A tápanyagok és a tápanyagok anyagcseréjének jelentősége az emberi egészség szempontjából

Yiheng Chen

az emberi táplálkozás iskolája, McGill Egyetem, Ste. Anne de Bellevue, QC, Kanada

Marek Michalak

b Biokémiai Tanszék, Alberta Egyetem, Edmonton, AB, Kanada

Luis B. Agellon

az emberi táplálkozás iskolája, McGill Egyetem, Ste. Anne de Bellevue, QC, Kanada

Absztrakt

Bevezetés

Az elmúlt néhány évtizedben a világ számos országában tapasztalható a szerzett metabolikus szindrómák, különösen az elhízás, a cukorbetegség, a zsírmájbetegség és a szív- és érrendszeri betegségek növekvő gyakorisága [1–4]. Az utóbbi években a felfelé mutató trend különösen szembetűnő azokban a fejlődő országokban, ahol az étrend és az életmód változása kíséri a modernizációt [1,5]. A változó táplálkozási gyakorlatok által okozott növekvő közegészségügyi szövődmények leküzdésére az egészségügyi szervezetek táplálkozási ajánlásokat nyújtottak be [6]. Míg az egyetlen tápanyaghiányos esetek kezelésére tervezett korábbi beavatkozások egyértelmű sikermutatókat értek el [7], addig az intervenciós kísérletek, amelyek egyetlen tápanyagcsoportot céloznak meg a metabolikus betegségek megjelenésének kezelése érdekében az általános populációban, nem hoztak végleges eredményt [8,9 ]. Egyre inkább ráébredünk arra, hogy az elfogyasztottak átfogó elemzése az étkezési szokásokkal együtt, ahelyett, hogy egyetlen tápanyagra összpontosítana, informatívabb lehet a hatékony táplálkozási ajánlások megfogalmazásában.

A nagy áteresztőképességű elemzés legújabb fejleményei elősegítették az anyagcsere jobb megértését, és feltárták a tápanyagok és metabolitjaik aktív szerepét a génexpresszió és a sejtműködés szabályozásában. A tápanyagok és metabolitjaik nemcsak a sejtstruktúrák építőelemeiként és üzemanyagforrásokként szolgálnak, hanem a fehérje működésének közvetlen módosítóiként, erős jelátviteli molekulákként, valamint a génexpresszió induktoraként és elnyomóiként is. Közülük sokan részt vesznek a génexpresszió szabályozásában azáltal, hogy közvetlenül modulálják a transzkripciós faktorok aktivitását és mérsékelik a genomban az epigenetikus jelölések változását. Az egyik felmerülő nézet az, hogy az optimális sejtes homeosztázis elengedhetetlen az egészség megőrzéséhez és a tápanyaghiány vagy a felesleg okozta betegségek elkerülése érdekében. Ezenkívül a belső tényezők (pl. Nem, életkor, génvariációk), külső tényezők (pl. Étel, xenobiotikumok, környezet), valamint a gazda/mikrobiota kölcsönhatás befolyásolhatják mind a tápanyagok, mind a nem tápanyagok asszimilációját, átalakulását és működését az élelmiszer összetevői. Ez a felülvizsgálat figyelembe veszi a tápanyagok sokféleségének és az energiasűrűségnek a sejtek anyagcseréjére gyakorolt jelentőségét az egészség és a betegségek szempontjából (1. ábra).

Az emberi egészséget befolyásoló tényezők. A. A tápanyag-sokféleség (ND) és az energiasűrűség (ED) kapcsolata egyenlő adagméretekben, és ezek hatása a sejtanyagcserére. B. A külső tényezők (pl. Táplálék, xenobiotikumok, környezet), a belső tényezők (pl. Nem, génvariációk, életkor) és a gazda-mikrobiota kölcsönhatás együtt működnek a génexpressziós program, a biológiai folyamatok, valamint a tápanyagok és az energia-anyagcsere modulálásában.

A táplálék minősége

A táplálkozási átmenet az étrend áttérésére utal a hagyományosról a modernre, valamint a mozgásszegény viselkedés növekedésével, amely a modernizációval összefüggésben fordul elő. A táplálkozási átmenet koncepcióját eredetileg Popkin [20,21] javasolta annak bemutatására, hogy a gazdasági, demográfiai és epidemiológiai változások hogyan hatnak az étrendi fogyasztás és az energiafogyasztás változására. Érdekes módon Kelet-Ázsia egyes országaiban alacsonyabb a bizonyos szerzett metabolikus szindrómák előfordulási gyakorisága a táplálkozási átmenet hasonló szakaszában lévő más társadalmakhoz képest [2,5, 22]. Ennek oka részben a hagyományos táplálkozási szokások megtartása lehet, amelyek elősegítik a tápanyagok szélesebb körével és alacsonyabb energiasűrűségű ételek fogyasztását [23-25]. Az eltérés okai azonban összetettek, és túlmutatnak az élelmiszer kémiai összetételén, társadalmi és gazdasági kérdéseket is felölelve. Mindazonáltal vannak bizonyítékok, amelyek alátámasztják azt az elképzelést, hogy a kalória-korlátozás előnyös a hosszú élettartam szempontjából [26-28], támogatva az alacsony energiasűrűségű étrend lehetséges előnyeit (1. A. ábra).

A megszerzett metabolikus szindrómák kialakulásának uralkodó globális növekedése a táplálkozási átmenethez kapcsolódik [29,30]. Az egyik javasolt koncepció, amely potenciálisan megmagyarázza ezen szindrómák patogenezisét, a sejtfunkció tartós módosulásából fakad az endoplazmatikus retikulumban, a mitokondriumban és a sejtes retikuláris hálózatot alkotó egyéb organellák stresszére reagálva [31]. A tápanyaghiány (alultápláltság) és a tápanyagfelesleg (túlzott táplálkozás) a tápanyag/energia homeosztázisának elvesztését okozza, és ezáltal kiváltja a sejtes stresszt. A megküzdési válaszmechanizmusok, például a kibontakozott fehérje-válaszmechanizmus [31-33] aktiválódnak a stressz oldására. Rosszul adaptív válasz esetén a programozott sejthalál aktiválódik a rosszul működő sejtek eltávolítására. Másrészt a sejtfunkciók tartós beállítása lehetővé teszi a sejtek számára, hogy megbirkózzanak a stresszinduktorok folyamatos kitettségével is. A stressz-megküzdési válaszmechanizmusok kezdetben adaptív stratégiákat mozdítanak elő a homeosztázis rövid távú helyreállítására, de a sejtfunkciók hosszú távú módosítása miatt hosszú távon patogénekké válnak.

Élelmiszer-összetevők

Számos mikrotápanyag-hiány okozta anyagcsere-betegség korrigálható az étrendben hiányzó mikroelemek helyreállításával [54,55]. Az általános populációra alkalmazott mikroelem-kiegészítés egyik kritikus szempontja a túladagolás. Ezen vegyületek némelyike a nukleáris receptorok hatékony modulátora, és komoly hatással van a többféle metabolikus út aktivitására. Például az A-vitamin hiánya vaksághoz vezethet, míg feleslege teratogén. A D-vitamin számos gén expresszióját is modulálja, amelyek számos útvonalon vesznek részt [56], és hiánya rachitát okoz. Azt azonban még nem tudni, hogy lehetséges-e túladagolni ezt a mikroelemet. Az ásványi anyagok túlzott táplálékfogyasztása ugyanolyan káros lehet, amire példa az étrend által kiváltott magas vérnyomás a magas nátriumbevitel miatt [57].

Az emlősök metabolikus gépei által termelt egyéb metabolitok szintén kritikus szerepet játszanak az anyagcserében. Például a koleszterin membrán komponensként, szignálmolekulaként és prekurzoraként szolgál a szteroid hormonok és az epesavak szintéziséhez [58]. Az epesavak elősegítik az étkezési zsírok és a lipidben oldódó vegyületek felszívódását, és jelzőmolekulaként is működnek, amelyek modulálják a makrotápanyagok és az energia-anyagcserét, a gyulladásos reakciókat és a méregtelenítést intracelluláris ligandummal aktivált nukleáris receptorokon keresztül [59]. A bélbaktériumok képesek az epesavak metabolizálására, és az egyik termék egy másodlagos epesav, amelyet ursodeoxicholsavnak neveznek. Érdekes megjegyezni, hogy ez az epesav és taurin-konjugált származéka a proteosztázis elősegítésével enyhítheti az endoplazmatikus retikulum stresszét [60], és bebizonyosodott, hogy hatékony a szívfibrózis megelőzésében [61,62].

Az emberi táplálkozást befolyásoló tényezők

Most nyilvánvaló, hogy mind a külső tényezők (például táplálék, xenobiotikumok, környezet), mind a belső tényezők (például nem, életkor, génvariációk) külön-külön és együttesen befolyásolják a tápanyagok anyagcseréjét és a különféle anyagcsere-betegségek kialakulásának kockázatát (1. ábra B ). A külső tényezők fontosak a tápanyag-anyagcsere hatékonyságának és az egészségügyi eredmények diktálásában, beleértve a fizikai jelzéseket, például a fotoperiódust és a hőmérsékletet. Például a nappali-éjszakai ciklusok váltakozó fény/sötét fotoperiódusa fontos az endogén cirkadián ritmusok beállításában, amelyek viszont szorosan kapcsolódnak az anyagcsere-aktivitás szabályozásához [72]. A káros környezetek, amelyek olyan helyzeteket is magukban foglalnak, amelyek stresszhormonok felszabadulását indukálják, ronthatják a test képességét az anyagcsere kihívásainak érzékelésére és azokra való reagálásra [73-75]. A külső tényezők elősegítik az epigenóm olyan változásait is, amelyek hosszan tartó hatással lehetnek a tápanyagok és az energia anyagcseréjére, és hozzájárulhatnak az anyagcserezavarok kialakulásához olyan szervekben, mint a szív (pl. Szívkoszorúér-betegség) és az agy (pl. Alzheimer-kór) [76 -78].

Az anyagcsere és a táplálkozás vizsgálatában alkalmazott technológiák

Az elmúlt néhány évtizedben az anyagcsere és a táplálkozás vizsgálata fokozatosan bővült az éhség enyhítésére, valamint a táplálkozás és az egészségi állapot javítására irányuló küldetésében. A sejtszintű és az egész test anyagcseréjének jobb megértésével nyilvánvalóvá vált, hogy az optimális táplálkozás nem egyszerűen az energia megfelelőségét jelenti, hanem a tápanyagok sokféleségét is (1. A. ábra). A túlzott táplálkozásból és az optimálisnál alacsonyabb táplálkozásból eredő bonyolult anyagcsere-rendellenességek kezelése érdekében sokféle megközelítést kell alkalmazni, különféle kísérleti rendszerek felhasználásával, amelyek a biológiai szerveződés különböző szintjeire irányulnak (2. ábra).