Ответ на голодание

Реакция на голодание у животных (включая человека) представляет собой набор адаптивных биохимических и физиологических изменений, вызванных недостатком пищи или резкой потерей веса, при которых организм пытается сохранить энергию за счет снижения скорости метаболизма и/или затрат энергии без отдыха для продления жизни. выживание и сохранение жировых отложений и мышечной массы.

Эквивалентные или тесно связанные термины включают реакцию на голод , режим голодания , режим голодания , устойчивость к голоданию , толерантность к голоданию , адаптированное голодание , адаптивный термогенез , жировую адаптацию и метаболическую адаптацию .

У людей

Обычно организм реагирует на снижение потребления энергии сжиганием жировых запасов и потреблением мышц и других тканей. В частности, организм сжигает жир после предварительного истощения содержимого пищеварительного тракта вместе с запасами гликогена, хранящихся в клетках печени посредством гликогенолиза , и после значительной потери белка. После длительных периодов голодания организм использует белки мышечной ткани в качестве источника топлива, что приводит к потере мышечной массы.

Величина и состав

Масштаб и состав реакции голодания (т.е. метаболической адаптации) оценивались в ходе исследования 8 человек, проживавших в изоляции в «Биосфере-2» в течение двух лет. Во время изоляции они постепенно потеряли в среднем 15% (диапазон: 9–24%) массы тела из-за суровых условий. После выхода из изоляции восемь изолированных людей сравнили с контрольной группой из 152 человек, которые изначально имели аналогичные физические характеристики. В среднем реакция людей на голодание после изоляции заключалась в сокращении ежедневных общих затрат энергии на 750 килоджоулей (180 килокалорий) . 250 кДж (60 ккал) реакции на голодание объясняли снижением безжировой массы и жировой массы . Дополнительные 270 кДж (65 ккал) были объяснены уменьшением беспокойства . Остальные 230 кДж (55 ккал) были статистически незначимы.

Общий

Энергетические потребности организма состоят из уровня основного обмена (BMR) и уровня физической активности (ERAT, термогенез активности, связанный с физической нагрузкой). Эта потребность в калориях может быть удовлетворена за счет белков, жиров, углеводов или их смеси. Глюкоза является основным метаболическим топливом и может метаболизироваться любой клеткой. Фруктоза и некоторые другие питательные вещества могут метаболизироваться только в печени, где их метаболиты превращаются либо в глюкозу, хранящуюся в виде гликогена в печени и мышцах, либо в жирные кислоты, хранящиеся в жировой ткани.

Из-за гематоэнцефалического барьера человека доставка питательных веществ в мозг особенно зависит от молекул, которые могут преодолеть этот барьер. Сам мозг потребляет около 18% основного метаболизма: при общем суточном потреблении 7500 кДж (1800 ккал) это соответствует 1360 кДж (324 ккал), или примерно 80 г глюкозы. Около 25% общего потребления глюкозы организмом происходит в мозге.

Глюкозу можно получить непосредственно из пищевых сахаров и путем расщепления других углеводов . При отсутствии в рационе сахаров и углеводов глюкоза получается в результате расщепления накопленного гликогена . Гликоген — это легкодоступная форма хранения глюкозы, которая в значительных количествах хранится в печени и скелетных мышцах.

Когда запас гликогена истощен, глюкозу можно получить за счет расщепления жиров из жировой ткани . Жиры расщепляются на глицерин и свободные жирные кислоты, при этом глицерин превращается в глюкозу в печени по пути глюконеогенеза .

Когда даже количество глюкозы, полученной из запасов глицерина, начинает снижаться, печень начинает вырабатывать кетоновые тела . Кетоновые тела представляют собой короткоцепочечные производные свободных жирных кислот, упомянутых в предыдущем абзаце, и могут преодолевать гематоэнцефалический барьер, а это означает, что они могут использоваться мозгом в качестве альтернативного метаболического топлива. Жирные кислоты могут использоваться непосредственно в качестве источника энергии большинством тканей организма, но сами по себе они слишком ионизированы, чтобы преодолевать гематоэнцефалический барьер. .

Хронология

После истощения запасов гликогена и в течение следующих 2–3 дней жирные кислоты являются основным метаболическим топливом. Сначала мозг продолжает использовать глюкозу, потому что, если немозговая ткань использует жирные кислоты в качестве метаболического топлива, использование глюкозы в той же ткани отключается. Таким образом, когда жирные кислоты расщепляются для получения энергии, вся оставшаяся глюкоза становится доступной для использования мозгом.

Через 2 или 3 дня голодания печень начинает синтезировать кетоновые тела из предшественников, полученных в результате распада жирных кислот. Мозг использует эти кетоновые тела в качестве топлива, тем самым сокращая свою потребность в глюкозе. После трехдневного голодания мозг получает 30% энергии из кетоновых тел. Через 4 дня эта цифра возрастает до 75%.

Таким образом, производство кетоновых тел снижает потребность мозга в глюкозе с 80 г в день до примерно 30 г в день. Из оставшихся 30 г потребности 20 г в день может вырабатываться печенью из глицерина (который сам по себе является продуктом расщепления жиров). При этом по-прежнему остается дефицит около 10 г глюкозы в день, который должен поступать из какого-то другого источника. Этот дефицит восполняется посредством глюконеогенеза из аминокислот в результате протеолиза белков организма.

После нескольких дней голодания все клетки организма начинают расщеплять белок . При этом в кровь попадают аминокислоты , которые могут быть преобразованы печенью в глюкозу. Поскольку большая часть мышечной массы человеческого тела состоит из белка, это явление ответственно за истощение мышечной массы, наблюдаемое при голодании .

Однако организм может выборочно решать, какие клетки расщепляют белок, а какие нет. Для синтеза 1 г глюкозы необходимо расщепить около 2–3 г белка; около 20–30 г белка расщепляется каждый день с образованием 10 г глюкозы, необходимой для поддержания жизни мозга. Однако для сохранения белка это число может уменьшаться по мере продолжительности голодания.

Голод наступает тогда, когда жировые запасы полностью истощаются, а белок становится единственным источником топлива, доступным организму. Таким образом, после периодов голодания потеря белка в организме влияет на функцию важных органов и приводит к смерти, даже если еще остаются неиспользованные жировые запасы. (У более худого человека запасы жира истощаются раньше, истощение белков происходит раньше, и, следовательно, смерть наступает раньше.)

Конечной причиной смерти, как правило, является сердечная аритмия или остановка сердца, вызванные деградацией тканей и электролитным дисбалансом.

Было показано, что у людей, страдающих ожирением, в первую очередь может быть истощен белок. Соответственно, прогнозируется, что смерть от голода наступит до того, как будут израсходованы жировые запасы.

Биохимия

Во время голодания менее половины энергии, используемой мозгом, поступает из метаболизированной глюкозы. Поскольку человеческий мозг может использовать кетоновые тела в качестве основных источников топлива, организму не приходится разрушать скелетные мышцы с высокой скоростью, тем самым сохраняя как когнитивные функции , так и подвижность на срок до нескольких недель. Эта реакция чрезвычайно важна в эволюции человека и позволяет людям продолжать эффективно находить пищу даже в условиях длительного голодания.

Первоначально уровень инсулина в кровообращении падает, а уровни глюкагона , адреналина и норадреналина повышаются. В это время происходит активация гликогенолиза , глюконеогенеза , липолиза и кетогенеза . Запасы гликогена в организме расходуются примерно за 24 часа. У нормального взрослого человека весом 70 кг в организме хранится всего около 8000 килоджоулей гликогена (в основном в поперечно-полосатых мышцах ). Организм также участвует в глюконеогенезе, превращая глицерин и глюкогенные аминокислоты в глюкозу для метаболизма. Другой адаптацией является цикл Кори , который включает в себя транспортировку энергии, полученной из липидов глюкозы, в периферические гликолитические ткани, которые, в свою очередь, отправляют лактат обратно в печень для ресинтеза в глюкозу. Благодаря этим процессам уровень глюкозы в крови остается относительно стабильным при длительном голодании.

Однако основным источником энергии при длительном голодании являются триглицериды . По сравнению с 8000 килоджоулями запасенного гликогена, липидное топливо гораздо богаче по энергетическому содержанию, а взрослый человек весом 70 кг хранит более 400 000 килоджоулей триглицеридов (в основном в жировой ткани). Триглицериды расщепляются до жирных кислот посредством липолиза. Адреналин ускоряет липолиз, активируя протеинкиназу А , которая фосфорилирует гормончувствительную липазу (HSL) и перилипин . Эти ферменты вместе с CGI-58 и жировой триглицеридлипазой (ATGL) образуют комплекс на поверхности липидных капель. Совместное действие ATGL и HSL высвобождает первые две жирные кислоты. Клеточная моноацилглицерин липаза (MGL) высвобождает конечную жирную кислоту. Оставшийся глицерин вступает в глюконеогенез.

Жирные кислоты не могут использоваться в качестве прямого источника топлива. Сначала они должны подвергнуться бета-окислению в митохондриях (в основном скелетных мышц, сердечной мышцы и клетках печени). Жирные кислоты транспортируются в митохондрии в виде ацилкарнитина под действием фермента CAT-1. Этот шаг контролирует метаболический поток бета-окисления. Образующийся ацетил-КоА входит в цикл ТСА и подвергается окислительному фосфорилированию с образованием АТФ . Организм вкладывает часть этого АТФ в глюконеогенез для производства большего количества глюкозы.

Триглицериды и длинноцепочечные жирные кислоты слишком гидрофобны, чтобы проникнуть в клетки мозга, поэтому печень должна превращать их в короткоцепочечные жирные кислоты и кетоновые тела посредством кетогенеза . Образующиеся кетоновые тела , ацетоацетат и β-гидроксибутират , являются амфипатическими и могут транспортироваться в мозг (и мышцы) и расщепляться до ацетил-КоА для использования в цикле ТСА. Ацетоацетат спонтанно распадается на ацетон, а ацетон высвобождается через мочу и легкие, образуя «ацетоновое дыхание», которое сопровождает длительное голодание. Мозг также использует глюкозу во время голодания, но большая часть глюкозы в организме распределяется в скелетных мышцах и эритроцитах. Ценой того, что мозг использует слишком много глюкозы, является потеря мышечной массы. Если бы мозг и мышцы полностью полагались на глюкозу, организм потерял бы 50% содержащегося в нем азота за 8–10 дней.

После длительного голодания организм начинает разрушать собственные скелетные мышцы. Для поддержания функционирования мозга глюконеогенез продолжает генерировать глюкозу, но необходимы глюкогенные аминокислоты, в первую очередь аланин. Они происходят из скелетных мышц. На поздних стадиях голодания, когда уровень кетонов в крови достигает 5-7 мМ, использование кетонов в мозге возрастает, а использование кетонов в мышцах падает.

Затем аутофагия происходит ускоренными темпами. При аутофагии клетки поглощают важные молекулы для производства аминокислот для глюконеогенеза . Этот процесс искажает структуру клеток, Частой причиной смерти при голодании является отказ диафрагмы в результате длительной аутофагии.

У бактерий

Бактерии становятся очень толерантными к антибиотикам, когда питательные вещества ограничены. Голодание способствует толерантности к антибиотикам во время инфекции, поскольку питательные вещества становятся ограниченными, когда они изолируются защитными механизмами хозяина и потребляются размножающимися бактериями. Одной из наиболее важных причин толерантности, вызванной голоданием in vivo, является рост биопленок , который возникает при многих хронических инфекциях. Голодание в биопленках обусловлено потреблением питательных веществ клетками, расположенными на периферии кластеров биопленок, и снижением диффузии субстратов через биопленку. Биопленочные бактерии проявляют чрезвычайную толерантность практически ко всем классам антибиотиков, а введение лимитирующих субстратов может восстановить чувствительность.

См. также

• Ограничение калорий
• Голодание (раздел Влияние на здоровье)
• Пост и долголетие
• Синдром возобновления питания

Ресурсы

• Ван, Тобиас; Хунг, Кэрри; Рэндалл, Дэвид (2006). «Сравнительная физиология пищевого голодания: от пиршества до голода». Ежегодный обзор физиологии . 68 (1): 223–251. doi : 10.1146/annurev.phyol.68.040104.105739 . ПМИД   16460272 .
• Генри, CJK (1995). «7: Влияние состава тела на потребности в белке и энергии: некоторые новые идеи» . В PSW Дэвис; Ти Джей Коул (ред.). Техники композиции тела в здоровье и болезни . Издательство Кембриджского университета. стр. 85–99. ISBN  978-0-521-46179-5 .
• Дуллу, Абдул Дж; Жаке, Жан (2001). «Жировоспецифичный контроль термогенеза в регуляции массы тела» . Международный журнал ожирения . 25 : С22–С29. дои : 10.1038/sj.ijo.0801907 . ПМИД   11840210 .
• Дуллу, Абдул Дж; Жаке, Жан (1998). «Адаптивное снижение скорости основного обмена в ответ на лишение пищи у людей: роль сигналов обратной связи от жировых запасов» (PDF) . Американский журнал клинического питания . 68 (3): 599–606. дои : 10.1093/ajcn/68.3.599 . ПМИД   9734736 .
• Макдональд И.А., Уэббер Дж. (март 1995 г.). «Кормление, голодание и голодание: факторы, влияющие на использование топлива» . Проц Нутр Соц . 54 (1): 267–74. дои : 10.1079/pns19950053 . ПМИД   7568259 .
• Элия, М. (декабрь 2000 г.). «Голодная болезнь». Клин Нутр . 19 (6): 379–86. дои : 10.1054/clnu.2000.0157 . ПМИД   11104587 .
• Фелиг П., Марлисс Э.Б., Кэхилл Г.Ф. (февраль 1971 г.). «Метаболический ответ на гормон роста человека при длительном голодании» . Дж. Клин. Инвестируйте . 50 (2): 411–21. дои : 10.1172/JCI106508 . ПМК   291937 . ПМИД   5540176 .
• Уилсон, Делавэр; Зейкус, Р; Чан, ИФ (апрель 1987 г.). «Связь активности липопротеинлипазы органов и кетонурии с гипертриглицеридемией у голодных и вызванных стрептозоцином диабетических крыс». Диабет . 36 (4): 485–90. дои : 10.2337/диабет.36.4.485 . ПМИД   3817303 .
• Суонер, Дж. К.; Коннор, МЫ (август 1975 г.). «Гиперхолестеринемия полного голодания: ее механизм через тканевую мобилизацию холестерина». Американский журнал физиологии . 229 (2): 365–9. дои : 10.1152/ajplegacy.1975.229.2.365 . ПМИД   169705 .