А. Факторы, определяющие стабильность веса: изменение энергозатрат
Энергетический баланс — понятие динамическое, обеспечивающее относительную стабильность веса тела и запасов жира на протяжении длительного времени. Люди худеют или толстеют не непрерывно, и в определенной временной перспективе вес тела и запасы жира сохраняются относительно постоянными. Это иллюстрируется количественными расчетами. Ежегодно человек потребляет около 1000000 ккал, что намного превышает изменения энергетических запасов организма за это время (менее 10000 ккал), т.е. «ошибка» системы, уравновешивающей потребление и расходование энергии, составляет менее 1%.
Чтобы понять причины относительной стабильности веса тела, следует проделать мысленный эксперимент. Что должно случиться с человеком, если он каждый вечер дополнительно съедает порцию мороженного (500 ккал), не меняя всего остального (физической активности, потребления других пищевых веществ и т.д.). Будет ли он получать лишних 3500 ккал (около 0,45 кг веса и жира) каждую неделю на протяжении оставшейся жизни, т.е. поправится ли он на 227 кг за 10 лет? Очевидно, что нет. Прибавка или потеря веса приводит соответственно к увеличению или снижению общих энергозатрат (ОЭЗ). Хорошо известно, что адаптивные изменения ОЭЗ при прибавке или потере веса значительно превышают те, которых следовало бы ожидать, исходя из стандартного энергетического баланса тканей (независимо от наличия ожирения). Недавние исследования позволяют рассчитать влияние изменений веса на ОЭЗ. При увеличении веса тела на 10% (т.е. на 7-12 кг) примерно 2/3 этой прибавки (5-8 кг) происходит за счет жира и 1/3 (2-4 кг) — за счет безжировой массы тела (БЖМТ). БЖМТ является основной детерминантой энергозаторат в покое (ЭЗП), но влияет и на ОЭЗ. Как правило, ОЭЗ составляют 45-50 ккал на каждый 1 кг БЖМТ, как при ожирении, так и без него. Поэтому при 10% прибавке веса ОЭЗ должны составлять 100-200 ккал в сутки. И наоборот, при 10% потере веса 80% этой потери должно приходиться на жир и 20% (2-3 кг) — на БЖМТ, так что ожидаемое снижение ОЭЗ должно составлять 100-150 ккал в сутки (2-3 кг БЖМТ х50 ккал/кг БЖМТ в сутки).
В действительности, однако, после стабилизации веса, на 10% превышающего исходный, ОЭЗ возрастают намного больше, т.е. не на 100-200, а на 870 кккал/сут. Соответственно меняется зависимость между ОЭЗ и БЖМТ; Доля ОЭЗ, приходящаяся на каждый килограмм БЖМТ, увеличивается с 45-50 до 55-60 ккал/сут. Дополнительный вес увеличивает расходование энергии всеми тканями, а не только той, которая прибавилась. Прирост ЭЗП составляют, по-видимому, лишь незначительную часть (около 150 ккал/сут) прироста ОЭЗ, который происходит в основном (500-700 ккал/сут) за счет изменения активности тканей. И наоборот, сохранение веса на 10% ниже исходного влечет за собой снижение ОЭЗ на 450-550 ккал/сут; каждый 1 кг БЖМТ расходует примерно 40 ккал/сут (см. табл. 11.3). При этом снижение ОЭЗ примерно наполовину определяется уменьшением ЭЗП.
Эти изменения имеют глубокие последствия. Если человек прибавил 12 кг, то ему для поддержания этого веса пришлось бы съедать дополнительно примерно по 850 ккал в сутки. Иначе говоря, если он или она увеличивают свой суточный рацион на 850 ккал, то вес должен возрасти на 12 кг и остановиться на этом, поскольку было бы достигнуто новое равновесия между потреблением калорий и ОЭЗ. Если же человек похудел на 7 кг, то для поддержания своего веса на этом новом уровне он должен был бы ежедневно потреблять на 550 ккал меньше прежнего, и при таком рационе не будет худеть дальше.
Таким образом, увеличение энергозатрат стабилизирует вес в условиях постоянных колебаний потребления калорий. Эти соотношения можно уподобить длинной петле обратной связи. Показано, что низкая величина ЭЗП у молодых индейцев племени Пима является наилучшим предиктором последующей прибавки веса. Смысл этого наблюдения проясняется при сравнении двух сибсов с разными энергозатратами, но потребляющих ежедневно равное количество пищи. Вес тела в случае меньших энергозатрат будет увеличиваться до тех пор, пока ОЭЗ не уравновесят повышенное потребление пищи.
Таким образом, ожирение можно рассматривать как результат восстановления энергетического баланса при повышенном потреблении калорий, а прибавку веса — как своего рода длинную петлю обратной связи, компенсирующей исходно низкие ОЭЗ или возрастание аппетита под влиянием внешних стимулов.
Адаптивные изменения энергозатрат при прибавке и потере веса
Б. Связь между потреблением калорий и энергетическими запасами в организме
Суточное потребление пищи по-разному связано с запасами разных питательных веществ (углеводов, жиров и белков) в организме, и от этой связи во многом зависит выбор источника энергии для тканей (рис. 11.3). Крайне ограниченные запасы углеводов в организме (менее 1000-2000 ккал), как и ряд биохимических данных, указывают на существование системы отслеживания этих запасов и их быстрого восстановления. В большинстве ситуаций единственным источником питания головного мозга является глюкоза. Поскольку в животном организме жир не может превращаться в углеводы, восстановление уровня глюкозы сопряжено с истощением белковых запасов. В периоды голодания, после исчерпания запасов гликогена нейроглюкопении противодействует расходование запасов белка, но даже при избыточном питании, запас углеводов остается ограниченным, так как количество гликогена в печени и других тканях не может превысить определенную величину. С другой стороны, системы быстрого отслеживания запасов жира в организме не существует, и количество калорий, запасаемых в форме жира, может значительно превышать суточные энергетические потребности организма.
Количественные расчеты убедительно подтверждаются экспериментальными данными. Потребление углеводов стимулирует их окисление, а при отсутствии углеводов в диете их окисление в организме замедляется уже через несколько дней. Главную роль играют печень, поджелудочная железа и жировая ткань. Продукция глюкозы печенью тесно связана с запасом гликогена в этом органе. При больших запасах гликогена чувствительность гликогенолиза и глюконеогенеза к угнетающему действию инсулина снижается, а при малых запасах — возрастает. Поэтому увеличение запасов гликогена в печени сопровождается повышенным поступлением глюкозы в кровь.
Сравнение запасов основных питательных веществ с их суточным потреблением у мужчин весом 70 кг (20% жира) и 100 кг (45% жира) при типичной западной диете (40% жира, 45% углеводов, 15% белка, 2400 ккал/сут в первом и 3000 ккал/сут во втором случае). Обратите внимание на разницу шкал
В ответ на это усиливается секреция инсулина поджелудочной железой, что ингибирует липолиз в адипоцитах и, тем самым, увеличивает утилизацию тканями глюкозы, продукция которой из-за инсулинорезистентности печени продолжается. В итоге, даже в постабсорбтивном периоде, окисляется больше глюкозы и меньше жира. Повышенная эндогенная продукция глюкозы или прием экзогенных углеводов стимулирует окисление глюкозы, угнетает окисление жира и ускоряет его накопление. Действительно, у крыс линии Спрэг-Доули, содержащихся на высокоуглеводной диете, именно высокая скорость исходной продукции глюкозы печенью и резистентность печени к ингибирующему эффекту инсулина предвещают развитие ожирения.
В отличие от этого, избыточное потребление жира практически не влияет на выбор энергетического субстрата тканями и не приводит к быстрым гормональным или метаболическим сдвигам. В краткосрочном плане потребляемый жир «невидим» для организма. Не существует метаболических механизмов, обеспечивающих изменение энергозатрат при изменении потребления жира. В результате потребляемый жир может запасаться, не вызывая каких-либо контрегуляторных изменений в окислении тех или иных субстратов. Эти фундаментальные различия между углеводами и жирами объясняют возможность накопления жира, особенно при его повышенном потреблении. В противоположность запасам углеводов, запасы жира не являются объектом жесткой регуляции.
Отсюда следует, что превращение избытка потребляемых углеводов в жир путем стимуляции липогенеза de novo, с количественной точки зрения, не может играть важную роль. В противном случае это должно было бы служить сигналом насыщения углеводами и исключать необходимость их окисления при избыточном поступлении в организм. Специальные исследования показывают, что у человека избыток углеводов не превращается в жир, а лишь подавляет окисление поступающего с диетой жира. В этих условиях дыхательный коэффициент (ДК) увеличивается до 0,98-1,00,
отражая практически полное замещение жира углеводами в качестве энергетического субстрата тканей, что подтверждается изотопными исследованиями. Таким образом, хотя потребление углеводов действительно приводит к накоплению жира, это происходит за счет блокады окисления поступающего с пищей жира, а не за счет превращения углеводов в жир.
Избыточное потребление углеводов увеличивает накопление жира за счет торможения его окисления, а не за счет превращения углеводов в жир. (СНО — углеводы; ЛГ — липогенез de novo; ПГП — продукция глюкозы печенью; оке — окисление; ИНС — инсулин). Вопросительный знак означает некий сигнал избытка СНО в организме (возможно, хотя и не доказано, что таким сигналом является увеличение запаса гликогена в печени)