30
ךךך ךךךךךM.D., Ph.D . ךךךךךך ךךךךךךךךך ךךךךךך ךךךךךך ךךךךךך ךךךךךךך ךךךךך ךךךךךךךךךךךךך- ךךך' ךך[email protected] ךךךך ךךךךךךך ךךךךךךך ךךךך ךךךךךךך ךךךךךךך ךךךךך ךךךךךך- ךךךךךךךך ךךךךך ךךךךךך- ךךךךךךךך ךךךךךךך ךךךך ךךךך ךךךךךךך ךךךך ךךךך)...ךךךךך ךךךךךך( )...ךךךךך ךךךךךך(

אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון [email protected]

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

.M.D., Ph.Dאסף רודיך המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה

הפקולטה למדעי הבריאות

אונ' בן-גוריון

[email protected]

מאזן האנרגיה וההוצאה האנרגטית מאזן האנרגיה וההוצאה האנרגטית - הבסיס לטיפול בשינויי אורח חיים- הבסיס לטיפול בשינויי אורח חיים

)פרקים נבחרים...()פרקים נבחרים...(

Page 2: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

בקרת משקל הגוף: פשוט מאוד....

מטרות:אם זה כ"כ פשוט, למה זה בעצם כ"כ מסובך?1.

מנגנונים בסיסיים בבקרת צריכת האנרגייה )אכילה(2.

מנגנונים בסיסיים בבקרת ההוצאה האנרגטית3.

דוגמאות ליחסי הגומלין המורכבים בין הצריכה 4.

האנרגטית וההוצאה האנרגטית

איך סוכרת מסבכת עוד את העניינים...5.

זה מסובך!

Page 3: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Simple: The energy balance and the laws of

thermodynamicsEnergy expenditure

Energy intake

Page 4: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

The energy balance:

Energy expenditure

- Involuntary:- BMR (basal metabolic rate)

- TEF (Thermic effect of food)

- Voluntary (activity):- NEAT (non-exercise activity thermogenesis)

- ET (exercise thermogenesis)

Energy intake

Food intake (calories):Nutrients:

lipidsCarbohydratesproteins

Page 5: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

The control of food intake

- Complex process: Metabolic, Neuro-endocrine, Mental (including mood), Social, Cultural factors

- Complex afferent signals (orexigenic Vs anorexigenic):- hunger versus satiety (feeding frequency);

- “fullness” signals (meal size);

- energy abundance signals (short/long term);

- food composition signals (olfaction);

- Mood, social, cultural

- Mediators:- Neuronal:

- Central: Hypothalamus, brain stem, Area Postrema, “reward” centers, Cortical centers

- peripheral: Vagus

- Hormonal (pancreas, fat tissue, GI)

Page 6: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Hypothalamus

= anorexigenicorexigenic =

Page 7: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

The Arcuate Nucleus of the Hypothalamus: integrator of orexigenic

and anorexigenic signals

food-seeking behaviour

NPY(Orexogenic

signal)

αMSH(Anorexogenic

signal)**

**

** MC-R4(melanocortin Receptor 4)

Page 8: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Summary: GI, pancreatic and adipose signals for hypothalmic regulation of food

intake

food-seeking behaviour

NPY(Orexogenic

signal)

αMSH(Anorexogenic signal)

Page 9: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Adipose tissue

Hypothalamus

= anorexigenicorexigenic =

Page 10: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

(Nature 404: 661,

2000)

leptin

Adipostatic action of Leptin:Leptin signals fat-storage

sufficiency

Page 11: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

(Science 304:63-4, 2004)

food-seeking behaviour

NPY (Orexogenic

signal)

αMSH(Anorexogenic

signal)

-

-

+

+

Leptin effect in the arcuate nucleus of the hypothalamus: 1.

Direct (rapid) effect 2 .Neuroplasticity (h)

Excitatory

synapses

+-

+

Inhibitory

synapses

-

3 .Developmental

Page 12: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Adipose tissue

Hypothalamus

GI tract

Pancreas

= anorexigenicorexigenic =

- Does insulin resistance develop in the brain?

- Does it mediate reduced anorexigneic signal?

- Can common mechanisms underlie insulin and leptin resistance???

Page 13: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

The energy balance:

Energy expenditure

- Involuntary:- BMR (basal metabolic rate)

- TEF (Thermic Effect of Food)

- DIT (Diet-Induced Thermogenesis)

- Voluntary:- NEAT (non-exercise activity thermogenesis)

- ET (exercise thermogenesis)

Energy intake

Food intake (calories):Nutrients:

lipidsCarbohydratesproteins

Obligatory Vs. Facultative (adaptive)

Page 14: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Components of Total Daily Energy Expenditure (TDEE)

Exercise thermogenesis

Facultative )adaptive( thermogenesis

Obligatory thermogenesis

- Essential thermo.

- Endothermic thermo.

Diet-induced thermogenesis

Muscle

Brown Adipose Tissue

White Adipose Tissue

GI, liver, WAT, muscle

BAT, WAT? Muscle?

All organs

Most organs

Acetylcholine )central(

Norepinephrin )central(

Thyroid hormone

Insulin

Norepinephrin )central(

none

Thyroid hormone

30%)20 to >100(

~ 60%

6-12 %

Page 15: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

: גילגול אנרגייה האגורה ההוצאה האנרגטית

, והאנרגייה ATPבמזון )"שריפת" המזון( לייצור

ל"עבודה" ATPהאגורה ב-

מיטוכונדריה!!

"שריפת המזון" ATP ייצור ATP ניצול

חומר מחזר

פוטנציאל אלקטרו-כימי

Page 16: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

נוראדרנלין והורמון הטירואיד מבקרים את המספר והיעילות האנרגטית של מיטוכונדריות

NRF – nuclear respiratory factor

mtTF-A – mitochondrial trascription factor A

PGC-1 – PPARγ co-activator 1

CREB – cAMP responsive element binding protein

DII – Thyroxine 5’-deiodinase type 2

mtTF-A

Noradrenalin

Thyroid hormone

mitochondria

Page 17: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

The energy balance

Energy expenditure

Energy intake

צריכת האנרגייה מבקרת את ההוצאה האנרגטית

Page 18: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

השפעת הצריכה האנרגטית על ההוצאה עדות לעצמת מנגנוני הבקרה של מאזן האנרגייההאנרגטית:

Page 19: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Energy intake and energy expenditure exhibit complex

inter-relationsEnergy expenditure

Energy intake

Food intake (calories):Nutrients:

lipidsCarbohydratesproteins

Processes:Eating initiation

(frequency)Satiety sensation /

appetite regulation (meal size)

Diet composition

- Involuntary:- BMR (basal metabolic rate)

- TEF (Thermic effect of food)

- Voluntary (activity):- NEAT (non-exercise activity thermogenesis)

- ET (exercise thermogenesis)

Body mass

Page 20: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

צריכת בקרת ההוצאה האנרגטית ע"י: משקל הגוף בכל-זאת איננה מלאה האנרגייה

משתנה

~60% decrease

~20%

Page 21: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

הבדלים בין-אישיים במידת ההשפעה של תרומת צריכת אנרגייה על הוצאת האנרגייה:

הגנטיקה

- identical, severe caloric deficit in 14 female monozygotic twins:

- weight loss of 5.9 – 12.4 Kg

- High correlation in the change within twin pairs (r=0.88), but much less between pairs

(Int J Obes 25: 533, 2001)

- a 1000 kCal over-eating in 12 male monozygotic twins for 100 days:

- weight gain of 4.3 – 13.3 Kg

- within twin pairs variability 6-fold lower than between pairs variability

(NEJM 322: 1477, 1990)

Genetics plays an important role in

the association between Energy intake and Energy expenditure :

The ability to regulate the coupling of

food intake, ATP production, and ATP utilization

Page 22: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Nutrient combustion results in fixes amount of reducing equivalent

Entering reducing equivalent into the Mt through the glycerol phosphate shuttle versus aspartate-malate shuttle

Fixed amount of ATP is produced for a certain amount of protons pumped out of the Mt

Uncoupling proteins

The coupling, uncoupling, and futile cycling of reactions in energy

metabolism:

Fuel combustionATP synthesis ATP utilization for work

חומר מחזר

פוטנציאל אלקטרו-כימי

Page 23: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Coupling the electron transport chain to ATP

synthesisNADH + H+ + ½O2 NAD+ + H2O G = -52.7 kCal/mol

3ADP +3Pi 3ATP G = 21.9 kCal/mol

(oxidation)

(phosphorylation)

Page 24: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

The coupling, uncoupling, and futile cycling of reactions in energy

metabolism

Nutrient combustion results in fixes amount of reducing equivalent

Entering reducing equivalent into the Mt through the glycerol phosphate shuttle versus aspartate-malate shuttle

Fixed amount of ATP is produced for a certain amount of protons pumped out of the Mt

Uncoupling proteins

Fixed amount of ATP is required for fixed amount of biological activity

- Futile cycles

- higher Vs lower efficiency isoforms

Page 25: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

ה"נטייה להשמנה" תלוייה במידת הצימוד וביכולת להפר את הצימוד שבין ייצור

ATP וניצול ATPאנרגייה מהמזון, ייצור

Food

Energy

ATP

+ADP +Pi

+ADP +Pi + WORK

Synthesis

Ion transport

Muscle work

Page 26: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Energy expenditure

Energy intake של גדולההשפעה EI על EE:

בין גדולהיכולת הפרת צימוד ייצור אנרגייה לעבודה

:EE על EI של קטנההשפעה

בין קטנהיכולת הפרת צימוד ייצור אנרגייה לעבודה

Page 27: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

משמעויות טיפוליות – לא פרמקולוגיEnergy expenditure

Energy intake

-Increasing Exercise:- direct increase in TEE- indirect, EXTENDED increase in TEE through elevation in BMR (Thyroid, Sympathetic - UCP)

- prevents the adaptive decrease in BMR during caloric restriction

-Increasing NEAT:- life style choices- work environment engineering- cultural change

-Increasing DIT:- Low quality protein?

- Food composition choices:

- High protein? Low carb? (Increase satiety?)

- Decreasing energy extraction from food – dairy products?

- Decrease highly calorie-dense foods

- Decrease soft drinks- GI microbial flora:- Decreasing energy extraction from food (Nature 444: 1027, 2006)

Page 28: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

משמעויות טיפוליות – פרמקולוגיהEnergy expenditure

Energy intake

- Increasing anorexigenic, decreasing orexigenic signals:

- GLP1 analogues (Extenetide) and DPP4 inhibitors (Citagliptin)

- Metformin - Ghrelin- Decreasing reward signals to food:

- CB1 inhibitors (Rimonabant)

- Decreasing nutrient absorption:

- Pancreatic lipase (Orlistat)

- A glucosidase inhibitors (Orlistat)

- Increasing BMR, non-voluntary components of NEAT

- beta 3 adrenergic agonists

Page 29: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

ומה בסוכרת?Energy expenditure

Energy intake

-Increasing Exercise:- direct increase in TEE- indirect, EXTENDED increase in TEE through elevation in BMR (Thyroid, Sympathetic - UCP)

- prevents the adaptive decrease in BMR during caloric restriction

-Increasing NEAT:- life style choices- work environment engineering- cultural change

-Increasing DIT:- Low quality protein?

- Food composition choices:

- High protein? Low carb? (Increase satiety?)

- Decreasing energy extraction from food – dairy products?

- Decrease highly calorie-dense foods

- Decrease soft drinksDelayed increase in insulin sensitivity (risk of hypo up to 72 h from exercise)

Diabetics may be particularly resistant to weight loss by caloric restriction

Diabetics seem to have increased BMR compared to weight-matched non-diabetics: increase GNG? Direct effect of hyperglycemia?

Glucosuria – abnormal loss of calories

Page 30: אסף רודיך M.D., Ph.D. המחלקה לביוכימיה קלינית והמרכז לתזונה הפקולטה למדעי הבריאות אונ' בן-גוריון rudich@bgu.ac.il

Kibbutz Ruhama, Israel

(photo: Zvia Rudich)