Metaboliske konsekvenser af overfodring

En stillesiddende livsstil forenet med et øget fødeindtag bidrager til den verdensomspændende stigende prævalens af fedme. Overfodring er korreleret med insulinresistens, hypertension, dyslipoproteinemi og endotel dysfunktion. Det er for nylig blevet foreslået, at et kompliceret netværk af cellulære mekanismer skulle spille en central rolle i kontrollen af energibalancen og det metaboliske respons på overfodring hos gnavere. Disse mekanismer antages at kunne bidrage væsentligt til at afklare, hvilke fysiologiske og biokemiske faktorer der bevirker udviklingen af fedme og insulinresistens hos mennesker.

Overvægt udvikles, når energiindtaget overstiger energiforbruget. Det gennemsnitlige energibehov for en mand på 31-60 år med stillesiddende arbejde og begrænset fysisk aktivitet i fritiden er ifølge Nordiske Næringsstofanbefalinger ca. 2.800 kcal/dag og for en kvinde med samme alder og aktivitetsniveau ca. 2.200 kcal/day [1]. Energiindtaget reguleres via appetit og mæthed, mens den fysiske aktivitet sammen med størrelsen af primært den fedtfri masse bestemmer energiforbruget. Energibalancen kan herudover påvirkes medikamentelt og af kostens makronæringsstofsammensætning og af enkeltkomponenter i kosten. Det antages, at der på verdensplan findes mere end 300 mio. overvægtige voksne mennesker, og at prævalensen øges med ca. 50% hver dekade [2]. Vores nuværende livsstil udgør således et igangværende overfodringsprojekt. Det relative bidrag fra hhv. nedsat fysisk aktivitet og såvel øget som ændret kostsammensætning diskuteres fortsat som kausal faktor for den stigende prævalens [3]. Det er velkendt, at tilgængeligheden af masseproducerede, billige, energiholdige fødeemner med et stort indhold af fedt og simple kulhydrater er øget markant over de seneste årtier. Imidlertid er der andre data bl.a. fra England, som viser, at der i løbet af 1980'erne kunne konstateres en nedgang i det faktiske totale energiindtag på trods af, at forekomsten af overvægt fordobledes i samme periode. Dette tyder på, at adaptationen til en mere magelig og fysisk inaktiv livsstil er mindst lige så vigtig for udviklingen af overvægt som et højt energiindtag [4, 5]. Det er i den sammenhæng væsentligt at bemærke sig, at en positiv daglig energibalance på 100-200 kcal er tilstrækkelig til udvikling af egentlig overvægt [6]. Hensigten med nærværende artikel er at give en kort oversigt over vores nuværende viden om energiomsætning og cellulære regulatoriske og adaptive mekanismer ved overfodring.

Metode

Referencer er søgt på databaserne PubMed og Medline primært for perioden 2000-2005 med søgeordene: nutrient sensing, overfeeding, adipokines, thermogenesis, insulin resistance, energy expenditure, dietary thermogenesis og adaptive thermogenesis . Herudover er der inkluderet tidligere publicerede nøglereferencer, som enten var velkendte af forfatterne i forvejen eller er fundet via de søgte referencer.

Energiforbrænding og overvægt

Den totale daglige energiforbrænding kan indledes i tre hovedkomponenter: basalstofskiftet, adaptiv termogenese og forbruget af energi til fysisk aktivitet. Basalstofskiftet udgør 50-70% af det daglige energiforbrug og dækker den energi, som er nødvendig til vedligeholdelsen af kroppens cellulære metaboliske og fysiologiske funktioner, såsom ventilation, cirkulation og iltoptagelse i vævene (Figur 1 ). Basalstofskiftet aftager med alderen, primært som funktion af en reduceret fedtfri masse. Adaptiv termogenese også kaldet fakultativ termogenese udgør 5-10% af den daglige energiomsætning og er et udtryk for den omdannelse af energi til varme, der sker som et respons på enten temperatur eller kost. Den adaptive termogenese fungerer som en beskyttelse af organismen mod kulde (kuldeinduceret termogenese) og som en reguleringsmekanisme af energibalancen i forhold til ændringer i kosten (kostinducerede termogenese, diet induced thermogenesis (DIT)) [7]. De resterende 20-40% af det daglige energiforbrug bestemmes af graden og varigheden af den fysiske aktivitet. Termogensen i forbindelse med fysisk aktivitet opdeles i exercise thermogenesis og non-exercise activity thermogenesis (NEAT). NEAT er et udtryk for den energiomsætning, som finder sted ved små bevægelser, den varierer 100-700 kcal pr. dag og udgør således en kvantitativ væsentlig del af den samlede 24-timers-energiforbrænding. Variation i NEAT udgør en risikoparameter for udvikling af fedme [8].

Det har været en udbredt opfattelse, at et lavt basalstofskifte er en væsentlig medvirkende faktor til udvikling af overvægt, og at overvægtige har en mere effektiv kalorieudnyttelse end ikkeovervægtige mennesker, og at de derfor har behov for færre kalorier pr. kg kropsmasse for at opretholde de nødvendige cellulære metaboliske processer. Overvægtige personer har imidlertid et højere basalstofskifte end normalvægtige [9]. En del af årsagen til dette er, at overvægtige ud over en større fedtmasse har en større fedtfri masse end normalvægtige mennesker. For at komme uden om, hvorvidt basalstofskiftet udtrykkes som den absolutte værdi pr. kg fedtfri masse eller pr. kg kropsvægt, har man i flere studier interesseret sig for stofskiftet hos tidligere overvægtige personer sammenlignet med stofskiftet hos matchede kontrolpersoner. En dansk metaanalyse over studier af tidligere overvægtige personer viste et 3-5% lavere basalstofskifte hos disse personer end hos matchede kontrolpersoner [10]. En relativ lavere energiomsætning som prospektiv risikoparameter for vægtøgning er foreløbig kun blevet bekræftet hos en særlig befolkningsgruppe med en høj fedmeprævalens [11].

Den af Bray fremsatte Mona Lisa-hypotese i 1991 Most obesities known are low in sympathetic activity states the MONA LISA er stadig gældende [12]. Den kostinducerede termogenese stimuleres af det sympatiske nervesystem, og det sympatiske nervesystem aktiveres ved overfodring og inhiberes ved fødedeprivation (sult). Kombineret knockout af alle tre β-adrenære receptorer (β1-β3) hos mus medfører svær overvægt under overfodring, idet musene ikke kan øge den kostinducerede termogenese [13]. Det sympatiske nervesystem øger termogenesen via en afkobling af den oxidative fosforylering i mitokondrierne, en proces som blandt andet reguleres af de såkaldte afkoblingsproteiner eller uncoupling proteins (UCP). UCP-1 er udtrykt i det brune fedtvæv hos mus og rotter, men udtrykkes ikke hos mennesker, der i modsætning til gnavere ikke har brunt fedtvæv. Derimod antages UCP-2 og UCP-3, der er udtrykt bl.a. i skeletmuskulaturen, at have betydning for afkoblingen af den oxidative fosforylering hos mennesker. Det er overraskende og endnu ikke fuldt forstået, hvorfor knockout af UCP-1 hos mus ikke giver anledning til udvikling af fedme. Ligeledes mangler vi fortsat dokumentation for, at nedsat kostinduceret termogenese medfører overvægt hos mennesker.

I et evolutionært perspektiv kan der stilles spørgsmålstegn ved formålet med at udvikle en mekanisme som DIT, hvor den i føden indeholdte energi ikke udnyttes af organismen, men i stedet frigives som varme. Det blev foreslået af Dulloo , at DIT medvirker til at sikre indtagelse og konservering af den for organismen mest hensigtsmæssigt sammensatte kost [14]. En relativt øget aktivering af DIT ved f.eks. sparsom indtagelse af protein til fordel for fedt og/eller simple kulhydrater indebærer potentielt den fordel, at det overflødige energioverskud ikke nødvendigvis bliver akkumuleret som fedt, og at man derfor kan indtage relativt store fødemængder og således sikre sig, at man får tilstrækkeligt med essentielle mikro- og makronæringsstoffer, såsom proteiner, mineraler og vitaminer. I overensstemmelse med denne hypotese medfører overfodring med en kost bestående af både et meget lavt (under 5%) og et højt (over 15%) proteinindhold en større øgning og spredning i DIT end en kost, der indeholder et mere normalt proteinindhold på 10-15% af det samlede energiindtag [15, 16]. Som en konsekvens heraf foreslog Dulloo , at korttidsoverfodringseksperimenter med en ubalanceret kost, f.eks. lav- eller højprotein kost, kan være en sensitiv måde til afklaring af, hvilke personer som har en underliggende metabolisk eller genetisk manglende evne til at øge DIT og dermed en øget risiko for udvikling af fedme [15]. Baseret på Stocks beregninger varierer den nødvendige overfodring, dvs. den akkumulerede positive energibalance, som resulterer i en vægtøgning på 1 kg, 30- 45 MJ/kg ved et relativt proteinindtag på 10-15 E% til det dobbelte ved et indtag på under 5 E% eller over 15 E% protein (Figur 2 ) [16]. Således har proteinindtaget også en betydning for vægtvedligeholdelsen efter et vægttab [17]. Samtidig skal det pointeres, at et højt proteinindhold i kosten giver en øget mæthedsfølelse, hvilket bl.a. udnyttes i den i øjeblikket meget populære Atkins diæt.

Betydningen af arv versus miljø

Resultaterne af tvillingestudier har klart indikeret en væsentlig betydning af genetiske faktorer for udvikling af både overvægt og det metaboliske syndrom [18]. Den underliggende genetiske baggrund for overvægt hos langt størstedelen af befolkningen er imidlertid ukendt. Det er således også uvist, om genetiske faktorer påvirker appetit og fødeindtag, eller om de genetiske faktorer muligvis påvirker den individuelle respons over for fødeindtag og overfodring. I det klassiske studie udført af Claude Bouchard et al indgik der 12 monozygote tvillingepar, som gennem 100 dage blev overfodret med 1.000 kcal dagligt seks ud af syv dage [19]. I studiet blev der påvist en stor interindividuel variation med hensyn til øgning af vægt, øgning i abdominalomfang og andre metaboliske ændringer induceret af overfodring. Imidlertid var der en meget stor overensstemmelse med hensyn til både absolut vægtøgning, øgning i abdominalomfang og øgning i fasteinsulin og plasmalipidprofil inden for de enkelte tvillingepar efter overfodring. Studiets resultater tydede således på, at genetiske faktorer relateret til respons på overfodring er betydende for udvikling af overvægt. At etniske og dermed også genetiske faktorer spiller en rolle for energiforbrændingen og risikoen for udvikling af overvægt fremgår også af det forhold, at amerikanske kvinder af afrikansk oprindelse har et lavere basalstofskifte end alders- og kropsammensætningsmæssigt matchede kvinder af kaukasid oprindelse [20]. Ud over genetik er der holdepunkter for, at også lav fødselsvægt og intrauterin underernæring prædisponerer for total og abdominal fedme [21, 22]. Det vides ikke, om personer, der er født med lav fødselsvægt, har nedsat energiforbrænding.

Overfordring og insulinresistens - cellulære mekanismer

Akut overfodring/overspisning er en menneskelig aktivitet, der er tæt forbundet med socialt samvær og fest, og under normale omstændigheder er denne overspisning forholdsvis harmløs for de fleste. Det er, når denne overfodring bliver opretholdt over en længere tidsperiode og bliver kronisk, at den udgør en seriøs helbredsrisiko. Overfordring med energirig kost medfører ud over overvægt insulinresistens og udgør dermed en væsentlig risikofaktor for udvikling af type 2-diabetes. Den insulinresistens, der er forbundet med overfordring og overvægt, er yderligere korreleret til hypertension, dyslipoproteinæmi og endotelial dysfunktion, og er dermed forbundet med en øget risiko for makrovaskulær sygdom. Det har derfor stor interesse at forsøge at forstå de molekylære mekanismer, som bevirker, at overfodring kan medføre insulinresistens.

I nyere studier er det påvist, at insulinresistens ofte er forbundet med mitokondriel dysfunktion [23]. Mitokondriel dysfunktion kan medføre en abnorm fedtforbrænding, hvilket kan forklare akkumulationen af fedt ikke blot i fedtvævet, men også i musklerne og leveren ved insulinresistente tilstande [24]. En hypotese er, at akkumulation af fedt i musklerne medfører nedsat insulinsignalering [25]. Imidlertid fandt vi i et nyere arbejde ikke, at fedtinduceret insulinresistens alene kunne forklares ved en hæmning af insulinsignaltransaktionssystemet fra insulinreceptoren over dens specifikke tyrosinkinase til aktivering af insulinreceptorsubstrat-1 (IRS-1) og fosfoinositol-3-kinasen (PI3K) [26].

En anden mekanisme til forklaring af insulinresistens induceret af overfordring blev foreslået af Um et al [27]. I arbejdet blev det påvist, at mus med nedsat ekspression af S6Kinase1 er beskyttet mod udvikling af insulinresistens og fedme under overfodring med en fedtholdig kost. S6Kinase1 er involveret i den cellulære signalering af rapamycin via mammalian target (mTor) (Figur 3 ) og antages at have central betydning for integreringen af det kombinerede cellulære respons af insulin og energioverskud, såkaldt nutrient sensing i forbindelse med overfodring [29]. Mekanismen, hvormed mus med nedsat ekspression af S6Kinase1 er beskyttet mod fedme og insulinresistens, inkluderer en øget energiforbrænding som følge af en øget ekspression af de gener, der er involveret i den oxidative fosforylering i mitokondrierne, herunder peroxisome proliferator receptor gamma coactivator 1 (PGC1)-α og peroxisome proliferator receptor delta (PPARδ). Musene var endvidere beskyttet imod hæmning af insulin-signal-transaktionssystemet, hvor bl.a. insulinreceptorsubstrat (IRS)-proteiner, herunder primært IRS-1, spiller en væsentlig regulerende rolle. IRS-1-aktiviteten øges ved fosforylering af aminosyren tyrosin og hæmmes via fosforylering af serinaminosyren i IRS-1-proteinet. Det er interessant, at musene både på normal kost og på overfordringskost udviste let glukoseintolerans som følge af nedsat pankreatisk betacellemasse [30]. På trods af dette var musene i stand til at indtage en mere kalorieholdig kost end kontrolmus, der havde normalt udtryk af S6Kinase, og de kunne samtidig opretholde en lavere kropsvægt ved hjælp af en øget lipolyse og et øget iltforbrug som følge af en øget mitokondriefunktion.

Ud over mTor og S6Kinase1 har vi i dag kendskab til et kompliceret netværk af cellulære mekanismer i fedt, muskelvæv og centralnervesystemet (CNS), som har betydning for udviklingen af insulinresistens ved overfodring. Fedtvævet er ikke, som tidligere antaget, blot et passivt energidepot, men derimod et aktivt endokrint organ, som spiller en væsentlig rolle for appetitreguleringen og energiforbrændingen ikke mindst i muskler ved frigivelse af en lang række metabolitter og hormonlignende substanser, inklusive frie fedtsyrer, leptin, adiponektin, resistin og cytokiner [31]. Af disse substanser spiller adiponektin sandsynligvis den mest centrale rolle med hensyn til reguleringen af insulinvirkningen i musklerne, idet et højt adiponektinniveau stimulerer insulinvirkningen. Leptins væsentligste betydning er at hæmme appetitten i CNS, og hormonet resistin hæmmes ved stimulering af PPAR-γ (og muligvis andre PPAR)-receptorer og antages at hæmme insulinvirkningen i musklerne. Med hensyn til cytokiner i fedtvævet, antages tumor nekrosefaktor (TNF)-α at have en væsentlig betydning for hæmningen af insulinvirkningen i musklerne. Fedtvævets tilsyneladende centrale rolle i reguleringen af insulinvirkning i lever og muskler indikeres yderligere af det forhold, at undertrykkelse af den insulinfølsomme glukosetransportør GLUT4 i fedtvæv medfører nedsat insulinvirkning i både lever og muskler og som følge heraf glukoseintolerans og hyperinsulinisme [32]. Overekspression af GLUT4 i fedtvævet reverterer insulinresistensen i leveren og på helkropsniveau, men ikke i musklerne hos mus med selektiv knockout af GLUT4 i skeletmuskulaturen [33]. Ophobning af hexosaminprodukter og ceramider som følge af øget substrattilbud af glukose og frie fede syre er yderligere mekanismer, hvormed overskud af føde kan hæmme insulinsignalering via en hæmning af tyrosinfosforyleringen af IRS-1. Endelig spiller den adenosinmonofosfat (AMP)-aktiverede proteinkinase (AMPK) en nøglerolle i reguleringen af stofskiftet i forbindelse med ændringer af det cellulære energiindhold og energitilbud bl.a. ved at hæmme fosforyleringen af både mTor og S6Kinase og via en regulering af PGC1-ekspressionen og mitokondriefunktionen [34]. Afslutningsvist bør det dog pointeres, at den tilsyneladende tætte interaktion og cross talk mellem metabolismen i fedtvævet på den ene side og insulinvirkningen i muskler, lever og helkrop på den anden side primært er baseret på studier af gnavere og derfor ikke nødvendigvis kan ekstrapoleres til mennesker. Et eksempel herpå er resistin som produceres i store mængder i adipocytter hos gnavere, men som ikke produceres i adipocytter hos mennesker [35].

Sammenfatning

En dybere forståelse af de adaptive fysiologiske, metaboliske og cellulære mekanismer, som træder i kraft og afgør kroppens respons over for overfodring og positivt energiindtag, udgør en nøgle til forståelsen af udviklingen af overvægt hos prædisponerede personer. Med udgangspunkt i den meget store mængde af ny viden om de cellulære og hormonelle mekanismer, som regulerer energiforbrændingen og udviklingen af insulinresistens ved overfodring af forsøgsdyr, er der et behov for en afklaring af sammenhængen og betydningen af disse mekanismer og faktorer hos mennesker.

Allan Vaag , Steno Diabetes Center, Niels Steensens Vej 2, DK-2820 Gentofte. E-mail avaa@steno.dk

Antaget: 15. november

Interessekonflikter: Ingen angivet

1. Nordic Nutrition Recommandations NNR 2004 - integrating nutrition and physical activity. København: Nordisk Ministerråd; Nord:13,2004.
2. World Health Organization. World Health Organization Global Strategy and Diet, Physical Activity and Health, 2003. www.who.int/dietphysicalactivity/en /okt. 2005.
3. Hu FB, Willett WC, Li T et al. Adiposity as compared with physical activity in predicting mortality among women. N Engl J Med 2004;351:2694-703.
4. Prentice AM, Jebb SA. Obesity in Britain: gluttony or sloth? BMJ 1995; 311:437-9.
5. Hayes M, Chustek M, Heshka S et al. Low physical activity levels of modern Homo sapiens among free-ranging mammals. Intl J Obes Relat Metab Dis 2005;29:151-6.
6. Hill JO, Wyatt HR, Reed GW et al. Obesity and the environment: where do we go from here? Science 2003;299:853-5.
7. Lowell BB, Spiegelman BM. Towards a molecular understanding of adaptive thermogenesis. Nature 2000;404:652-60.
8. Levine JA, Lanningham-Foster LM, McCrady SK et al. Interindividual variation in posture allocation: possible role in human obesity. Science 2005; 307:584-6.
9. Ravussin E, Burnand B, Schutz Y et al. Twenty-four-hour energy expenditure and resting metabolic rate in obese, moderately obese, and control subjects. Am J Clin Nutr 1982;35:566-73.
10. Astrup A, Gotzche PC, van de Werken K et al: Meta-analysis of resting metabolic rate in formerly obese subjects. Am J Clin Nutr 1999;69:1117-22.
11. Ravussin E, Gautier JF. Metabolic predictors of weight gain. Int J Obes Relat Metab Disord 1999;23:37-41.
12. Bray GA. Obesity, a disorder of nutrient partitioning: the MONA LISA hypothesis. J Nutr 1991;121:1146-62.
13. Bachman ES, Dhillon H, Zhang CY et al. BetaAR signaling required for diet-induced thermogenesis and obesity resistance. Science 2002;297:843-5.
14. Dulloo AG. A sympathetic defense against obesity. Science 2002;297: 780-1.
15. Dulloo AG, Jacquet J. Low-protein overfeeding: a tool to unmask susceptibility to obesity in humans. Intl J Obes 1999;23:1118-21.
16. Stock MJ. Gluttony and thermogenesis revisited. IJO 1999;23:1105-17.
17. Lejeune MP, Kovacs EM, Westerterp-Plantenga MS. Additional protein intake limits weight regain after weight loss in humans. Br J Nutr 2005;93:281-9.
18. Poulsen P, Vaag A, Kyvik KO et al. Genetic versus environmental aetiology of the metabolic syndrome and its various components. Diabetologia 2001;44:537-43.
19. Bouchard C, Tremblay A, Despres JP et al. The response to long-term overfeeding in identical twins. N Engl J Med 1990;322:1477-82.
20. Jones A Jr, Shen W, St-Onge MP et al. Body composition differences between African, American and white women: relation to resting energy requirements. Am J Clin Nutr 2004;79:780-6.
21. Ravelli GP, Stein ZA, Susser MW. Obesity in young men after famine exposure in utero and early infancy. N Engl J Med 1976;295:349-53.
22. Rasmussen EL, Malis C, Jensen CB et al. Altered fat tissue distribution in young adult men who have low birth weight. Diabetes Care 2005;28:151-3.
23. Petersen KF, Befroy D, Dufour S et al. Mitochondrial dysfunction in the elderly: possible role in in