В биологии энергетический гомеостаз или гомеостатический контроль энергетического баланса — это биологический процесс , который включает скоординированное гомеостатическое регулирование потребления пищи (приток энергии) и расхода энергии (отток энергии). [1] [2] [3] Человеческий мозг, особенно гипоталамус , играет центральную роль в регулировании энергетического гомеостаза и формировании чувства голода путем интеграции ряда биохимических сигналов, которые передают информацию об энергетическом балансе. [2] [3] [4] Пятьдесят процентов энергии от метаболизма глюкозы немедленно преобразуется в тепло. [5]
Энергетический гомеостаз — важный аспект биоэнергетики .
В США биологическая энергия выражается в единице энергии Калория с заглавной С (т.е. килокалория), которая равна энергии, необходимой для повышения температуры 1 кг воды на 1 °С (около 4,18 кДж ) . [6]
Энергетический баланс посредством биосинтетических реакций можно измерить с помощью следующего уравнения: [1]
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Но энергия может быть преобразована из одной формы энергии в другую. Итак, когда потребляется калория пищевой энергии, в организме происходит один из трех конкретных эффектов: часть этой калории может храниться в виде жира , триглицеридов или гликогена , переноситься в клетки и преобразовываться в химическую энергию в виде аденозинтрифосфат (АТФ – кофермент ) или родственные ему соединения, или рассеивается в виде тепла . [1] [5] [7]
Потребление энергии измеряется количеством калорий, потребляемых из пищи и жидкости. [1] Потребление энергии модулируется голодом, который в первую очередь регулируется гипоталамусом , [1] и выбором, который определяется набором мозговых структур, отвечающих за контроль стимулов (т.е. оперантное обусловливание и классическое обусловливание ) и когнитивные функции. контроль пищевого поведения. [8] [9] Чувство голода частично регулируется действием некоторых пептидных гормонов и нейропептидов (например, инсулина , лептина , грелина ).и нейропептид Y , среди прочего) в гипоталамусе . [1] [10]
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 . Внешняя работа может быть оценена путем измерения уровня физической активности (PAL). [ нужна ссылка ]
Теория заданных значений , впервые представленная в 1953 году, постулировала, что каждый организм имеет заранее запрограммированный фиксированный вес с регулирующими механизмами для компенсации. Эта теория была быстро принята и использовалась для объяснения неудач в разработке эффективных и устойчивых процедур по снижению веса. Систематический обзор многочисленных вмешательств по изменению веса у людей, включая диету , физические упражнения и переедание, проведенный в 2019 году, обнаружил систематические «энергетические ошибки», некомпенсированную потерю или увеличение калорий для всех этих процедур. Это показывает, что организм не может точно компенсировать ошибки в потреблении энергии / калорий, что противоречит гипотезе теории заданных значений и потенциально объясняет как потерю веса, так и увеличение веса, например ожирение.. Этот обзор был проведен по краткосрочным исследованиям, поэтому нельзя исключать такой механизм в долгосрочной перспективе, поскольку в настоящее время отсутствуют доказательства для этого периода времени. [11] [12]
Положительный баланс является результатом того , что потребление энергии превышает потребление энергии при внешней работе и других телесных способах расходования энергии. [ нужна ссылка ]
Основные предотвратимые причины:
Положительный баланс приводит к накоплению энергии в виде жира и/или мышц , что приводит к увеличению веса . Со временем могут развиться избыточный вес и ожирение с последующими осложнениями.
Отрицательный баланс является результатом того, что потребление энергии меньше, чем расходуется на внешнюю работу и другие телесные способы расходования энергии.
Основной причиной является недоедание из-за состояния здоровья, такого как снижение аппетита , нервная анорексия , заболевание пищеварения , или из-за некоторых обстоятельств, таких как голодание или отсутствие доступа к еде. Гипертиреоз также может быть причиной.
Нормальная потребность в энергии и, следовательно, нормальное потребление энергии зависят главным образом от возраста, пола и уровня физической активности (PAL). Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций (ФАО) составила подробный отчет о потребностях человека в энергии. [13] Более старым, но часто используемым и довольно точным методом является уравнение Харриса-Бенедикта .
Тем не менее, в настоящее время продолжаются исследования, чтобы показать, оказывает ли ограничение калорийности ниже нормального положительное влияние, и даже несмотря на то, что они показывают положительные результаты у нечеловекообразных приматов [14] [15] , все еще не ясно, оказывает ли ограничение калорий положительное влияние на продолжительность жизни человека и других приматов. [14] [15] Ограничение калорий можно рассматривать как достижение энергетического баланса при более низком потреблении и расходе, и в этом смысле, как правило, не является энергетическим дисбалансом, за исключением начального дисбаланса, когда снижение расхода еще не соответствует уменьшению. прием.
Были разногласия по поводу сообщений об энергетическом балансе, которые преуменьшают потребление энергии, продвигаемых группами пищевой промышленности. [16]
Орексиновые нейроны 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 плане эмоций. ... Регулирование энергетического баланса включает в себя тонкую координацию приема пищи и расхода энергии. Эксперименты 1940-х и 1950-х годов показали, что поражение латерального гипоталамуса (ЛГ) снижает потребление пищи; следовательно, нормальная роль этой области мозга состоит в том, чтобы стимулировать питание и уменьшать использование энергии. Напротив, поражения медиального гипоталамуса, особенно вентромедиального ядра (VMH), а также PVN и дорсомедиального ядра гипоталамуса (DMH), увеличивают потребление пищи; следовательно, нормальная роль этих областей заключается в подавлении питания и увеличении использования энергии.Тем не менее открытие сложных сетей нейропептидов и других нейротрансмиттеров, действующих в гипоталамусе и других областях мозга для регуляции потребления пищи и расхода энергии, началось в 1994 году с клонирования гена лептина (ob, от ожирения). Действительно, в настоящее время существует взрывной интерес к основным механизмам питания, учитывая масштабы эпидемии ожирения в нашем обществе и увеличение числа жертв расстройств пищевого поведения, нервной анорексии и булимии. К сожалению, несмотря на значительный прогресс в базовой нейробиологии питания, наше понимание этиологии этих состояний и наша способность вмешиваться клинически остаются ограниченными.
Однако у здоровых людей масса тела и содержание жира в организме обычно довольно стабильны во времени
2,3
благодаря биологическому процессу, называемому «энергетическим гомеостазом», который приводит в соответствие потребление энергии с ее расходом в течение длительных периодов времени. Система энергетического гомеостаза включает нейроны медиобазального гипоталамуса и других областей мозга
4 .
которые являются частью нейроцепи, которая регулирует потребление пищи в ответ на ввод гуморальных сигналов, 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 преобладать над гомеостатическим контролем энергетического баланса. Понимание того, как эти цепи взаимодействуют с системой энергетического гомеостаза, имеет фундаментальное значение для понимания контроля потребления пищи и может иметь отношение к патогенезу нарушений на обоих концах спектра массы тела.