Как люди расходуют пищевую органику

Превращение веществ в ходе пищевого метаболизма, происходит путем смены ряда последовательных состояний: полимер ↔ мономер (рис. 1).

Рис. 1. Пища потребляется в форме полимеров, в процессе полостного пищеварения пища гидролизуется до мономеров, депонирование возможно только в форме полимеров, клеточному пищеварению в ходе основного обмена и психофизической активности, доступны только мономеры.

Утилизация депонированной органики для нужд пластического обмена и производства АТФ осуществляется в клетках. Доступными для клеточного метаболизма являются мономеры (глюкоза, аминокислоты (АК), жирные кислоты (ЖК). Окисление мономеров в клетках имеет органную специфику.

В общем объёме энергозатрат выделяют следующие составляющие: основной обмен, термогенез, расходы на физическую и психическую активность. Главные траты пищевых макронутриентов происходят на покрытие потребностей непрерывного процесса основного обмена. На основной обмен у разных групп людей расходуется от 60 до 70 % всех энергозатрат [1, 2, 3]. Подсчитано, что в процессе жизнедеятельности человеческого организма в сутки синтезируется и расходуется 64 кг аденозинтрифосфата (АТФ). Однако, постоянно в клетках человеческого тела присутствует всего лишь 3-4 г адениловых нуклеотидов [4, 5].

Основной обмен (ОО) включает расходы человеческого тела во сне, в спокойном бодрствовании и в активном физическом состоянии на работу сердца, работу легких, работу почек, на метаболизм 1015 клеток. ОО – это та величина, которая определяет плату за само существование человека. ОО у мужчин весом 70 кг определен величиной 65-70 ккал/час, у женщин на 5-10 % меньше [1].

Во всем мире повторяется закономерность наличия большей доли женщин с излишним весом по сравнению с мужчинами. Эта закономерность выявляется и на территории России. Еще в прошлом столетии на примере 15 республик бывшего СССР показано достоверное увеличение процента лиц женского пола с ожирением у взрослых. При этом наблюдается четкая корреляция между числом детей и взрослых с излишним весом независимо от пола и достоверное снижение процента мужчин с излишним весом по сравнению с мальчиками и увеличение процента женщин с излишним весом по сравнению с девочками (рис. 2). Низкое состояние физической активности, низкий основной обмен (1680 ккал в сутки у мужчин и 1530 ккал у женщин) и завышенный уровень питания определяют высокий, по сравнению с мужчинами процент женщин с излишним весом.

Сон является лучшим способом унифицировать состояние людей, для оценки ОО. Даже в спокойном бодрствовании невозможно исключить работу мозга, деятельность которого включает скрытый механизм мышечной активности. Пробуждение и пребывание в постели повышает ОО на 12 ккал/ч (табл. 1) [1]. Очевидно, что показатель расхода энергии во сне является самой объективной мерой оценки ОО.

Таблица 1. Расход энергии при различных видах физической активности у мужчин массой 70 кг

Тощая масса тела включает вес всех органов и тканей тела человека и потребляет большую часть всех расходов на ОО, при этом установлено, что жировая ткань потребляет на ОО значительно меньше энергии на 1 кг веса, чем на 1 кг остальной массы тощего тела: 5,5 ккал/сутки и 22,9 ккал/сутки соответственно [2, 7]. В этой связи суточные энергетические расходы на ОО массы тощего тела и его жировой части становятся объективным показателем позволяющим реализовать в весовых и энергетических единицах правило: потребности в пище пропорциональны весу тела. Очевидно, что величина ОО отражает суммарное количество расходов на массу тощего тела и его жировую часть. В этой связи следует подчеркнуть, что мы имеем количественные показатели расходов на основной обмен в килокалориях на один килограмм веса. Очевидно, что вес тела, а не возраст, объективно отражает индивидуальные потребности в пищевой органике, поэтому вес тела приоритетно возрасту должен служить основой при разработке норм питания (см. далее).

Температура тела человека находится под контролем нервных центров гипоталамуса. Нервные центры контролируют норматив диапазона низких и высоких температур, путем скорости теплопродукции или теплоотдачи. Образование тепла, его сохранение и теплоотдача осуществляются разными механизмами, с участием кровеносной системы, мышечной системы, потоотделения и частоты дыхания. Человеческий организм приспособлен к выделению тепла лучше, чем к его дополнительной выработке. В частности термогенез, связанный с действием белка термогенин осуществляется путем разобщения окислительного фосфорилирования в митохондриях и переключения выработки АТФ на образование тепла. Предпринимаются попытки фармакологической регуляции повышения теплопродукции за счёт триглицеридов (ТГ) [8].

Считается, что на долю термогенеза приходится 5-7 % суточных энергозатрат. По сути дела, расходы на термогенез являются частью расходов на ОО. При охлаждении основной обмен повышается. Температура тела сильно повышается при интенсивной физической нагрузке.

Доля ОО и доля психо-физической активности

Основной обмен совершается независимо от сознания человека. Люди не могут контролировать ОО, который осуществляется непрерывно через фантастическое число метаболических процессов (рис. 3) и независимо от нашего сознания. Человеку доступен только контроль дозы пищевого потребления и контроль расходов на всплески мышечной активности. В мышцах имеются рецепторы к адреналину, поэтому скелетная мускулатура поддается сознательной активности индивидуума. Физическая активность стимулирует гликолиз в мышечных клетках и образование АТФ и активно включает липолиз в адипоцитах. Липолиз гидролизует ТГ жировой ткани, освобождает ЖК которые поступают в кровь и становятся доступными для клеточного метаболизма.

Рис. 3. Метаболические пути эукариотической клетки. Гликолиз и цикл лимонной кислоты выделены красным. Сплошные круги обозначают молекулы, а соединяющие их линии – ферментативные реакции метаболизма [4, 8].

Рис. 4. Эритроциты и мозг потребляют постоянное количество глюкозы в единицу времени. Потребление глюкозы мышцами возрастает во время физической активности [5].

В организме часто сочетаются автоматические процессы ОО и процессы психо-физической активности. К примеру, доля ОО по снабжению кислородом тканей и органов осуществляется на основе постоянного и лимитированного потребления глюкозы  эритроцитами (рис  4).  

1,5 г глюкозы в час – это расходы на ОО, эти расходы остаются постоянными и в покое и во время физической активности. Повышение потребности в кислороде обеспечивается не повышенным потреблением глюкозы, а работой сердечной мышцы, частотой и глубиной дыхания. В покое печень получает около 27 % перекачиваемой крови, почки – 22 %, головной мозг – 14 %, скелетная мускулатура – 15 %. Однако при физической активности мышцы получают 75 % перекачиваемой крови, а частота и глубина дыхания возрастает в 4-5 раз [9, 10]. При этом 265∙106 молекул гемоглобина в каждом эритроците не меняют своего количества, обходятся 1,5 г глюкозы в час и за счет скорости циркуляции крови обеспечивают повышенные потребности тканей кислородом (рис.4). Кратковременная потребность в интенсивном газообмене достигается не изменением ОО в эритроцитах, а скоростью циркуляции крови.

Однако сердечная мышца может изменять величину физической активности в отличие от эритроцитов. Источником энергии для эритроцитов является глюкоза, которая в процессе гликолиза превращается в АТФ. Кардиомиоциты содержат большое количество митохондрий, которых нет в эритроцитах. Митохондрии обеспечивают аэробный метаболизм ЖК для синтеза АТФ в полном объёме цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования, в результате сердечная мышца, во время интенсивной мышечной работы, перекачивает в несколько раз больше крови, чем в спокойном состоянии.

ЖК в рамках основного обмена обеспечивают энергией непрерывные сокращения сердечной мышцы, энергетические потребности печени и непрерывный кругооборот фосфолипидов клеточных мембран. Сердечная мышца содержит много митохондрий, которые занимают больше половины объема клетки и способны окислять ЖК в цикле лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования. Постоянная концентрации ЖК в плазме крови обеспечивает работу сердечной мышцы, которая легко переключается на метаболизм глюкозы в случае повышения концентрации в крови.

Регуляция потребления ЖК устроена так, что ТГ адипоцитов активно гидролизуются только в условиях голода и больших физических нагрузок и низких температур. В мышцах отсутствуют рецепторы к глюкагону и ферменты глюконеогенеза, в мышцах имеются рецепторы к адреналину, поэтому скелетная мускулатура поддается сознательной активности индивидуума.  Избыток пищевой глюкозы, который организм не может превратить в гликоген, в печени и в адипоцитах, через ацетил-КоА, превращается в ЖК. ЖК этерифицируются в ТГ, упаковываются в липопротеиды очень низкой плотности (ЛПОНП) и переносятся в жировую ткань. Излишки пищевых белков гидролизуются до АК, которые в печени расщепляются до ацетил-КоА, превращаются в ЖК которые этерифицируются в ТГ (рис. 5).

Как формируется бытовая гиперфагия. Гиперфагия, как форма пищевого рефлекса потребления пищи выше потребности метаболизма, чаще всего развивается с детства. Высокая корреляция между числом полных детей и числом взрослых с излишней массой тела однозначно позволяет утверждать, что в подавляющем большинстве случаев «толстое» детство переходит в «толстое» взрослое состояние (рис. 2).

В результате, с детства формируется стереотип якобы безвредного и очень полезного неограниченного потребления пищи. Культ еды, растянутый желудок, сдвинутое во времени ощущение сытости, постоянно растущий аппетит и нарастающие объемы потребления пищи формируются с детства.

Первичная причина «семейный культ еды». В семьях, в которых родительский инстинкт реализуется не в воспитании, а в питании, с раннего детства прививается культ еды. Противостоять родительскому напору и уверенности в необходимости и полезности обильного питания невозможно – контроль за перееданием выполняется как главная родительская обязанность.

Рис. 5. Высокий уровень глюкозы крови определяет высокий уровень инсулина, который активирует фермент АСС, катализирующий образование малонил-КоА и последующий синтез ЖК. Малонил-КоА ингибирует карнитин-ацил-транферазу – переносчика ацетил-КоА через митохондриальную мембрану, и участвует в синтезе ЖК, как первый элемент синтеза [8].

Потреблением пищи управляет центр голода и центр насыщения гипоталамуса. Концентрация гормона грелина, в перерывах между приемами пищи, повышается, возбуждается латеральное ядро гипоталамуса и вызывает ощущение голода. С началом приема пищи происходит падение уровня грелина и увеличение инсулина крови (рис. 6).

         Пища растягивает желудок и возбуждает нейроны, передающие сигнал в вентро-медиальное ядро гипоталамуса, который тормозит активность латерального ядра. Процесс полостного пищеварения и всасывания стимулирует секрецию гормонов холецистокинин и глюкагоноподобных пептидов 1 и 2 (ГПП-1,2), которые воздействуют на гипоталамическую систему и снижают чувство голода. При этом ГПП-1 и ГПП-2 стимулируют повторное выделение инсулина ß-клетками, а уровень их максимальной секреции отстает от окончания процедуры приема пищи на 20 минут и на это время сохраняется ощущение голода.

Соотношение глюкагона, инсулина и ГПП во время пищевой гипергликемии приводит концентрацию сахара в крови к нормальному уровню и формирует ощущение сытости в головном мозге (рис. 7).

Рефлекс насыщения, возникающий от сочетанных, последовательных сигналов от нервной и эндокринной системы запаздывает от состояния «полный» живот, подтверждая объективность правила «встать из-за стола с легким ощущением голода».

Таблица 2. Суточные нормы белков, жиров и углеводов в питании американских школьников (в граммах и ккал) [14]

Хорошей иллюстрацией влияния неограниченного потребления пищи на прямую зависимость перехода «толстое» детство в «толстое» взрослое состояние являются нормы потребления пищевой органики школьниками США. Американские власти установили нормы потребления белков, жиров и углеводов в размерах превышающих объемы затрат на основной обмен, на термогенез и на психофизическую активность (табл. 2). При пересчете объемов пищевой органики, употребляемой школьниками США, видно, что энергетические показатели равняются нормам взрослых людей. В частности, американский школьник в возрасте 15-18 лет, получает 3180 килокалорий, что соответствует норме потребления мужчин, относящихся в России к третьей группе физической активности [12].

От неиспользованной пищи организм избавиться не может и должен превратить её в ТГ. В результате Америка становится самым «толстым» государством в мире (рис. 7).   

Кроме гиперфагии, культивируемой родителями с детства, существует вариант гиперфагии, который формируется в зрелом возрасте. После двадцати лет, у людей, происходит снижение тощей массы тела, а к тридцати годам снижение физической активности, что на фоне стабильного материального обеспечения и излишков питания, у мужчин после 35 лет приводит к ежегодному приросту 0,2 – 0,8 кг ТГ [13]. Регулярное нарушение баланса «потребление-расходование» формирует у 20-30 % членов человеческой популяции высокий индекс массы тела (ИМТ) (Рис. 7).

Заключение

Депонирование пищевой органики человеческим организмом, обеспечивает непрерывную потребность жизнедеятельности в условиях периодического приема пищи. Депонированный запас гарантирует состояние гомеостаза. Объемы депонирования углеводов строго контролируются, однако объемы депонированных ТГ могут значительно превышать их резервные потребности. В условиях частого и обильного питания ТГ жировой ткани организмом практически не востребованы, а излишки потребляемых белков липидов и углеводов превращаются в ТГ.

Расходование пищевых веществ, потребляемых человеком, контролируется основным обменом, термогенезом и психофизической активностью. Люди не могут контролировать ОО. ОО обеспечивает само существование человека (газообмен, кровообращение, выделение, клеточный гомеостаз и др.).  Человек может контролировать объемы потребления пищи и включать расходы на всплески мышечной активности – в мышцах есть рецепторы к адреналину. Адреналин стимулирует гликолиз в мышечных клетках и липолиз в адипоцитах. Повышенная физическая активность и голодание – единственные способы, которыми человек может «включать» расходы ТГ.

Расходы на ОО пропорциональны величине массы тощего тела и его жировой части: 22.9 ккал/кг и 4,5 ккал/кг в сутки соответственно. Суточные показатели расходов на ОО, в ккал на кг веса, позволяют объективно точно определять индивидуальные потребности в пищевой органике.

Регуляцию баланса вещества и энергии в человеческом организме, в ходе ОО, осуществляет гормональная система гомеостаза. Система контролирует излишки и недостачу пищевой органики, необходимой для жизнедеятельности. Система не находится в равновесии с окружающей средой. В равновесии с окружающей средой находится наш мозг, который контролирует пищевое потребление и может включать мышечную активность, обеспечивая всплески потребления.

Когда удовлетворены расходы организма на ОО, на термогенез и психо-физическую активность система депонирования, автоматически, без нашего сознательного участия может депонировать ТГ в объемах более половины массы сухого тела. Других способов контроля пищевых излишков в организме просто нет. Все пищевые излишки депонируются в ТГ.