Der Leser sei jedoch vorgewarnt – die Antwort ist nicht so einfach wie das Schlucken der Pillen!
Um die körperlichen Prozesse der Thermogenese zu erklären, werden wir den ganzen Weg von der systemischen (körperweiten) Physiologie bis hinunter zur subzellularen Physiologie gehen. Das als Grundlage dienende Konzept des grundlegenden Stoffwechsels und des Energieverbrauchs wird einigen Lesern schmerzhaft elementar und anderen schmerzhaft komplex erscheinen. Unabhängig hiervon sollte man sich diesen Artikel ausdrucken, etwas Zeit mit ihm verbringen, sich Notizen machen und nachdem man etwas Zeit investiert hat, wird man einen recht guten Überblick darüber haben, wie der Körper Wärme produziert und welche zellularen und subzellularen Prozesse an der Optimierung der Körperkomposition beteiligt sind. Da dieser Artikel recht technisch ist, habe ich Verständnis für Leser, die die Lektüre dieses Artikels vorzeitig abbrechen und stattdessen an anderer Stelle etwas darüber lesen, wie man schlank wird. Einige andere Artikel auf dieser Site sind etwas praktischerer Natur als diese physiologische Diskussion. Hut ab vor denen, die sich dafür entscheiden, sich durch diesen Artikel zu kämpfen. Diese Leser werden ein sehr viel besseres Verständnis dafür entwickeln, wie der Körper unerwünschtes Fettgewebe verbrennt.
Thermoregulation
Der Hypothalamus ist das Temperaturkontrollzentrum im Gehirn und agiert wie ein Thermostat, um die Körpertemperatur zu regulieren. Thermale Rezeptoren in der Haut und die Temperatur des Blutes stimulieren das thermoregulierende Zentrum im Hypothalamus, so dass dieses die angemessenen Anpassungen vornehmen kann (1). Die Wege, über die der Körper diese Wärme generiert, sind die Stoffwechselrate im Ruhezustand (NMR), Muskelaktivität oder die thermische Wirkung der Aktivität (TEA), Hormone, die thermische Wirkung von Nahrung (TEF) oder ernährungsinduzierte Thermogenese (DIT) und die Umgebung.Energie
Eine Kalorie ist als die Menge an Wärme definiert, die notwendig ist, um die Temperatur von einem Gramm oder einem Milliliter Wasser um 1 °C zu erhöhen. Wenn vom Kaloriengehalt der Nahrung gesprochen wird, dann wird häufiger der Begriff Kilokalorie (kcal) verwendet. Mit anderen Worten ausgedrückt gilt: 1 Kilokalorie (kcal) = 1000 Kalorien (1). Unterschiedliche Nahrungsmittel enthalten unterschiedliche Mengen an kalorischer Energie und ich glaube, dass Nahrungsmittel abhängig davon, ob sie in reinem Sauerstoff (in einem Kalorimeter) oder im Körper verbrannt werden, unterschiedliche Mengen an Energie liefern. Der Grund für diese Variabilität kann wahrscheinlich den Energiezuständen der Zellen, dem hormonellen Milieu, dem individuellen Fitnesslevel und der Genetik (um nur einige zu nennen) zugeschrieben werden.Der Prozess der zellularen Respiration läuft ab, wenn der Körper Nahrungsmittel verstoffwechselt oder "Treibstoff verbrennt", um Energie für Arbeit bereitzustellen. Zu verstehen, dass unsere Körper Maschinen, die Treibstoff benötigen, um zu arbeiten, sehr ähnlich sind, hilft uns dabei, die wichtige Bedeutung der Ernährung für physiologische Funktionen zu erkennen. Die Nährstoffe, die wir zu uns nehmen, durchlaufen in den Zellen einen Prozess, der einer Verbrennung ähnelt und während des Prozesses der Verstoffwechslung wird Energie, die durch die Verbrennung des Treibstoffes (Nahrung) freigesetzt wird, in den chemischen Reaktionen des Körpers gespeichert. Diese Energie wird entweder in Form von Wärme feigesetzt (exotherme oder Wärme abgebende Reaktionen) oder als Energie für andere Reaktionen, die ablaufen, gespeichert (endotherme oder Wärme aufnehmende Reaktionen). Letztendlich besteht das Ziel des oxidativen Stoffwechsels in der Resynthese hochenergetischer Bindungen, die für Energie benötigende Prozesse im Körper wiederaufgeladen werde können (2).
Sauerstoff aus der Umgebung wird aufgenommen und in die Körpergewebe transportiert und wird so für intrazellulare oxidative Prozesse verfügbar. Wenn Brennstoff über diese oxidativen Prozesse verstoffwechselt wird, reduzieren Elektronen molekularen Sauerstoff und liefern Energie, die für Arbeit benötigt wird. Die Endprodukte der zellularen Respiration sind Kohlendioxid (CO2), Wasser und Wärme. Es macht also Sinn, dass Sauerstoffverbrauch und CO2 Ausatmung mit der Wärmeproduktion korrelieren. Der einfachste Weg, die durch oxidative Prozesse (Stoffwechsel) produzierte Wärme zu messen, ist die Verwendung indirekter Kalorimetrie, welche die Rate des Sauerstoffverbrauchs misst. Diese Rate korreliert eng mit der stoffwechseltechnischen Aktivität in der fettfreien Körpermasse. Die stoffwechseltechnisch aktivsten Gewebe im Körper sind die Organe, welche etwa 60% zum Sauerstoffverbrauch im Ruhezustand beitragen, während die Muskelmasse nur für etwa 25% verantwortlich ist. Auch wenn diese Zahlen bescheiden zu sein scheinen, übertreffen sie den Beitrag des Fettgewebes bei Weitem (2). preview
Die Stoffwechselrate
Die Stoffwechselrate im Ruhezustand (BMR) oder der Energieverbrauch im Ruhezustand (BEE) können als "Maß für den konsumierten Sauerstoff und das produzierte Kohlendioxid" definiert werden und als "der Energieverbrauch, der notwendig ist, um das Leben zu unterstützen" angesehen werden (2). Die Stoffwechselrate im Ruhezustand (BMR) wird unter kontrollierten und standardisierten Zuständen gemessen, wenn die Person postabsorptiv (Fastenzustand) ist und völlig bewegungslos daliegt. Diese Messung wird für gewöhnlich morgens direkt nach dem Aufwachen durchgeführt. Die Stoffwechselrate im Ruhezustand macht 50 bis 70% des täglichen Energieverbrauchs aus, während der Energieverbrauch im Ruhezustand (REE), der im Ruhezustand aber nicht im Fastenzustand gemessen wird, für 65 bis 75% des Gesamtenergieverbrauchs verantwortlich ist (2).Ach wenn der Stoffwechsel im Ruhezustand Wärme liefert, wird im Umfeld einer kalten Umgebung der Prozess des Zitterns aktiviert. Zittern oder "unfreiwillige Muskelkontraktionen" liefern 100% der benötigten Energie in Form von Wärme, die notwendig ist, um die Kerntemperatur aufrecht zu erhalten (3). Bewusste Muskelkontraktionen wie regelmäßige körperliche Aktivitäten können 20 bis 40 % des täglichen Energieverbrauchs ausmachen und sind auch als thermische Wirkung der Aktivität (TEA) bekannt (2).
Nahrungsinduzierte Thermogenese (DIT)
Die drei Hauptstücke des Stoffwechselkuchens sind die Stoffwechselrate im Ruhezustand (BMR), die thermisch Wirkung der Aktivität (TEA) und die thermische Wirkung der Nahrung (TEF), welche auch als nahrungsinduzierte Thermogenese (DIT) bekannt ist und die Verarbeitung der Nahrung durch den Körper inklusive Verdauung, Absorption, Transport, Verstoffwechslung und Speicherung der Energie der verzehrten Nahrung repräsentiert. Die nahrungsinduzierte Thermogenese trägt etwa 10 bis 20% zum täglichen Gesamtenergieverbrauch bei (2).Wie das Training oder die thermische Wirkung der Aktivität ist auch die nahrungsinduzierte Thermogenese bezüglich ihres Beitrags zum Gesamtenergieverbrauch variabel. Es konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Nahrungsmittel aus derselben Makronährstoffkategorie trotz der Tatsache, dass landläufig allgemein angenommen wird, dass Makronährstoffe eine bestimme Menge an kcal pro Gramm liefern, eine unterschiedliche Energiezusammenstellung aufweisen können. Ein Beispiel hierfür ist Nahrungsprotein. Einige Studien, die die thermogene Reaktion auf isoenergetische Mahlzeiten (Mahlzeiten mit einer ähnlichen Kalorienkomposition) untersucht haben, stimmen darin überein, dass Protein der Nährstoff mit der höchsten thermogenen Wirkung ist (4 – 9). Darüber hinaus, dass die thermische Wirkung von Protein höher als bei einer isoenergetischen Mahlzeit aus Kohlenhydraten oder Fett ausfällt, könnte auch der Typ des Proteins bezüglich der thermischen Reaktion einen Unterschied machen. Kasein könnte eines der thermogensten Proteine sein, da es mit stärkeren Körperfettreduktionen als andere Typen von Protein in Verbindung gebracht wird (6), was insbesondere in Kombination mit einem Trainingsprogramm der Fall ist (9).
Der postprandiale (nach der Mahlzeit) Anstieg des Energieverbrauchs nach dem Verzehr von Protein könnte mit der Sättigung korrelieren (4, 8). Auch wenn die hierfür verantwortlichen Mechanismen noch unklar sind, gibt es Überlegungen, dass vielleicht der Anstieg der Rate der oxidativen Entsorgung des überschüssigen Proteins und die Bildung von Harnstoff den Energieverbrauch erhöhen, was vom Hypothalamus über Thermorezeptoren oder die Temperatur des Blutes wahrgenommen wird. Der Hypothalamus, der auch an der Regulierung der Nahrungszufuhr beteiligt ist, könnte dann eine Reduzierung der Hungersignale aktivieren (4).
Thermogenese – obligatorisch vs. fakultativ
Die Generierung von Wärme und die Aufrechterhaltung der Thermoregulation unabhängig von der Umgebung ist etwas, das es nur bei Säugetieren gibt. Thermogene Mechanismen werden als entweder obligatorisch oder fakultativ (oder adaptiv) klassifiziert. Die obligatorische Thermogenese (OT) ist die Energie, die während zellularer und organischer Funktionen im Körper freigesetzt wird und der größte Teil dieser Wärme wird durch die Stoffwechselrate im Ruhezustand geliefert (10). Die fakultative Thermogenese (FT) ist jegliche zusätzlich in Reaktion auf Temperatur, Ernährung oder Kälte produzierte Wärme (11, 12). Um das Ganze noch verwirrender zu machen, wurde die nahrungsinduzierte Thermogenese (DIT) als teilweise obligatorisch (10) und teilweise fakultativ (4) angesehen. Anders als die OT kann die FT „ein- und ausgeschaltet“ werden und tritt hauptsächlich in der Skelettmuskulatur und dem braunen Fettgewebe auf (10). Manchmal kann die Linie zwischen diesen beiden Typen der Thermogenese verschwimmen!Braunes Fettgewebe (BAT)
Braunes Fettgewebe (BAT) kommt bei allen neugeborenen Säugetieren inklusive Menschen vor. Es ist stark mit Nerven und Blutgefäßen innerviert und wird als Organ für die Hitzeproduktion oder die "nicht zitternde Thermogenese" bei Tieren während des Winterschlafs verwendet. Wenn das thermoregulatorische System bei Kindern reift, nimmt das braune Fettgewebe ab. Unglücklicherweise bestehen unsere Fettspeicher aus den weißen/gelben Adipozyten (Fettzellen), die über relativ wenige Nerven und Blutgefäße verfügen. Was braunes Fettgewebe so einzigartig macht ist, dass dieser Gewebetyp reich an Mitochondrien (Organellen mit doppelter Membran oder die Brennöfen innerhalb einer Zelle) ist und die Wärmeproduktion in Reaktion auf das Katecholamin Norepinephrin (NE; 3) erhöhen kann. Die Rolle des sympathischen Nervensystems ist für die Wärmeproduktion im braunen Fettgewebe von entscheidender Bedeutung und es konnte gezeigt werden, dass selektive b3-Rezeptor Agonisten die Thermogenese im braunen Fettgewebe sowie die Lipolyse in weißem Fettgewebe (WAT; 13) anregen.Auch die Schilddrüse spielt bei der Regulation von Wärme eine signifikante Rolle. Sie schüttet Thyroxin aus, um die Stoffwechselrate aller Zellen im Körper zu steigern (3) und andere Schilddrüsenhormone wirken synergistisch mit dem sympathischen Nervensystem zusammen, um die Wärme zu regulieren. Trijodothyronin (T3) fördert die Aktionen von Norepinephrin (NE) und stimuliert die Expression der beta-adrenergenen Rezeptoren (b-AR). Norepinephrin stimuliert die Aktivität eines Enzyms (BAT Type II Thyroxine 5’ Deiodinase) unter Beteiligung des adrenergenen Rezeptors a1-AR, um die Reaktion entkoppelnder Proteine (UCPs) zu stimulieren.
Eine Stimulation der UCPs durch eine synergistische Aktivität zwischen Norepinephrin (über cAMP) und T3 geschieht auf Stufe der Gene (13). Keine Panik, die UCPs werden später noch genauer beschrieben.
Die Aktivität des Sympathischen Nervensystems und cAMP
Wenn das Gehirn Kälte wahrnimmt, werden die sympathischen Nerven aktiviert. Eine Norepinephrin Ausschüttung agiert an den beta-adrenergenen Rezeptoren der Zellmembran der braunen Fettzelle, was im Gegenzug eine Signaltransduktionskaskade aktiviert, bei der cAMP die Protein Kinase A aktiviert, wodurch akute Wirkungen wie die Anregung der Lipolyse und eine UCP-1 Aktivität (man geht zur Zeit davon aus, dass sich UCP-1 nur im braunen Fettgewebe wiederfindet) vermittelt werden. Chronische Wirkungen umfassen Hyperplasie des braunen Fettgewebes, mitochondrielle Biogenese und UCP-1 Gentranskription. Man glaubt, dass die Zunahme der durch eine beta-adrenergen stimulierte Lipolyse freigesetzten freien Fettsäuren die UCP-1 Aktivität im braunen Fettgewebe stimuliert (12).Diese Wirkungen treten im weißen Fettgewebe oder der Skelettmuskulatur nicht auf. Die sympathisch vermittelte cAMP Kaskade via b-AR tritt jedoch in diesen Geweben auf, wodurch die Plasmakonzentrationen der freien Fettsäuren und von Glukose durch eine Aktivierung der hormonsensitiven Lipase und der Glykogen Phosphorylase steigen. Diese Wirkung wird verstärkt, wenn die Phosphodiesterase gehemmt wird. Dieses Enzym wandelt cAMP in das nicht signalisierende Molekül 5’ – AMP um. Methylxanthin Derivate wie Koffein hemmen die Phosphodiesterase und verstärken so die Wirkung des Signalmoleküls cAMP und die Transduktionskaskade in der Zelle. Beta-Agonisten wie Sympathomimetika und thermogene Wirkstoffe wirken übrigens auf dieselbe Art und Weise. Viele Fett-/Gewichtsabbaupräparate enthalten Koffein in der Hoffnung, das dieses die cAMP Signalisierung durch eine Hemmung des Phosphodiesterase Enzyms verstärkt, um eine stärkere Fettssäuremobilisierung sicherzustellen.
Entkoppelnde Proteine (Endlich!)
Man glaubt, dass entkoppelnde Proteine (UCPs) zu einer Unterfamilie von Proteinen gehören, die Mechanismen des Proteinimports durch Komplexe, die in der inneren Membran der Mitochondrien eingebettet sind, verwenden könnten (10). UCPs generieren aufgrund einer entkoppelten Phosphorylierung Wärme anstelle von Energie. Ich werde dies gleich erklären.Als Elektronentransporter geben NADH und FADH2 Elektronen an die Elektronentransportkette (ECT) ab und diese Elektronen werden durch die inneren Membrankomplex (I-IV) transportiert, wo sie schließlich von molekularem Sauerstoff akzeptiert werden. Während die Elektronen die Komplexe I, III und IV passieren, werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt, wo sie ein im Vergleich zur Matrix saures Umfeld schaffen und einen elektrochemischen Potentialgradienten generieren. Dieser Protonengradient etabliert einen Schub oder eine Protonenbewegungskraft, welche Energie liefert, wenn die Protonen durch die F0/F1-ATPase wieder in die Mitochondrialmatrix gelangen. Diese Energie wird verwendet, um ATP aus zytosolischem ADP zu synthetisieren.
Es wurde jedoch vorgeschlagen, dass wenn kein ADP verfügbar ist (mit anderen Worten ausgedrückt, fällt die zytosolische freie Energie von ATP nicht und die Zelle befindet sich in einem hochenergetischen Zustand), Protonen nicht dazu in der Lage sind, in die ATP-Snthase zu gelangen. Dieser verweigerte Eintritt in die ATP Pumpe generiert einen Gegendruck auf die Elektronenpumpe in der Elektronentransportkette, welcher eine weitere Oxidation hemmt (12).
Um eine Ableitung dieses Gradienten zu erlauben und zum Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), besteht ein anderes Schicksal der Protonen im Eintritt in die Mitochondrialmatrix durch ein UCP (14). Die Energie wird nicht verwendet, um ATP zu synthetisieren und stattdessen wird die Energie der Protonenbewegungskraft in Form von Wärme freigesetzt (12). Dieses Phänomen ist als mitochondrielles Protonenleck bekannt. Die Voraussetzungen für dieses Leck umfassen Sauerstoffverbrauch und Protonenbewegungskraft ohne die Synthese von ATP. Mit anderen Worten ausgedrückt, handelt es sich hierbei um eine Entkopplung von Oxidation und Phosphorylierung (ATP Synthese). Es wurde vorgeschlagen, dass das Protonenleck für bis zu 20% der Stoffwechselrate im Ruhezustand (BMR) verantwortlich sein könnte (10).
UCP-1, welches sich im braunen Fettgewebe wiederfindet, ist bezüglich seiner Regulation durch Adrenozeptoren und Schilddrüsenhormone gut charakterisiert (1, 13), wogegen die Mechanismen, die bei seinen Homologen UCP-2 und UCP-3 beteiligt sind, weniger klar sind. Es wurde vorgeschlagen, dass der Protonentransport durch UCP-1 von einem Histidin Paar abhängig ist, das bei den anderen UCPs nicht vorhanden ist, was in einer vollständigen Unfähigkeit des Protonentransports durch UCP-2 und nur einer partiellen Verfügbarkeit des Protonentransports durch UCP-3 resultiert (10). UCP-2 ist in einer großen Bandbreite von Geweben ausgeprägt und man glaubt, dass es durch die cAMP abhängige Proteinkinase reguliert wird. Es wird aufgrund seiner Rolle als negativer Regulator der b-Zellen Insulinausschüttung, mit einer Resistenz gegenüber einer nahrungsinduzierten Fettsucht in Verbindung gebracht (10).
Von UCP-3, welches sich in der Skelettmuskulatur von Menschen und Nagetieren wiederfindet, glaubt man hingegen, dass es sowohl über eine cAMP Aktivierung über eine adrenergene Stimulation als auch durch Schilddrüsenhormone aktiviert wird und es findet sich in der Skelettmuskulatur von sowohl Menschen als auch Nagetieren wieder. Da die Skelettmuskulatur als thermogenes Organ betrachtet wird, wurde in Betracht gezogen, dass UCP-3 am menschlichen Stoffwechsel beteiligt ist. Man hat entdeckt, dass die UCP-3 Expression bei hohen Konzentrationen freier Fettsäuren durch fasten, fettreiche Nahrung oder Training gesteigert ist (10, 14), was seine potentielle Rolle beim Fettstoffwechsel nahelegt. Interessanterweise waren transgene Mäuse mit einer übermäßigen UCP-3 Expression hyperphag, trotzdem schlank und wiesen signifikante Reduktionen des Fettgewebes sowie gesteigerte Glukosebeseitigungsraten auf. Ein für die gesteigerte Fettsäureoxidation vorgeschlagener Mechanismus ist, dass UCP-3 als „mitochondrielles Fettsäure Ausflussprotein“ agieren könnte (10), Diese Theorie wurde von Schrauwen und anderen (14) vorgeschlagen. Da hohe intrazellulare Fettsäurespiegel in der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) resultieren können, könnte UCP-3 eine Rolle spielen, indem es den Fettsäureionen erlaubt, aus der Matrix hinaus zu translozieren, wenn ihr Einströmen ihre Oxidation überschreitet, wodurch eine Lipidperoxidation diese Fettsäuren verhindert wird.
Gentranskriptionsfaktoren und Genexpression
UCPs könnten durch Transkriptionsfaktoren reguliert werden und die Transkriptionsfaktoren, die für gewöhnlich mit der Thermogenese in Verbindung gebracht werden, sind die peroxisomal Proliferator aktivierten Rezeptoren, oder PPARs. Diese PPARs sind nach den Peroxisomen benannt, welche Organellen darstellen, die den Mitochondrien ähneln, denen aber aufgrund nur einer Membran die Membranfunktionen der inneren mitochondriellen Membran fehlt, zu denen auch die ATP Resynthese gehört. Auch wenn es mehrere Isoformen dieser PPARs gibt, zu denen a, b, d, g1 und g2 gehören, sind die Isoformen, die regelmäßig im Kontext der Thermogenese genannt werden, die PPARa und –g Isoformen, welche gewebespezifisch zu sein scheinen. PPARa ist die Isoform, die in der Leber dominiert und sie ist an der peroxisomalen und mitochondriellen beta-Oxidation sehr langer Fettsäuren, die sich z.B. in Fischöl wiederfinden, beteiligt. Darüber hinaus glaubt man, dass PPARa an der Expression von USP-2 und -3 beteiligt ist. Baillie (15) und Kollegen haben gezeigt, dass Fischöl die UCP-3 mRNA Expression in der Skelettmuskulatur sowie die Expression peroxisomaler und mitochondrieller Enzyme, die an der Fettoxidation beteiligt sind, erhöht.PPARg findet sich hingegen in Adipozyten (Fettzellen) und Makrophagen wieder (16) und es wurde vorgeschlagen, dass es die UCP-2 Expression steigert. Von Agonisten dieses Aktivators wie Thiazolidinedion (TZD) Medikamente (die bei der Behandlung von Diabetes zum Zweck der Reduzierung einer Insulinresistent eingesetzt werden) wird vermutet, dass sie UCP-1 in vitro anregen (10) und eine Hypertrophie des braunen Fettgewebes in vivo hervorrufen (12). Von PPARa und PPARg konnte gezeigt werden, dass beide positive Regulatoren von UCP-2 und UCP-3 sind.
Zum Thema UCP Genexpression durchgeführte Studien haben bestätigt, dass UCP-2 im weißen Fettgewebe reichlich vorkommt (17) und dass UCP-3 in der Skelettmuskulatur reichlich vorkommt (15, 17). Interessanterweise wurde die mRNA Expression für UCP-2 im Gewebe von Herz und Leber durch den Konsum von Fischöl signifikant reduziert (15). Ohne aus den Augen zu verliere, dass UCPs „Lecks“ und zellulare „Ineffizienz“ repräsentieren, ist es intuitiv, dass eine entkoppelte Respiration in diesen Gewebetypen verheerende Auswirkungen hätte (17). Da Untersuchungen in diesem Bereich immer noch weitgehend unbekanntes Territorium betrachten, muss man vorsichtig sein, wenn man UCP Daten interpretiert. In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, dass wenn Daten eine Erhöhung der UCP Genexpression nahelegen, dies nicht notwendigerweise mit einer Zunahme der Mengen dieser Proteine gleichbedeutend sein muss! Um die Notwendigkeit einer vorsichtigen Betrachtung zu illustrieren, sei erwähnt, das 1993 Daten von Haddad und Kollegen (18) zeigten, dass Ratten bei Weltraumflügen ihre mRNA Expression für schwere Myosinketten vom Typ IIb (schnell kontrahierende, glykolytische Muskelfasern) in Reaktion auf die Schwerelosigkeit schnell verdoppelten. Doch obwohl die Expression für das Protein schneller Fasern stieg, war eine Atrophie das Resultat.
Nutzlose Zyklen
Nutzlose Zyklen sind energetische Reaktionen, bei denen das Nettoprodukt verschwendete Energie oder ATP ist. Somit hat jeder der ATP-asen (pumpende Prozesse, die Energie benötigen) das Potential, an Effizienz zu verlieren. Beispiele hierfür umfassen die Muskelentspannung während des Zitterns, Ionen Lecks und Substratzyklen. Der Beitrag dieser nutzlosen Zyklen zur fakultativen (adaptiven) Thermogenese ist zurzeit noch unbekannt, doch er könnte signifikant sein (12).Eines der klassischsten Beispiele könnten die Substratzyklen sein, die glykolytische/glukoneogene Pfadwege umfassen. Das Szenario umfasst die drei enzymatischen Prozesse der Glykolyse und die entgegen gesetzten glukoneogenen Reaktionen, die den stöchiometrischen Unterschied eines ATP Äquivalents umfassen. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass wenn sowohl der glykolytische als auch der glukoneogene Fluss simultan mit derselben Rate ablaufen, die formale Bilanz die Hydrolyse von ATP ist.
Die Gleichung würde folgendermaßen aussehen:
Fructose–6-Phosphat + ATP --> Fructose 1,6 Bisphosphat + ADP
H2O + Fructose 1,6 Bisphosphat --> Fructose-6-Phosphate + Pi
-------------------------------------------------------
Das Nettoergebnis: H2O + ATP --> ADP + Pi
Ganz offensichtlich war der einzige nützliche Teil dieses Prozesses die Hydrolyse von ATP oder "verschwendete Energie".
Auch wenn hormonelle und andere Mechanismen bei der Kontrolle der Rate des Flusses und der Rate, mit der diese Art nutzloser Substratzyklen in vivo ablaufen, eine Rolle spielen, können diese Arten von Zyklen den ATP Pool entleeren und eine Erhöhung des Konsums von Kohlenstoffquellen, des Sauerstoffverbrauchs und der Respirationsrate gewährleisten (19).
Eine andere sehr interessante Form solcher Substratzyklen könnte das Hormon Leptin umfassen. Leptin, welches für seine Fähigkeit bekannt ist, die Fettspeicher von Triacylglyzerol zu regulieren, könnte den Energieverbrauch auf mehreren Wegen erhöhen. Man glaubt, dass es die Hypothalamus- Hypophysen- Schilddrüsen Achse dazu anregt, mehr T3 zu produzieren, welches UCPs stimulieren kann und somit das mitochondrielle Protonenleck vergrößert und/oder Leptin selbst könnte die UCP mRNA Expression steigern. Wichtiger ist jedoch, dass gezeigt werden konnte, dass Leptin beim Triacylglyzerol/Fettsäure Zyklus (TAG/FA), bei dem Fettsäuren auf Kosten von 8 Mol ATP pro Zyklus der Wiederveresterung, eine Lipolyse und eine sofort hierauf folgende erneute Veresterung durchlaufen, eine Rolle spielt. Dieser Typ der zyklischen Reaktion läuft primär zum Zweck des Verbrauchs von Energie für die Thermogenese und die Gewichtsreduktion ab und interessanterweise ist seine Aktivität bei Übergewichtigen niedrig. Zusammen mit der Einführung des TGA/FA Zyklus haben Reidy und Weber (20) entdeckt, dass Leptin dazu in der Lage ist, die Lipolyse und die Fettsäureoxidation zu aktivieren, sowie die Brennstoffpräferenz von Kohlenhydraten in Richtung Fett zu verschieben
Wenn man JB kennt, dann weiß man, dass er sich der thermogenen Wirkung von Leptin wohl bewusst ist und es könnte gut sein, dass er sich irgendwo in einem Raum befindet und einen Weg ausheckt, dieses Hormon in Flaschen abzufüllen.
Das Hormon Insulin könnte, wenn es sich zusammen mit freien Fettsäuren im Blutkreislauf befindet, damit beginnen, den Prozess der Triglyzerid Wiederveresterung zu fördern. Aus diesem Grund könnten thermogene Hilfsmittel für den Gewichtsabbau, deren Einnahme vor einer Mahlzeit empfohlen wird, die sympathomimetisch induzierte Lipolyse anregen und hierdurch freie Fettsäuren mobilisieren. Nach der Ausschüttung von Insulin im Zuge der Nahrungszufuhr würden diese Fettsäuren dann wiederverestert, wodurch man vom nutzlosen Zyklus und den hiermit in Verbindung stehenden Energiekosten profitieren würde. Im Endeffekt würde man "Energie verbrennen, während man isst". Ich kann mir jedoch vorstellen, dass dieser Effekt nicht lange anhält, da die Erhöhung der Insulinkonzentrationen das Phosphodiesterase Enzym stimuliert, wodurch die cAMP Kaskade, die die Lipolyse durch die hormonsensitive Lipase anregt, zum Stillstand kommt. Aus diesem Grund könnten diese thermogenen Wirkstoffe mehr Brennstoff mobilisieren und oxidieren, wenn sie während des Trainings verwendet werden. Sie können jedoch, da sie die sympathische Nervenreaktion nachahmen, potentiell gefährlich sein.
Wenn ich den Leser nicht bereits während der Beschreibung der PPARs und der UCPs verloren habe, könnte dies durch Folgendes erreicht werden:
Es konnte gezeigt werden, dass ähnliche nutzlose Zyklen mit Ionen auftreten. Im Fall des Kalzium Zyklus in der Skelettmuskulatur von Kaninchen hängt die Menge der während der Hydrolyse eines jeden ATP Moleküls freigesetzten Energie vom Energiestatus der Zelle (22) und davon ab, ob es ein Leck in der sarkoplasmischen Retikulärvesikelmembran gibt (21, 22). Exotherme Reaktionen, bei denen der Ca2+ Transport die ATP Aktivität entkoppelt hat, laufen dann ab, wenn die Vesikel aufgrund eines niedrigen ADP/ATP (hoher Energiestatus der Zelle) Verhältnisses und eines Mangels des Gradienten durch die Membran, „lecken“. In Situationen mit einem hohen ADP/ATP Verhältnisses (sinkender/niedriger Energiestatus der Zelle), sind die Vesikel und der Gradient jedoch intakt und die Energie, die freigesetzt wird, wird absorbiert. In diesem Fall ist der Ca2+ Transport endotherm (wärmeabsorbierend) und eine ATPase Entkopplung tritt nicht auf (22).
Ein klassisches Beispiel für den Kalziumionenzyklus kann in den „Heizorganen“ von Knochenhechten beobachtet werden. Diesem spezifischen Gewebe fehlt es an kontraktilem Protein, doch es enthält reichlich Mitochondrien, Acetylcholin Rezeptoren, sarcoplasmisches Retikulum (SR) und T-Tubuli. Depolarisationsinitiiertes SR setzt Ca2+ frei und wird dann durch einen ATP Konsum durch die Ca-ATPase wieder zum SR rückgeführt. Dieser nutzlose Zyklus läuft ausschließlich zum Zweck der Wärmegenerierung für das Gehirn und die Augen des Fisches während des Tauchens in kaltem Wasser ab (12).
Auch das Leck der Natrium/Kalium (Na+/K+) Pumpe der Skelettmuskulatur könnte einen signifikanten Beitrag zur „verschwendeten“ Energie des Körpers leisten. Die Na+/K+ Pumpe arbeitet effizient daran, auf Kosten von einem Mol ATP, drei Na+ Moleküle aus der Zelle und zwei K+ Ionen zurück in die Zelle zu Pumpen. Während muskulärer Aktivität sollte das K+, das aufgrund der Depolarisation aus der Zelle gepumpt wird, über die Na+/K+ ATPase zurück in die Zelle transportiert werden, doch ein großer Teil dieses K+ geht in den interstitiellen Raum verloren, wenn es das Plasma ins Gleichgewicht bringt. Vielleicht wird die Pumpe „schlampig“, wenn die freie Energie des ATPs sinkt (sinkender Energiestatus der Zelle) und schafft es nicht mehr, die korrekte stöchimetrische Menge an K+ zurück in die Zelle zu bringen. Als Resultat hiervon könnte sich das K+ Leck während des Trainings auf das Dreifache von dem, was von den Na/K Pumpen aufgenommen werden kann, aufsummieren, so dass einmal mehr Energie verschwendet wird (23).
Ein Mechanismus, der die erhöhte K+ Plasmakonzentration während des Trainings reduzieren könnte, braucht auch Energie. Lindinger und Kollegen (24) haben unter Verwendung roter Blutkörperchen und menschlichem Plasma, das nach dem Training entnommen wurde, ex vivo gezeigt, dass die roten Blutkörperchen das Plasma K+ aktiv durch Na+/K+ Pumpen aufnehmen können (~67%). Wenn die Wissenschaftler das dupliziert haben, was tatsächlich in vivo geschieht, dann bedeutet dies, dass während des Trainings die doppelte Menge an ATP notwendig sein könnte, damit die K+ Ionen ihren Weg zurück in die Zelle finden.
Schlussfolgerung
Die adaptive oder fakultative Thermogenese umfasst die zusätzlichen Prozesse, die unabhängig von den grundlegenden Prozessen ablaufen, die notwendig sind, um das Leben aufrecht zu erhalten. Einige dieser obligatorischen thermogenen Prozesse können jedoch moduliert, induziert und gesteigert werden, wodurch ihr Beitrag zum Energieverbrauch verändert wird. Sympathomimetische Wirkstoffe, die eingenommen werden, um die Aktionen von Katecholaminen zu imitieren, können die Substratverfügbarkeit in den Muskeln und dem weißen Fettgewebe, sowie die Schilddrüsenaktion steigern. Protein erhöht den Energieverbrauch und Omega-3 Fettsäuren steigern die Genexpression und die Thermogenese über Erhöhungen der mitochondriellen Entkopplung und der Mengen fettoxidierender Enzyme. Substrate und Ionenzyklen könnten einen großen Teil zum ATP-/Energieverlust in der Zelle beitragen, der einen höheren Konsum von Substraten und Sauerstoff und eine gesteigerte Respiration, um diese Ineffizienzen zu kompensieren, zur Folge hat. Offensichtlich könnte der Beitrag der adaptiven Thermogenese zum Energieverbrauch signifikanter sein, als man ursprünglich dachte. Auch wenn der Körper voller physiologisch unvollkommener Systeme zu sein scheint, kann man sich fragen, ob man diese Unvollkommenheiten als Mängel wahrnimmt, die eine Verschwendung von Energie zur Folge haben, oder ob es sich um absichtliche, clevere und für das Überleben notwendige Mechanismen handelt.Referenzen
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