагает тонкую координацию приема пищи и расхода энергии. Эксперименты 1940-х и 1950-х годов показали, что поражения латерального гипоталамуса (ЛГ) снижают потребление пищи; следовательно, нормальная роль этой области мозга — стимулировать питание и снижать использование энергии. Напротив, поражения медиального гипоталамуса, особенно вентромедиального ядра (ВМГ), а также ПВЯ и дорсомедиального ядра гипоталамуса (ДМГ), приводят к увеличению потребления пищи; следовательно, нормальная роль этих регионов — подавление питания и увеличение использования энергии. Однако открытие сложных сетей нейропептидов и других нейротрансмиттеров, действующих в гипоталамусе и других областях мозга и регулирующих потребление пищи и расход энергии, началось всерьез в 1994 году с клонирования гена лептина (ob, от ожирения). Действительно, сейчас наблюдается взрывной интерес к основным механизмам питания, учитывая эпидемические масштабы ожирения в нашем обществе и рост числа расстройств пищевого поведения, нервной анорексии и булимии. К сожалению, несмотря на значительные достижения в основах нейробиологии питания, наше понимание этиологии этих состояний и наша способность вмешиваться клинически остаются ограниченными.
- ^ Jump up to: а б Мортон Г.Дж., Мик Т.Х., Шварц М.В. (2014). «Нейробиология приема пищи в норме и болезни» . Нат. Преподобный Нейроски . 15 (6): 367–378. дои : 10.1038/nrn3745 . ПМК 4076116 . ПМИД 24840801 .
Однако у нормальных людей масса тела и содержание жира в организме обычно довольно стабильны с течением времени. 2,3 благодаря биологическому процессу, называемому «энергетическим гомеостазом», который приводит в соответствие потребление энергии с расходом в течение длительных периодов времени. Система энергетического гомеостаза включает нейроны медиобазального гипоталамуса и других областей мозга. 4 которые являются частью нейросхемы, которая регулирует потребление пищи в ответ на гуморальные сигналы, которые циркулируют в концентрациях, пропорциональных содержанию жира в организме. 4-6 . ... Новая концепция в нейробиологии приема пищи заключается в том, что существуют нейроцепи, которые обычно ингибируются, но при активации в ответ на возникающие или стрессовые стимулы они могут игнорировать гомеостатический контроль энергетического баланса. Понимание того, как эти цепи взаимодействуют с системой энергетического гомеостаза, имеет фундаментальное значение для понимания контроля потребления пищи и может влиять на патогенез нарушений на обоих концах спектра массы тела.
- ^ Фарр О.М., Ли К.С., Манцорос К.С. (2016). «Регуляция питания центральной нервной системой: данные визуализации человеческого мозга» . Метаб. Клин. Эксп . 65 (5): 699–713. дои : 10.1016/j.metabol.2016.02.002 . ПМЦ 4834455 . ПМИД 27085777 .
- ^ Jump up to: а б Кевин Г. Мерфи и Стивен Р. Блум (14 декабря 2006 г.). «Кишечные гормоны и регуляция энергетического гомеостаза». Природа . 444 (7121): 854–859. Бибкод : 2006Natur.444..854M . дои : 10.1038/nature05484 . ПМИД 17167473 . S2CID 1120344 .
- ^ Дэвид Холлидей, Роберт Резник, Джерл Уокер, Основы физики, 9-е издание, John Wiley & Sons, Inc., 2011, стр. 485
- ^ Филд Дж.Б. (1989). «Физические упражнения и недостаточное хранение и потребление углеводов как причины гипогликемии». Эндокринол. Метаб. Клин. Северный Ам . 18 (1): 155–161. дои : 10.1016/S0889-8529(18)30394-3 . ПМИД 2645124 .
- ^ Зиауддин Х., Алонсо-Алонсо М., Хилл Дж.О., Келли М., Хан Н.А. (2015). «Ожирение и нейрокогнитивная основа пищевого вознаграждения и контроля за потреблением» . Адв Нутр . 6 (4): 474–86. дои : 10.3945/ан.115.008268 . ПМЦ 4496739 . ПМИД 26178031 .
- ^ Вайнгартен Х.П. (1985). «Стимулирующий контроль еды: последствия для двухфакторной теории голода». Аппетит . 6 (4): 387–401. дои : 10.1016/S0195-6663(85)80006-4 . ПМИД 3911890 . S2CID 21137202 .
- ^ Клок М.Д., Якобсдоттир С., Дрент М.Л. (январь 2007 г.). «Роль лептина и грелина в регуляции приема пищи и массы тела у человека: обзор» . Обес преп . 8 (1): 21–34. дои : 10.1111/j.1467-789X.2006.00270.x . ПМИД 17212793 . S2CID 24266123 .
- ^ Левицкий Д.А.; Сьюэлл, А; Чжун, Ю; Барре, Л; Шоен, С; Агаронник, Н; Леклер, JL; Чжо, Вт; Пакановский, К. (1 февраля 2019 г.). «Количественная оценка неточности потребления энергии людьми для компенсации навязанных энергетических ошибок: проблема физиологического контроля потребления пищи человеком». Аппетит . 133 : 337–343. дои : 10.1016/j.appet.2018.11.017 . ПМИД 30476522 . S2CID 53712116 .
- ^ Харрис, РБ (декабрь 1990 г.). «Роль теории заданных значений в регулировании массы тела» . Журнал ФАСЭБ . 4 (15): 3310–8. дои : 10.1096/fasebj.4.15.2253845 . ПМИД 2253845 . S2CID 21297643 .
- ^ Энергетические потребности человека (Рим, 17–24 октября 2001 г.)
- ^ Jump up to: а б Андерсон Р.М., Шанмуганаягам Д., Вайндрух Р. (2009). «Ограничение калорий и старение: исследования на мышах и обезьянах» . Токсикол Патол . 37 (1): 47–51. дои : 10.1177/0192623308329476 . ПМЦ 3734859 . ПМИД 19075044 .
- ^ Jump up to: а б Реззи С., Мартин Ф.П., Шанмуганаягам Д., Колман Р.Дж., Николсон Дж.К., Вайндрух Р. (май 2009 г.). «Метаболические сдвиги из-за длительного ограничения калорий, выявленные у приматов» . Эксп. Геронтол . 44 (5): 356–62. дои : 10.1016/j.exger.2009.02.008 . ПМЦ 2822382 . ПМИД 19264119 .
- ^ О'Коннор, Анахад (9 августа 2015 г.). «Coca-Cola финансирует ученых, которые снимают вину за ожирение с плохих диет» . Хорошо . Проверено 24 марта 2018 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Схема регуляции запасов жира и голода [1]
- Калькулятор суточной потребности в энергии
