Review

בחר גיליון:
מטבוליזם והרזיה - הקושי לרזות טמון בשינויים הסתגלותיים, צחי כנען

צחי כנען, דיאטן קליני M.Sc, מתמחה בהרזיה ותזונת ספורט, מכבי שירותי בריאות

הרזיה מבוססת על חוק מספר אחד בתרמודינמיקה המתמצה בשינוי "פשוט" במאזן האנרגיה - הקטנת הצריכה הקלורית לעומת ההוצאה האנרגטית. אלא שבפועל, הרזיה מסווה תהליכים רגולטיביים מורכבים לשמירה על כמות שומן יציבה בגוף (Fat Steady State) על אף סביבה קלורית משתנה. זו "חשיבה" אבולוציונית הישרדותית, תופעה המקדמת מאזן אנרגיה חיובי, חידוש האנרגיה הנאגרת בשומן, וניסיון להשיג קלוריות נוספות. המונחים הסתגלות מטבולית (Metabolic adaptation) או תנגודת הירידה במשקל (Weight Loss Resistance) מתארים ירידה חדה, לא פרופורציונלית, בהוצאה הקלורית היומית ומנגנון פיצוי פיזיולוגי המקדם עליה חזרה במשקל, שאיננה תוצאה של חזרה להרגלים ולהתנהגות אכילה קודמת בלבד.

בקרב מטפלים וארגוני רפואה רבים כגון (1) National Institutes of Health ו- (2) American Dietetic Association רווחת עדיין ההמלצה להפחית כ- 500 קק"ל ביום לצורך ירידה איטית והדרגתית בת חצי ק"ג בכל שבוע. המלצה זו הידועה גם בסיסמה "חסוך 3500 קק"ל בשבוע תרזה 0.5 ק"ג בסופה" מתעלמת מתופעת ההסתגלות המטבולית (Metabolic adaptation) או בשמה האחר תנגודת הירידה במשקל (Weight Loss Resistance). עדות להסתגלות המטבולית היא הקושי לרזות ועוד יותר לשמר את הישגי התהליך לאורך זמן. ההגדרה המקובלת ל"הצלחה" בדיאטה היא ירידה בת לפחות 10% מהמשקל הבסיסי ושמירתו לאחר שנה (3), על פי הגדרה זו רק כ- 5-20% משיגים אותה, כאשר אחוז ההצלחה נקבע במידה רבה במאפייני אוכלוסיית המחקר. חשוב מכך רוב המשקל חוזר תוך 3-5 שנים (3-5). לאור הנתונים, לו נבין את כלל התהליכים והמנגנונים הפיזיולוגיים הקשורים בהרזיה ונדע לזהות איזו מערכת התנהגותית/מטבולית ייחודית (=המטופל) מגיעה אלינו לטיפול אולי נשיג שיעורי הצלחה גבוהים יותר.

לאחר ירידה של 10% במשקל אנו צופים בפגיעה מטבולית ממוצעת בת כ-15% השווה לכ- 300-400 קק"ל ביום אצל גבר השוקל כעת 80-70 ק"ג. עם זאת, השונות הבין אישית רחבה מאוד - מפגיעה מינימלית בת 50 קק"ל ועד 800 קק"ל ביום, עובדה המרמזת על פוטנציאל שונה לרזות ובוודאי לשמר את הישגי התהליך. שינויים מטבוליים בתהליך ההרזיה הרזיה מבוססת על חוק מספר אחד בתרמודינמיקה המתמצה בשינוי "פשוט" במאזן האנרגיה - הקטנת הצריכה הקלורית לעומת ההוצאה האנרגטית. אלא שבפועל, הרזיה מסווה תהליכים רגולטיביים מורכבים לשמירה על כמות שומן יציבה בגוף (Fat Steady State) על אף סביבה קלורית משתנה. זו "חשיבה" אבולוציונית הישרדותית, תופעה המקדמת מאזן אנרגיה חיובי, חידוש האנרגיה הנאגרת בשומן, וניסיון להשיג קלוריות נוספות. מרתק כי Keys וחבריו עוד בשנות החמישים מתארים תופעה זו באמצעות ירידה לא פרופורציונלית בצריכת החמצן הבסיסית אצל 32 גברים רזים שצרכו רק 50% מכמות הקלוריות היומית במשך כחצי שנה (6). במשקל יציב המוגדר כמשקל זהה במשך כ-6 חודשים, לא נצפה הבדל בסך ההוצאה הקלורית (Total Energy Expenditure, TEE) החזויה בין אנשים רזים לשמנים פר יחידה מטבולית. כלומר, כל עוד מתחשבים בהרכב הגוף (כמות שומן ושריר בעיקר) ניתן לחשב את ההוצאה הקלורית היומית ללא קשר לגודל המסה ברמת שגיאה סבירה וקרובה ל 50-100 קק"ל ביום (7-9). באופן מוחלט TEE קטן עם הירידה במסת הגוף עקב שתי סיבות: האחת - איבוד הרקמה שאיננה שומן (Fat Free Mass, FFM) ובעיקר מסת השריר הנחשבת לרקמה המטבולית העיקרית ושתיים - הגוף נדרש "להזיז" מסה קטנה יותר בכל פעילות (9-10). בפועל, מאזן קלורי שלילי גורר ירידה מובהקת נוספת לא פרופורציונלית ב-TEE, פגיעה אנרגטית מעבר להשפעה החזויה שתיארתי הקשורה לירידה במסת הגוף או בשינוי ב- FFM (8-17). הסתגלות מטבולית זו משפיעה על קצב הירידה במשקל ויוצרת מצב "אידאלי" לעליה חזרה במשקל אצל רזים ושמנים המנסים לשמור על הישגי הדיאטה שלהם. ו"במספרים" - לאחר ירידה במשקל בת 10% אנו צופים בפגיעה מטבולית ממוצעת (מעבר לשינוי המוסבר במשקל ובהרכב הגוף ) בת כ-15% השווה לכ- 300-400 קק"ל ביום אצל גבר השוקל כעת 80-70 ק"ג. עם זאת, השונות הבין אישית רחבה מאוד - מפגיעה מינימלית בת 50 קק"ל ועד 800 קק"ל ביום (18-21), עובדה המרמזת על פוטנציאל שונה לרזות ובוודאי לשמר את הישגי התהליך. ההיגד One Size fits all בוודאי אינו מתאים לתיאור תופעה זו.

טבלה 1: סיכום השינויים הפיזיולוגיים במאזן קלורי שלילי

Range impact

How 10% reduced body weight loss effect?

Metabolic adaptation's component

Energy expenditure

-15%

-(50-800   kcal)

Decreased

Total (24-h) energy expenditure, TEE

<-150 kcal

Decreased or unchanged

Resting Metabolic Rate, RMR

-

Decreased or unchanged

Thermic Effect of Feeding, TEF

-(30%-40%)

Decreased

Non-resting Energy Expenditure, NREE

+20%

Increased

Skeletal muscle work efficiency

-

Mostly unchanged

Physical Activity , PA

Increased

Respiratory Exchange Ratio, RER

~ (-0.250 C)

Decreased

Core Body Temperature

Endocrine function

- (7%-18%)

In normal range

Decreased

Thyroid hormones: Thyroxine (T4), T3, Thyrotropin (TSH))

-(45%-60%)

?

Decreased

Decreased

Adipose signals:

Leptin

Insulin

?

?

-

Increased

Decreased

Unchanged/Decreased

Appetite sensations:

Ghrelin, Gastric Inhibitory   Polypeptide (GIP), Pancreatic Polypeptide. Adiponectin.

Peptide YY, Amylin, CCK.

Glucagon-like   Peptide1   (GLP-1).

Autonomic function

-40%

Decreased

Sympathetic nervous system tone

+80%

Increased

Parasympathetic nervous system tone

 

מצב היפו-מטבולי זה מופיע מיד עם תחילת ההרזיה אצל רזים ושמנים כאחד ומגיעה לשיאה לאחר ירידה בת 10% במשקל, הרזיה נוספת איננה גוררת פגיעה מטבולית נוספת (18-22). כמשל – המדרון אינו תלול ואין סופי אלא מין מתג OFF/ON שבו הגוף לא ימשיך "להתנגד" לירידה במשקל. הפסקת הירידה במשקל (באופן מכוון או עקב חוסר יכולת ליצור מאזן קלורי שלילי נוסף) אינה מנרמלת את הפגיעה בTEE , הן בטווח הקצר (חודשים ספורים) והן אף 6 שנים לאחר שרזו (18,23). קרוב לוודאי שאותם "מצליחנים" רכשו כלים התנהגותיים המאפשרים להם לשמר את הישגי הדיאטה. בניגוד לכך, הפגיעה המטבולית מנורמלת לאחר העלייה חזרה למשקל התחלתי או למשקל גבוה יותר (14,24-27) עובדה הסותרת את המיתוס כי דיאטות מרובות פוגעות בחילוף החומרים. מחקרים מעטים הראו תוצאות שונות : פגיעה לא מובהקת ב-TEE, או תיקון אנרגטי לאחר 6 חודשי הרזיה, אך אלו סבלו מבעיות מתודולוגיות משמעותיות: האיזון המשקלי לא הוקפד, הנבדקים לא היו מספיק זמן במאזן אנרגטי יציב, הרכב דיאטות שונה, ורמת פעילות גופנית (פ"ג) לא יציבה (28-29).

ההיפו-מטבוליזם מתבטא בירידה בשיעור של 40% בפעילות מערכת העצבים הסימפתית, ובעלייה בשיעור כמעט כפליים בפעילות מערכת העצבים הפרא-סימפתית. כמו כן, נצפים שינויים בהורמוני התירואיד בעיקר ירידה בהורמון T3 , ריכוזו נשאר עדיין בטווח הנורמה המקובל, אך ממסך למעשה תמונת היפו-תירואידיזם. במקביל, טמפרטורת הגוף יורדת בכ 0.2-0.3 מעלות צלזיוס שינויים בהוצאה האנרגטית בפעילות גופנית יום-יומית רכיב ה-TEE הנפגע ביותר עקב ירידה במשקל הוא באופן מפתיע, ההוצאה האנרגטית בפעילות גופנית יום-יומית ( Non-Resting Energy Expenditure, NREE), המוגדרת כהוצאה הקלורית מעבר למנוחה הבסיסית. שני המרכיבים הנוספים: חילוף החומרים הבסיסי (Resting Metabolic Rate, RMR) וההוצאה האנרגטית על עיכול המזון (Thermic Effect of Food, TEF) נפגעים אך חלקם היחסי קטן יותר (18,30-32). NREE פרופורציונלית למשקל הגוף, ולכן ירידה במסה מקטינה את ההוצאה הקלורית בהתאמה מחד ומאידך, הפגיעה המטבולית הנצפית גבוהה מעבר לצפוי ב 30%-40% לאחר הרזיה בת 10% בלבד (32,30). מכאן שסך ההוצאה הקלורית בפ"ג אקראית פוחתת משמעותית. אינטואיטיבית, ניתן להניח כי מרזים מצמצמים את התנועה היום-יומית, אולי 'אדפטציה התנהגותית' כתופעה תת הכרתית כדי לשמר אנרגיה, אך ברוב המחקרים לא נצפתה כלל תופעה זו (37,22,33). ולהיפך, מהניסיון הקליני אנשים שמרזים נהנים להעלות במדרגות, ללכת יותר וכו'. ההסבר המבוסס מחקרית לפגיעה הגדולה בNREE הוא העלייה בכ- 20% ביעילות פעילות השריר (!) משמע היכולת לבצע עבודה זהה בפחות אנרגיה. היעילות בביצוע תנועה אחראית על כ- 80% מהפגיעה הקלורית הכללית (,20,33,34,52).

התייעלות השריר יעילות השריר מתבטאת בשני גורמים 1. ירידה בפעילות גליקוליטית של האנזים phosphofructokinase -PFK (34-36) 2. שינויים מולקולריים בסיבי השריר ועלייה בהתבטאות הגנטית של mRNA לסיבי שריר מסוג 1 (סיבים אדומים) (34,69). סיבים אלו מאפשרים ביצוע פעולות אירוביות ממושכות, חמצון שומן גבוה כמקור אנרגיה וכפועל יוצא בזבוז נמוך בכ 50% ב- ATP לעומת סיבי שריר מסוג 2 (סיבים לבנים) (49,50). במהלך הרזיה נצפים שינויים בשימוש הנוטריאנטים ליצירת אנרגיה. גלוקוז הופך להיות 'הדלק' המועדף ואילו חמצון השומן קטן (68,38-43), כתוצאה מכך מנת הנשימה (Respiratory Exchange Ratio, RER) עולה ונשארת גבוהה גם במעקב מעל 3.5 שנים אצל רזים שהיו שמנים (42). התוצאה היא שיותר שומן מוסט לאגירה ברקמת השומן (44,70). ההפסד האנרגטי בתהליך הליפוגנזה (יצירת השומן) מחומצות שומן קטן משמעותי מהגלוקוז (45), לכן מכמות קלוריות שווה ניתן לאגור יותר שומן. אחת הסיבות המרכזיות לדיכוי חימצון השומן היא עלייה בייצור Malonyl-CoA, הפרוקורסור לסינתזת חומצות שומן (46-48). יעילות השריר עולה, אם כן, ו- RER עולה בהתאמה אך במהלך פ"ג קיימת תופעה הפוכה: חמצון השומן עולה על חשבון חמצון הגלוקוז. תופעה המתרחשת רק במהלך פ"ג בעצימות נמוכה (למשל הליכה איטית או רכיבת אופניים בהספק של (10-25W אך לא בפ"ג בעוצמה גבוהה מזו (20,32,33,37,52). העלייה היחסית בשימוש בחומצות שומן בזמן פעילות איננה כנראה, עקב עליה בחמצון השומן אלא עקב ירידה ביכולת לחמצן גלוקוז (33,34). מנקודת מבט טיפולית יש להמליץ ולכוון לפ"ג עצימה העוקפת פוטנציאלית את היעילות המטבולית המתרחשת בפעילות נמוכת העוצמה.

שינויים נוספים במרכיבי ההוצאה האנרגטית ברוב המחקרים נצפתה ירידה בחילוף החומרים הבסיסי (RMR ) מעבר לחזוי על פי השינוי במשקל ובהרכב הגוף (22,53-58). במטה אנליזה נמצאRMR הנמוך ב 3%-5% בלבד אצל שמנים לשעבר לעומת רזים (29). באופן יחסי הפגיעה הממוצעת היא עד כשליש מהפגיעה הגדולה ב- NREE, עובדה העומדת בניגוד לדעה הרווחת כי RMR הוא מקור הפגיעה המשמעותי ביותר בסך ההוצאה הקלוריות היומית-TEE . הפגיעה בRMR איננה שונה בין גברים לנשים, בין ברות דלת פחמימות לעומת דלת שומן (59), אך כנראה גבוהה יותר ככל שמתבגרים (60-61), ויותר אצל שחורים מלבנים (62,63). באופן הגיוני ניתן לחזות שהפחתת כמות המזון תוביל לירידה במרכיב ההוצאה האנרגטית הקשור לעיכולו וספיגתו (TEF). בפועל, אין עדות במחקרים קצרי מועד (<12 שבועות) (65,64) ולא נמצאו מחקרים ארוכי טווח (>26 שבועות) להסתגלות מטבולית הקשורה לשינוי בכמות המזון היחסית הנספגת (52,54) ותוצאות סותרות נצפו על שינויים בתרמוגנזה עקב עיכול אבות מזון שונים (67, 22,52,54,66). להמחשת עומק ההסתגלות המטבולית אביא את תוצאות מחקרו של רוזנבאום וחבריו (18) מהיחידה הקלינית בבית החולים St Lukes-Roosevelt Hospital Medical Center. 21 משתתפים שהו בבית החולים 35-60 ימים, עברו ניטור אנרגטי מלא 24 שעות וצרכו 800 קק"ל בנוזל להשגת ירידה במשקל בת 10%. TEE נמצא נמוך מהמצופה ב 460 קק"ל,RMR נמוך ב 160 קק"ל, NREE נמוך ב 334 קק"ל,TEF לא נפגע כלל. תוצאות אלו מעידות על פגיעה משמעותית בהוצאה הקלורית היומית בפעילות היום-יומית (NREE), כמחצית ממנו על חילוף החומרים הבסיסי (RMR) והעדר פגיעה בהוצאה האנרגטית על עיכול המזון (TEF).

מנגנונים הורמונאליים אדפטיביים ההיפו-מטבוליזם מתבטא בשינויי תיפקוד מערכת העצבים ההיקפית, הן ירידה בשיעור של 40% בפעילות מערכת העצבים הסימפתית (ירידה בקטכולאמינים), והן עלייה כמעט כפליים בפעילות מערכת העצבים הפרא-סימפתית (,52,12, 72-74). כמו כן, נצפים שינויים בהורמוני התירואיד בעיקר ירידה בהורמון (T3) Triiodothyronine, ריכוזו נשאר עדיין בטווח הנורמה המקובל, אך ממסך למעשה תמונת היפו-תירודיזם (,7330,52,53,58). במקביל, טמפרטורת הגוף (Core Body Temperature) יורדת בכ 0.2-0.3 מעלות צלזיוס (22,75-78). ידוע כי המערכת ההורמונלית משחקת תפקיד מרכזי בקביעת משקל הגוף. באופן פשטני באמצעות משובים בין המוח לפריפריה דרך מתווכים הורמונליים ופפטידים פריפריים המשוחררים ממערכת העיכול, לבלב ורקמת השומן ה"משוחחים" עם האיזור המרכזי בעיקר ההיפותלמוס. ניתן לחלקם ע"פ תפקידם: מתווכים למצב האנרגיה האצורה בגוף - הלפטין ואינסולין (Adipose signals) ומתווכים לתחושות רעב ושובע (Appetite sensations) –שהעיקריים הם גרלין, GIP, CCK, PYY, אמילין, Pancreatic polypeptide ו GLP-1 (51,79). לפטין הוא הגורם ההורמונלי כנראה, המשמעותי ביותר בבקרת המשקל באמצעות הגברת צריכת המזון והקטנת ההוצאה האנרגטית (82). ריכוזו בדם פוחת באופן ליניארי ועד כ45%-65% עם הירידה בצריכה הקלורית (משוב מיידי) (80,83) ועם הירידה בכמות השומן בגוף (משוב ארוך טווח) (,53,69,73). השפעת מתן הלפטין דרך הוריד לשחזור ריכוזו לפני תחילת הירידה במשקל מרמזת על מעורבותו בבקרת המשקל: הקטנת היעילות המטבולית של רקמת השריר (69), הפחתת תחושת הרעב דרך מערכת העצבים המרכזית-ההיפותלמית, הגברת פעילות מערכת העצבים ההיקפית/הסימפתית ותיקון רמות הורמוני התירואיד (52). הפחתת משקל גוררת צמצום נפח תאי השומן בעוד מספרם אינו משתנה (39,85), כלומר סך השומן בגוף קטן מחד ומאידך הפוטנציאל המקסימלי לאגור אנרגיה נשמר. תאי שומן קטנים משחררים כמות לפטין קטנה יותר המתורגמת בהיפותלמוס כירידה ברזרבות ו"מיכל דלק רחוק ממילוי". זוהי אולי אחת הסיבות שהירידה בריכוז הלפטין גדולה מאשר היינו מצפים על פי הירידה הפרופורציונלית בכמות השומן (84-86). תאי שומן קטנים רגישים יותר לאפקט האנטיליפוליטי של האינסולין, ורגישים פחות להשפעה הליפוליטית של הקטכולאמינים כך שתא השומן שומר על פוטנציאל גבוה לעלייה בשומן (87,74). ירידה ברמות האינסולין במהלך הרזיה מוסברת דרך שיפור ברגישות לאינסולין, השפעת הלפטין והפחתה בתגובה של חלבון GIP. אינסולין משפיע באופן ישיר על כניסת הגלוקוז לשריר וכתוצאה מכך על הזמינות שלו בתא. כמו הלפטין, האינסולין משפיע על פעילות ההומאו סטטית בהיפותלמוס, עליה במוטיבציה לאכול ובגמול על השגת האוכל (88-91). ירידה במשקל גוררת עליה ברמת הגרלין המגביר את תחושת הרעב (92), לירידה ב- Peptide YY,Amylin וCCK- (93,94,81) המגבירים את תחושת התיאבון ולעליה בהורמון Gastric Inhibitory Polypeptide (GIP) המקדם אגירת שומן (81). ריכוז GLP יורד או אינו משתנה (81). מחקר אוסטרלי שהתפרסם לאחרונה מצא כי גם לאחר 12 חודשים מסיום ההרזיה ומאזן קלורי נוכחי חיובי (החלו להעלות במשקל) לא הביא לתיקון ריכוזי ההורמונים הללו והמשתתפים דיווחו על רמת רעב ורצון לאכול גבוהים במיוחד (81). "זיכרון" לסטרס הקלורי זמן רב לאחר שאינו קיים מאיר את עינינו להשפעת ההסתגלות המטבולית. בניגוד להגיון ההסתגלות המטבולית שני הורמונים מתנהגים אחרת מהצפוי 1. ריכוז הפפטיד Pancreatic Polypeptide הגורם לדיכוי תיאבון עולה בזמן ירידה במשקל אצל מבוגרים וילדים (96,81,95). 2. רמת ההורמון אדיפונקטין עולה למרות שמגביר הוצאה קלורית בעכברים, מעלה את חמצון השומן ומדכא ייצור גלוקוז בסרום, יחד עם זאת מעלה את הרגישות לאינסולין ופועל אנטי-טרשתי המתאים לתהליכים הניצפים במהלך ירידה במשקל (30,97-100). מחקרים התנהגותיים (20,81,101-108) הבודקים הפחתה קוגניטיבית בצריכת הקלוריות מוצאים עליה ברמת הרעב, ירידה ביכולת להעריך את כמות המזון הנצרכת, עלייה בכמות המזון והקלוריות פר ארוחה וירידה ברצון לאכול ארוחות החוזרות על עצמן (ארוחות מונוטוניות), באופן מפתיע רמת השובע מושפעת פחות מרמת הרעב. מחקרים קליניים שמדדו פעילות מוחית בזמן ארוחה / צפייה במזון תומכים לרוב בתוצאות המחקרים ההתנהגותיים (101-104).

במהלך הרזיה נצפים שינויים בשימוש הנוטריאנטים ליצירת אנרגיה. גלוקוז הופך להיות 'הדלק' המועדף וחמצון השומן קטן, התוצאה – יותר שומן מוסט לאגירה ברקמת השומן. ההפסד האנרגטי בתהליך הליפוגנזה (יצירת השומן) מחומצות שומן קטן משמעותי מהגלוקוז, לכן מכמות קלוריות שווה ניתן לאגור יותר שומן.

מבט לעתיד המונחים הסתגלות מטבולית (Metabolic adaptation) או תנגודת הירידה במשקל (Weight Loss Resistance) מתארים ירידה חדה, לא פרופורציונלית, בהוצאה הקלורית היומית ומנגנון פיצוי פיזיולוגי המקדם עליה חזרה במשקל (טבלה מסכמת), ולא רק תוצאה של הרגלים התנהגותיים "רעים". באופן פרקטי, לו נדע לחזות ולאפיין את פנוטיפ המטופל לפני תחילת ההרזיה - אצל מי מימד הרעב יהיה גורם המפתח, אילו אזורים במוח פעילים יותר, אצל מי גורם ההסתגלות המטבולית משמעותי יותר, מהו היחס בין ריכוז הלפטין לגרלין -בקורלציה גבוהה לאיבוד שומן (80) נדע לתכנן התערבות טיפולית טובה יותר ועל פי הביולוגיה האישית למשל סוג האימון הגופני, עבודה על התנהגויות ספציפיות וכו' ואולי לטפל טוב יותר ב 80% הנכשלים. מספר כלים טיפוליים מבטיחים כבר כיום תוצאות טובות יותר וביניהם עבודה מעמיקה בשינוי חשיבה והרגלי אכילה, קשרים טיפוליים ארוכי טווח, בניית תכניות אימון אינדיבידואליות (בעיקר פעילות אירובית בעצימות גבוהה מאוד ו/או פעילות כנגד התנגדות), הפחתה משמעותית בשעות הצפייה בטלוויזיה וטיפול אקסוגני בלפטין להפחתת היעילות המטבולית.

References: 1. Seagle HM, Strain GW, et al. Position of the American Dietetic Association: weight management. J Am Diet Assoc 2009;109(2):330-46. 2. F.Xavier P, et al. Clinical Guidelines on the Identification, Evaluation, and Treatment of Overweight and Obesity in Adults. NIH 2000. 3. Wing RR, Hill JO. Successful weight loss maintenance. Annu Rev Nutr 2001;21:323-41. 4. Kraschnewski JL, Boan J, et al. Long-term weight loss maintenance in the United States. Int J Obes (Lond) 2010;34:1644-54. 5. Weiss EC, Galuska DA, et al. Weight regain in U.S. adults who experienced substantial weight loss, 1999-2002. Am J Prev Med 2007; 33:34-40. 6. Keys A, Brozek J, et al.The Biology of Human Starvation. Minneapolis, MN:University of Minnesota Press 1950. 7. Schoeller D. Balancing energy expenditure and body weight. Am J Clin Nutr 1998;68(suppl):956S–61S. 8. Leibel R, Rosenbaum M, et al. Changes in energy expenditure resulting from altered body weight. N Eng J Med. 1995;332:621–28. 9. Rosenbaum M, Ravussin E, et al. A comparative study of different means of assessing long-term energy expenditure in humans. Amer J Physiol. 1996;270:R496–504. 10. Leibel RL, Hirsch J. Diminished energy requirements in reduced-obese patients. Metabolism 1984;33:164-70. 11. Leibel R, Chua S, et al. Obesity. In: Scriver C, Beaudet A, Sly W, Valle D, eds. The metabolic and molecular bases of inherited disease. 8th ed. New York, NY: McGraw-Hill, 2001:3965–4028. 12. Rosenbaum M, Hirsch J, et al. The effects of changes in body weight on carbohydrate metabolism, catecholamine excretion, and thyroid function. Am J Clin Nutr 2000;71:1421–32. 13. Weigle D, Brunzell J. Assessment of energy expenditure in ambulatory reduced-obese subjects by techniques of weight stabilization and exogenous weight replacement. Int J Obes 1990;14(suppl):69–77. 14. Jebb S, Goldberg G, et al. Effects of weight cycling caused by intermittent dieting on metabolic rate and body composition in obese women. Int J Obes 1991;15:367–74. 15. Geissler C, Miller D, et al. The daily metabolic rate of the post-obese and the lean. Am J Clin Nutr 1987;45:914–20. 16. De Boer J, van Es A, et al. Adaptation of energy metabolism of overweight women to low energy intake, studied with whole-body calorimeters. Am J Clin Nutr 1986;44:585–95. 17. Dulloo A, Jacquet J. Adaptive reduction in basal metabolic rate in response to food deprivation in humans: a role for feedback signals from fat stores. Am J Clin Nutr 1998;68:599–606. 18. Rosenbaum M, Hirch J. Long-term persistence of adaptive thermogenesis in subjects who have maintained a reduced body weight Am J Clin Nutr 2008;88:906-12. 19. Wing RR, Lang W, et al. Benefits of modest weight loss in improving cardiovascular risk factors in overweight and obese individuals with type 2 diabetes. Diabetes Care. 2011;34(7):1481-6. 20. Redman LM, Heilbronn LK. Metabolic and behavioral compensations in response to caloric restriction: implications for the maintenance of weight loss. PLoS One 2009;4(2):e4377. 21. Shetty P . Adaptation to low energy intakes: the responses and limits to intakes in infants, children, and adults. Eur J Clin Nutr 1999;53Suppl1:S14– S33. 22. Leibel RL, Rosenbaum M,et al. Changes in energy expenditure resulting from altered body weight. N Engl J Med 1995;332:621-8. 23. Weyer C, Walford RL, et al. Energy metabolism after 2 y of energy restriction: the biosphere 2 experiment. Am J Clin Nutr 2000;72:946-53. 24. Froidevaux F, Schutz Y, et al. Energy expenditure in obese women before and during weight loss, after refeeding, and in the weight-relapse period. Am J Clin Nutr 1993;57:35–42 25. Van Gemert WG, Westerterp KR, et al. Energy, substrate and protein metabolism in morbid obesity before, during and after massive weight loss. Int J Obes 2000;24:711–18. 26. Dulloo AG, and Girardier L. Adaptive changes in energy expenditure during refeeding following low-calorie intake: evidence for a specific metabolic component favoring fat storage. Am J Clin Nutr 1990;52:415-20. 27. Melanson EL, Hill JO. Peripheral metabolic responses to prolonged weight reduction that promote rapid, efficient regain in obesity-prone rats. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2006;290: R1577-88. 28. Heymsfield S, Harp J, et al. Why do obese patients not lose more weight when treated with low-calorie diets? A mechanistic perspective. Am J Clin Nutr 2007;85:346–54. 29. Astrup A, Gotzsche P, et al. Meta-analysis of resting metabolic rate in formerly obese subjects. Am J Clin Nutr 1999;69:1117–22. 30. Goldsmith R, Joanisse D, et al. Effects of experimental weight perturbation on skeletal muscle work efficiency, fuel utilization, and biochemistry in human subjects. Am J Physiol 2010;298:R79–88. 31. Weigle D. Contribution of decreased body mass to diminished thermic effect of exercise in reduced-obese men. Int J Obes 1988;12:567–78. 32. Weigle D, Sande K, et al. Weight loss leads to a marked decrease in nonresting energy expenditure in ambulatory human subjects. Metabolism 1988;37:930–6. 33. Rosenbaum M, Vandenborne K, et al. Effects of experimental weight perturbation on skeletal muscle work efficiency in human subjects. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2003;285:R183–92. 34. Goldsmith R, Joanisse D, et al. Effects of experimental weight perturbation on skeletal muscle work efficiency, fuel utilization, and biochemistry in human subjects. Am J Physiol. 2010;298:R79–88. 35. Goodpaster G, Katsiaris A, et al. Enhanced fat oxidation through physical activity is associated with improvements in insulin sensitivity in obesity. Diabetes 2003;52:2191–7. 36. Ranneries C, Bulow J, et al. Fat metabolism in formerly-obese women. Am J Physiol Endocrinol Metab 1998;274:E155–E61. 37. Weinsier Rl, Hunter GR, et al. Energy expenditure and free-living physical activity in black and white women: comparison and after weight loss. Am. J. Clin. Nutr. 2000;71:1138–46. 38. Acheson KJ, Schutz Y, et al. Carbohydrate metabolism and de novo lipogenesis in human obesity. Am J Clin Nutr 1987;45:78–85. 39. Jackman MR, Steig A, et al. Weight regain after sustained weight reduction is accompanied by suppressed oxidation of dietary fat and adipocyte hyperplasia. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2008;294(4):R1117-29. 40. Weyer C, Pratley RE, et al. Energy expenditure, fat oxidation, and body weight regulation: a study of metabolic adaptation to long-term weight change J Clin Endocrinol Metab. 2000;85(3):1087-94. 41. Poynten A, Markovic T, et al. Fat oxidation, body composition and insulin sensitivity in diabetic and normoglycaemic obese adults 5 years after weight loss. Int J Obes 2003;27:1212–8. 42. Weyer C, Pratley R, et al. Energy expenditure, fat oxidation, and body weight regulation: a study of metabolic adaptation to long-term weight change. J Clin Endocrinol Metab 2000;85:1087–4. 43. Froidevaux F, Schutz Y, et al. Energy expenditure in obese women before and during weight loss, after refeeding, and in the weight-relapse period. Am J Clin Nutr 1993;57:35–42. 44. Bessesen DH, Rupp CL, and Eckel RH. Dietary fat is shunted away from oxidation, toward storage in obese Zucker rats. Obes Res 1995;3:179–89. 45. Flatt JP, Tremblay A. Energy expenditure and substrate oxidation. In: Handbook of Obesity, edited by Bray GA, Bouchard C and James WPT. New York: Decker, 1998;513–37. 46. Moir AM and Zammit VA. Monitoring of changes in hepatic fatty acid and glycerolipid metabolism during the starved-to-fed transition in vivo. Studies on awake, unrestrained rats. Biochem J 1993;289:49–55. 47. Moir AM and Zammit VA. Rapid switch of hepatic fatty acid metabolism from oxidation to esterification during diurnal feeding of meal-fed rats correlates with changes in the properties of acetyl-CoA carboxylase, but not of carnitine palmitoyltransferase I. Biochem J 1993;291:241–6. 48. Saha AK, Laybutt DR, et al Cytosolic citrate and malonyl-CoA regulation in rat muscle in vivo. Am J Physiol Endocrinol Metab 1999;276: E1030–E7. 49. Barclay C, Constable J, Gibbs C . Energetics of fast- and slow-twitch muscle fibers of the mouse. J Physiol 1993;472: 61–80. 50. Houdijk H, Bobbert M, et al . Evaluation of a Hill based muscle model for the energy cost and efficiency of muscular contraction. J Biomech 2006;39: 536–43. 51. Suzuki K, Jayasena CN. The gut hormones in appetite regulation. J Obes. 2011;2011:528401 52. Rosenbaum M, Goldsmith R, et al. Low dose leptin reverses skeletal muscle, autonomic, and neuroendocrine adaptations to maintenance of reduced weight. J Clin Invest 2005;115: 3579–86. 53. Sai Krupa Das, Roberts S et al. Long-term changes in energy expenditure and body composition after massive weight loss induced by gastric bypass surgery Am J Clin Nutr 2003;78: 22-30. 54. Heymsfield S, Harp J. Why do obese patients not lose more weight when treated with low-calorie diets? A mechanistic perspective Am J Clin Nutr 2007;85:346-54. 55. Wyatt HR, Grunwald GK, et al. Resting energy expenditure in reduced-obese subjects in the National Weight Control Registry. Am J Clin Nutr 1999;69:1189–93. 56. Tremblay A, Chaput JP. Adaptive reduction in thermogenesis and resistance to lose fat in obese men. Br J Nutr 2009;102:488–92. 57. Major GC, Doucet E, et al. Clinical significance of adaptive thermogenesis. Int J Obes 2007;31:204–12. 58. Anja BW, Kossel E, et al. Contribution of individual organ mass loss to weight loss-associated decline in resting energy expenditure Am J Clin Nutr 2009;90:4:993-1001. 59. Brehm BJ, Spang SE, et al. The role of energy expenditure in the differential weight loss in obese women on low-fat and low-carbohydrate diets. J Clin Endocrinol Metab 2005;90:1475–82. 60. Sai Krupa Das, Julio C. M. An Underfeeding Study in Healthy Men and Women Provides Further Evidence of Impaired Regulation of Energy Expenditure in Old Age. J. Nutr. 2001;131:1833-8. 61. Roberts S, Rosenberg I. Nutrition and Aging: Changes in the Regulation of Energy Metabolism With Aging. Physiol. Rev. 2006;86:651-67. 62. Luke A, Dugas L, et al. Ethnicity, energy expenditure and obesity: are the observed black/white differences meaningful? Curr Opin Endocrinol Diabetes Obes. 2007;14(5):370-3. 63. Sharp TA, Bell ML et al. Differences in resting metabolic rate between white and African-American young adults. Obes Res. 2002;10(8):726-32. 64. Miles CW, Wong NP, et al. Effect of circadian variation in energy expenditure, within-subject variation and weight reduction on thermic effect of food. Eur J Clin Nutr 1993;47(4):274-84. 65. Weigle DS, and Brunzell JD. Assessment of energy expenditure in ambulatory reduced-obese subjects by the techniques of weight stabilization and exogenous weight replacement. Int J Obes 1990;1:S69-77. 66. Golay A. Blunted glucose-induced thermogenesis: a factor contributing to relapse of obesity. Int J Obes Relat Metab Disord 1993;17:S23-7. 67. Gaal LF, Vansant GA, et al. Factors determining energy expenditure during very-low-calorie diets. Am J Clin Nutr 1992;56:224S-9S. 68. Faraj M, Jones P, et al. Enhanced dietary fat clearance in postobese women. J Lipid Res 2001;42:571–80. 69. Baldwin KM, Joanisse DR et al. Effects of weight loss and leptin on skeletal muscle in human subjects. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2011;301(5):1259-66. 70. Acheson KJ, Schutz Y, et al. Carbohydrate metabolism and de novo lipogenesis in human obesity. Am J Clin Nutr 1987;45:78–85. 71. Arone LJ, Mackintosh R, et al. Autonomic nervous system activity in weight gain and weight loss. Am J Physiol 1995;269:R222-5. 72. Emdin M, Gastaldelli A. Hyperinsulinemia and Autonomic Nervous System Dysfunction in Obesity : Effects of Weight Loss. Circulation 2001;103:(4)513-9. 73. Lecoultre V, Ravussin E. The Fall in Leptin Concentration Is a major Determinant of the metabolic adaptation Induced by caloric restriction Independently of the changes in Leptin circadian Rhythms. J. Clin. Endocrinol. Metab. 2011;96:E1512-6. 74. Lofgren P, Hoffstedt J, et al. Prospective and controlled studies of the actions of insulin and catecholamine in fat cells of obese women following weight reduction. Diabetologia 2005;48:2334-42. 75. Leonie K, Heilbronn L. Effect of 6-Month Calorie Restriction on Biomarkers of Longevity, Metabolic Adaptation, and Oxidative Stress in Overweight Individuals JAMA. 2006;295(13):1539-48. 76. Rising R, Keys A, et al. Concomitant interindividual variation in body temperature and metabolic rate. Am J Physiol 1992;263:E730-E4. 77. Heikens MJ, Gorbach AM, et al. Core body temperature in obesity Am J Clin Nutr 2011;93(5):963-7. 78. MacLean PS. A peripheral perspective of weight regain Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2005;288(6):R1447-9. 79. Schwartz MW, Woods SC, et al. Central nervous system control of food intake. Nature 2000;404:661-71. 80. Idoia L, Francisco B. . Role of Baseline Leptin and Ghrelin Levels on Body Weight and Fat Mass Changes after an Energy-Restricted Diet Intervention in Obese Women: Effects on Energy Metabolism J. Clin. Endocrinol. Metab. 2011;96: E996-E1000. 81. Sumithran P, Prendergast LA, et al. Long-term persistence of hormonal adaptations to weight loss. N Engl J Med. 2011;27;365(17):1597-604 82. Rosenbaum M, Kissileff HR, et al. Energy intake in weight-reduced humans. Brain Res. 2010;1350:95-102. 83. Geldszus R, Mayr B, et al. Serum leptin and weight reduction in female obesity. Eur J Endocrinol 1996;135:659-62. 84. Jequier E. Leptin signaling, adiposity, and energy balance. Annals of the New York Academy of Sciences 2002;967: 379-88. 85. Lofgren P, Andersson I, et al. Long-term prospective and controlled studies demonstrate adipose tissue hypercellularity and relative leptin deficiency in the postobese state. J Clin Endocrinol Metab 2005;90:6207-13. 86. MacLean PS, Higgins JA, et al. Peripheral metabolic responses to prolonged weight reduction that promote rapid, efficient regain in obesity-prone rats. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2006;290:R1577-88. 87. Svensson PA, Gabrielsson BG, et al. Regulation of human aldoketoreductase 1C3 (AKR1C3) gene expression in the adipose tissue. Cell Mol Biol Lett 2008;13:599-613. 88. Figlewicz DP, Benoit SC. Insulin, leptin, and food reward: update 2008. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2009;296(1):R9-R19. 89. Baskin DG, Figlewicz LD, et al. Insulin and leptin: dual adiposity signals to the brain for the regulation of food intake and body weight. Brain Res 1999;848:114-23. 90. Benoit SC, Clegg DJ, et al. Insulin and leptin as adiposity signals. Recent Prog Horm Res 2004;59:267-85. 91. James AP, Watts GF, et al. Effect of weight loss on postprandial lipemia and low-density lipoprotein receptor binding in overweight men. Metabolism 2003;52:136-41. 92. Cummings DE, Weigle DS, et al. Plasma ghrelin levels after diet-induced weight loss or gastric bypass surgery. N Engl J Med 2002;346:1623-30. 93. Essah PA, Levy JR, et al. Effect of weight loss by a low-fat diet and a low-carbohydrate diet on peptide YY levels. Int J Obes 2010;34:1239-42. 94. Chearskul S, Delbridge E, et al. Effect of weight loss and ketosis on postprandial cholecystokinin and free fatty acid oncentrations. Am J Clin Nutr 2008;87:1238-46. 95. Atterham RL, Le Roux CW, et al. Pancreatic polypeptide reduces appetite and food intake in humans. J Clin Endocrinol Metab 2003;88:3989-92. 96. Reinehr T, Enriori PJ, et al. Pancreatic polypeptide in obese children before and after weight loss. Int J Obes 2006;30:1476-81. 97. Yukiyoshi O, Kishida k et al. Changes in Serum Adiponectin Concentrations Correlate With Changes in BMI, Waist Circumference, and Estimated Visceral Fat Area in Middle-Aged General Population Diabetes Care 2009;32:e122. 98. Hotta K, Funahashi T, et al. Plasma concentrations of a novel, adipose-specific protein, adiponectin, in type 2 diabetic patients. Arterioscler Thromb Vasc Biol 2000;20:1595–9. 99. Yang WS, Lee WJ, et al. Weight reduction increases plasma levels of an adipose-derived anti-inflammatory protein, adiponectin. J Clin Endocrinol Metab 2001;86:3815–9. 100. Ng TW, Watts GF, et al. Effect of weight loss on LDL and HDL kinetics in the metabolic syndrome: associations with changes in plasma retinol-binding protein-4 and adiponectin levels. Diabetes Care 2007;30:2945–50. 101. Rosenbaum M, Sy M, et al. Leptin reverses weight loss–induced changes in regional neural activity responses to visual food stimuli. J Clin Invest. 2008;118:2583–91. 102. DelParigi A, Chen K, et al. Persistence of abnormal neural response to a meal in postobese individuals. Int J Obes. 2004;28:370–7. 103. DelParigi A, Chen K, et al. Successful dieters have increased neural activity in cortical areas involved in the control of behavior. Int J Obes. 2007;31:440–8. 104. Wang G, Volkow N, et al. Exposure to appetitive food stimuli markedly activates the human brain. Neuroimag. 2004;21:1790–7. 105. Keim NL, Stern JS, et al. Relation between circulating leptin concentrations and appetite during a prolonged, moderate energy deficit in women. Am J Clin Nutr 1998;68:794-801. 106. Cornier M, Grunwald G, et al. Effects of short-term overfeeding on hunger, satiety, and energy intake in thin and reduced-obese individuals. Appetite 2004;43:253-9. 107. Ravussin Y, Gutman R, et al. Effects of chronic weight perturbation on energy homeostasis and brain structure in mice. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2011;300(6):R1352-62. 108. Doucet E, Imbeault P, et al. Appetite after weight loss by energy restriction and a low-fat diet-exercise follow-up. Int J Obes Relat Metab Disord 2000;24:906-14

שיטות למדידת הוצאה אנרגטית, ד"ר איל שרגל

ד"ר איל שרגל, מנהל מקצועי, המרכז לרפואת ספורט ולמחקר, מכון וינגייט

המידע על מרכיבי מאזן האנרגיה השונים ובכלל זה על מרכיב ההוצאה האנרגטית הינו נדבך מרכזי בקליניקה הרפואית והתזונתית, במחקרים בתחומים שונים ומהווה מרכיב בסיסי לבניית תכנית תזונתית, היות ולמאזן בין צריכת האנרגיה להוצאת האנרגיה יש השלכות בריאותיות וכלכליות חשובות. הוצאת האנרגיה יכולה להימדד ישירות ויכולה להיות מוערכת מתוך נוסחאות. מדידות של הוצאת האנרגיה בתנאי מעבדה ניתנות לביצוע בטכנולוגיות הקיימות ברמת דיוק גבוהה ביותר. עם זאת, האמצעי המיטבי להערכת ההוצאה האנרגטית והדגמים הנלווים של פעילות גופנית בתנאים טבעיים עדיין חסר, אך חוקרים העוסקים בתחום מסכימים על מספר קריטריונים למדד זה: עליו להיות אמין, מדויק, תכליתי וקל לשימוש, גורם להפרעה מינימאלית לפעילות הפרט הנמדד ומאפשר מדידה רצופה ומפורטת ככל הניתן של דגמי פעילות רבים ככל הניתן של הנבדק.

ההתעניינות במאזן האנרגיה החלה עוד בימי הפילוסופים של יוון העתיקה. היוונים הבינו את החשיבות של המזון אשר נצרך על ידי בני האדם כדלק מטבולי לקיומו ותפקודו של הגוף. עוד הם הבינו כי בהיעדר אספקת אנרגיה (חוסר במזון), מאגרי האנרגיה בגוף יכולים להספיק לקיום למשך מספר שבועות. מאידך, עודף בצריכת אנרגיה מעבר לצרכים האנרגטיים היום-יומיים יתבטא באגירת שומן בגוף (1).

בעידן המודרני מדידות של מאזן האנרגיה, ובמיוחד שיעור הוצאת האנרגיה מהוות אתגר מסחרי ואקדמי גדול. חידוד ופיתוח השיטות השונות למדידות הוצאת האנרגיה זוכים להתעניינות מוגברת בשנים האחרונות, בין היתר, בשל העלייה החדה בהיקף המחקרים העוסקים בהשמנה, סוכרת, סינדרום מטבולי ועוד. בעוד שמדידות של צריכת האנרגיה בבני אדם בסביבתם היום-יומית הינן קלות יחסית לביצוע (למשל: מילוי יומני אכילה), מדידות בו זמנית של הוצאת האנרגיה הרבה יותר מורכבות (2). במאמר זה ייסקרו השיטות השונות למדידה של הוצאת האנרגיה, הן בתנאי מעבדה והן בתנאים הטבעיים היום-יומיים, המשמשות במחקרים בתחומי ההשמנה, הסוכרת וההפרעות המטבוליות השונות.

בסוף המאה ה- 18 גילו המדענים הצרפתיים לבואזייה ולפלס כי בני אדם גדולי גוף צורכים יותר חמצן מבני אדם קטני גוף. יתרה מכך, הם הבינו לראשונה כי בישיבה במנוחה צריכת החמצן נמוכה יותר בהשוואה לעמידה ולביצוע מעט תנועות הליכה. במקביל, מדען סקוטי בשם קרופורד פרסם ספר המפרט את ניסוייו השונים, ובו מובאת לראשונה ההכרה, כי קצב צריכת החמצן של בעל החיים היא פרופורציונית לקצב ייצור החום שלו

מאזן אנרגטי, הוצאת אנרגיה ומדידתה את מאזן האנרגיה ניתן לתאר על ידי המשוואה הכללית: MEI=HP+ER בה, האנרגיה המטבולית הנצרכת Metabolizable Energy Intake- MEI) ( היא האנרגיה המסופקת מהמזון, הזמינה לקיום ולייצור (תחזוקה ותפקוד תקין של איברים פנימיים, גדילה, אגירה, ייצור חלב, פעילות גופנית וכו'). כאשר MEI שווה לשיעור ייצור האנרגיה ליחידת זמן הדרושה לקיום, ניתן לומר כי השינוי בתכולת האנרגיה שווה לאפס, כלומר, אין אגירת אנרגיה Energy retention- ER) (, וכל האנרגיה הכימית הנצרכת הופכת לחום (Heat production -HP). ייצור חום מוגדר: HP=HL+s+w , כאשר- HL הוא שעור איבוד החום (Heat loss) לסביבה, s הוא שעור אגירת החום בגוף, ו- w מייצג את שעור העבודה המבוצעת על ידי האדם. אם שעור ה- MEI נמוך משיעור ייצור האנרגיה ליחידת זמן הדרושה לקיום, אזי האדם חייב להשלים את הפער על ידי קטבוליזם של רקמות גופו, ואילו במצב שבו שיעור ה- MEI גבוה מערך זה, הגוף יכול להשתמש בעודף האנרגטי לייצור, לעבודה וכמובן להגדלת מאגרי האנרגיה (שומן) שלו. כאשר האדם נמצא בשווי משקל תרמי, כלומר, אין אגירה או עודף של חום גוף, אין ירידה בטמפרטורת הגוף, וכאשר MEI שווה לאנרגיה האובדת בצורת חום, ניתן לומר שהוא מאוזן אנרגטית. זהו מצב של שיווי משקל (steady-state), ובתנאים אלו מוגדרת צריכת האנרגיה המטבולית (MEI) כרמת הקיום האנרגטית (Maintenance). כלל התגובות הכימיות המתרחשות בגוף, המטבוליזם, יכולות להיות מורכבות ממסלולים שהתוצר הסופי שלהם הוא בניית מולקולות (תגובה אנאבולית- Anabolic reaction) או מסלולים שבהם חל פירוק של מולקולות (תגובה קטאבולית- Catabolic reaction). מכיוון שכל תאי הגוף צורכים אנרגיה, כל המסלולים הכימיים שמתרחשים בהם קשורים בהמרת חומרי מזון (שומנים, פחמימות וחלבונים) לצורות אנרגיה שימושיות מבחינה ביולוגית. תהליכים אלו נקראים בשם הכולל ביואנרגטיקה (Bioenergetics). המקור הבלעדי לאנרגיה הכימית הדרושה לפעילות תאי הגוף השונים הוא ה ATP (Adenosine Triphosphate). מולקולותATP אינן יכולות להיקלט באופן ישיר ממקור חיצוני לתוך הגוף, וכן אינן עוברות בין תאים. כמות ה ATP המאוחסנת בתאי הגוף מספיקה לביצוע פעילות תאית קצרה בלבד, ולכן חייבים להתקיים תהליכי מחזור קבועים ורציפים של ATP בתוך כל תא מתאי הגוף. לתהליכי בניית ATP דרושה אנרגיה שמקורה מפרוק חומרים שונים בשלושה מסלולים. החומרים המפורקים לצורך הפקת אנרגיה הדרושה לבניית ATP נקראים "דלק מטבולי". הדלקים המטבוליים: פחמימות, חלבונים ושומנים, מקורם מצמחים ומבעלי חיים אוכלי צמחים. שניים מהמסלולים להפקת אנרגיה הם אנאירוביים (אל-אווירניים), כלומר מתרחשים ללא נוכחות חמצן. מסלול אחד הוא אירובי (אווירני), כלומר מתקיים רק בנוכחות חמצן. שחלוף האנרגיה בתאי הגוף לא ניתן למדידה ישירה. קיימות מספר שיטות מעבדה למדידת שחלוף זה בדרכים עקיפות.

קלורימטריה ישירה – Direct calorimetry כאמור, כלל התהליכים האנרגטיים בגוף למעשה מתרחשים תוך המרות של האנרגיה הכימית הנצרכת מהמזון לצורות אנרגיה שונות המשמשות את הגוף לקיומו ותפקודו. רק כ- 40% מהאנרגיה המופקת במטבוליזם הפחמימות, השומנים והחלבונים מנוצלת ישירות ליצירת ATP. שאר ה 60% משוחררים בצורת חום. הדרך המדויקת ביותר לאמוד את שיעור וכמות האנרגיה המיוצרת בגוף היא על ידי מדידת כמות וקצב ייצור החום בגוף. שיטה זו נקראת קלורימטריה ישירה. בשיטה זו נמדד קצב איבוד החום מהגוף לסביבה. העיקרון עליו מבוססת שיטה זו הוא מדידות רציפות של שינויי טמפרטורה באוויר או בנוזל ש"עוטף" את התא (חדר, חדר מגורים וכד') המבודד תרמית ובעל הדפנות הכפולים בתוכו שוהה הנבדק. שינויי טמפרטורה אלו מבטאים את שיעור ייצור החום על ידי האדם הנמצא בתא (3). כבר בימי הפילוסופים הקדומים אריסטו, היפוקרטס ואחרים זיהו את החשיבות של שמירה על חום הגוף ("innate fire") לקיום החיים. רק בסוף המאה ה- 18 המדענים הצרפתיים לבואזייה ולפלס החלו לבצע מדידות ראשונות על בני אדם. עיקר ממצאיהם החשובים היו, כי בני אדם גדולי גוף צורכים יותר חמצן מבני אדם קטני גוף. יתרה מכך, הם הבינו לראשונה כי בישיבה במנוחה צריכת החמצן נמוכה יותר בהשוואה לעמידה ולביצוע מעט תנועות הליכה. במקביל, מדען סקוטי בשם קרופורד פרסם ספר המפרט את ניסוייו השונים, ובו מובאת לראשונה ההכרה, כי קצב צריכת החמצן של בעל החיים היא פרופורציונית לקצב ייצור החום שלו. עברו כמאה שנים ורק בסוף המאה ה- 19 ותחילת המאה ה- 20 התפתחו השיטות למדידת קצב ייצור החום והשימוש המחקרי בהן התרחב. במחצית השנייה של המאה ה- 20 התרבו מספר העבודות, בהן נעשה שימוש סימולטני במדידות של קצב ייצור החום וקצב צריכת החמצן. שיטה זו נודעת בשם קלורימטריה כוללת (Total calorimetry). בשנים האחרונות פחת מספר המחקרים שבהם נעשה שימוש בקלורימטריה הישירה. הסיבה העיקרית לכך היא העלויות הגבוהות יחסית של ציוד המדידה, בוודאי בהשוואה לשיטות אחרות (קלורימטריה עקיפה) שפותחו ושוכללו. בנוסף, העובדה שהמדידות מתבצעות על נבדקים השוהים בתוך חדר (או דירה) מהווה מגבלה מסוימת לנבדקים בבצוע פעילויות יום-יומיות שנערכות בדרך כלל בסביבה החיצונית (3). שיטה נוספת למדידת ייצור החום היא שימוש בצילומים תרמיים: Infrared thermography. בשיטה זו ניתן להעריך את קצב ייצור החום על ידי הגוף לפי קצב איבוד/פליטת החום מהגוף כפי שנמדד בעזרת ציוד תרמי. שיטה לא חודרנית זו מצריכה זהירות יתרה בפענוח ובפרשנות שניתנת לתמונות התרמיות שמתקבלות. מגבלותיה של השיטה נובעות ממורכבות תהליכי מעבר החום מליבת הגוף אל פני הגוף ואל הסביבה. יתרונה הוא היכולת להשתמש בה כאשר האדם (או בעלי חיים אחרים) נמצא בסביבתו הטבעית ומבצע פעילויות שאת עלותן האנרגטית מבקשים להעריך. נמצא, כי שיטה זו יעילה ומדויקת יותר כאשר מנסים להעריך עלויות אנרגטיות "יחסיות" ואינה תמיד מדויקת בניסיון להעריך עלות אנרגטית מוחלטת (קלוריות).

קלורימטריה עקיפה כל שיטות המדידה שאינן מודדות את קצב ייצור החום של הגוף נכנסות להגדרה של קלורימטריה עקיפה (Indirect calorimetry).

רספירומטריה כיום מקובל יותר לבצע מדידות של שיעור צריכת החמצן וייצור ה CO2 המהווים מדד לשחלוף האנרגיה במסלול האירובי (זרחון חמצוני). בשיטה זו מחשבים את שיעור ייצור החום בגוף מתוך שיעור שחלוף החמצן וה CO2 בדרכי הנשימה. חישוב כמויות החמצן הנצרך וה CO2 הנפלט ניתן לביצוע בעזרת הציוד המתאים, על ידי מדידות של כמויות הגזים באוויר הנשאף לריאות והננשף מהן. המידע הדרוש לחישובים אלו הוא: נפח האוויר הנשאף לריאות, נפח האוויר הננשף מהריאות, פרקציית (החלק היחסי, ניתן להציגו גם כאחוז) החמצן באוויר הנשאף, פרקציית החמצן באוויר הננשף, פרקציית ה CO2 באוויר הנשאף, פרקציית ה CO2 באוויר הננשף. כלומר, הציוד הדרוש למדידות אלו הוא מד זרימה, למדידת נפחי האוויר השאוף והנשוף, מד חמצן ומד CO2. בכדי לחשב את כמות האנרגיה המנוצלת על ידי הגוף, חשוב לדעת את סוגי חומרי הדלק (פחמימות, שומנים, חלבונים) שחומצנו. מכיוון שתכולת אטומי החמצן והפחמן שונה מאד בין פחמימות, שומנים וחלבונים, כמות החמצן הדרושה לתהליכי החמצון תלויה בסוג הדלק המטבולי. בקלורימטריה עקיפה ניתן למדוד את היחס בין שיעור פליטת ה CO2 לשיעור צריכת החמצן. יחס זה, שנקרא יחס החילוף הנשימתי, או מנת הנשימה, מהווה מדד לחלק היחסי של הפחמימות והשומנים בדלק המטבולי הנצרך בכל פעילות נתונה. אחת המגבלות של השיטה בהקשר זה, היא כי בעוד שההנחה היא כי כמות החמצן הנקלטת בדרכי הנשימה פרופורציונית לזו הנצרכת על ידי התאים (מאגרי החמצן בגוף מצומצמים ביותר), כמות ה CO2 המשוחלפת הרבה פחות יציבה. מאגרי ה CO2 בגוף גדולים ומשתנים מהר. למשל, כתוצאה מנשימות עמוקות או פעילות גופנית מתעצמת. בתנאים אלו, כמות ה CO2 המשתחררת מהריאות לא בהכרח משקפת במדויק את זו המיוצרת בתאים. כלומר, הערכת החלק היחסי של הפחמימות והשומנים בהפקת ATP יכולה להיעשות באופן מדויק רק במנוחה או בפעילות בעצימות קבועה (Steady state). בנוסף, התעלמות מהחלק היחסי של חמצון החלבונים בגלל הקושי למדוד במדויק את המטבוליזם שלהם, יכולה להוביל לשגיאה של 5-10% (2). מדידות של צריכת חמצן ופליטת CO2 מקובלות במערכים מחקריים וקליניים-טיפוליים. כיום מעבדות רבות מבצעות, על בסיס יום-יומי, מדידות של צריכת חמצן במנוחה וצריכת חמצן במאמץ - צריכת חמצן תת-מרבית וצריכת חמצן מרבית. צריכת חמצן במנוחה נערכת לצורך הערכת קצב חילוף החומרים במנוחה (Resting metabolic rate- RMR), המרכיב העיקרי בהוצאה האנרגטית היומית. מדד זה משקף את הדרישות האנרגטיות המינימליות לקיום התהליכים הפיזיולוגיים ההכרחיים לגוף והוא מהווה מרכיב חשוב בבניית תכנית תזונתית. מדידה ישירה של RMR ע"י מדידת צריכת החמצן מומלצת בכל המקרים בהם יש צורך בניטור/חישוב של מאזן האנרגיה היומי במקרים של דיאטות מרובות ללא הצלחה, במקרים של מחלות שונות, נטילת תרופות ובמיוחד במצבי אישפוז (טיפול נמרץ, וכד'). החשיבות של מדידה ישירה של RMR והשוואתה לנורמות (משוואות חיזוי) היא בייחוד לצורך זיהוי מצבי עקה, בעיקר על רקע תזונתי. צריכת האנרגיה היא אחד הגורמים העיקריים המשפיעים על RMR. מדידות של צריכת החמצן בפעילות תת-מרבית ובמאמץ מרבי (צריכת חמצן מרבית-צח"מ) חשובות הן להערכה קלינית במצבי חולי שונים (לדוגמה: בקרב חולי מחלות לב וכלי דם, מחלות ריאות ועוד) והן למטרות ספורטיביות הישגיות לצורך בניית תכנית אימונים מדויקת המותאמת ליכולת האירובית של הנבדק. מדידות צח"מ מקובלות מאד בקרב ספורטאים חובבים ותחרותיים לצורך הערכת היכולת האירובית המרבית. מערכות מטבוליות ניידות שפותחו בשנים האחרונות מאפשרות מדידות של העלות האנרגטית בביצוע מאמצים שונים בתנאי שדה. שימוש במערכות אלו מקובל, מלבד בקרב ספורטאים גם במחקרים צבאיים ובמחקרים בתחום הפיזיולוגיה התעסוקתית. המדידות בתנאים אלו (בדיוק כמו במעבדה) מחייבות מהנבדק לנשוף לתוך פיה או מסיכה המונחת על פניו, תוך כדי ביצוע המטלה הגופנית. לסיכום יתרונות השיטה הם: זולה וקלה יחסית לביצוע, ניתן בעזרתה לקבל מידע על תערובת הדלקים המטבוליים הנצרכים בכל נקודת זמן. זוהי השיטה הנמצאת בשימוש רב ביותר במחקרים בתחום מאזן האנרגיה. מגבלתה העיקרית של השיטה היא ההפרעה שנגרמת לנבדק מעצם העובדה שעל פיו מונחת מסיכה (או פיה) בזמן ביצוע הבדיקה.

שיטת המים כפולי הסימון מבין השיטות השונות למדידה או הערכה של הוצאת אנרגיה, השיטה שנמצאת בשימוש הרב ביותר ונחשבת ל Gold standard - היא שיטת השימוש במים כפולי סימון (Double labeled water method - DLW). שיטה זו פותחה כבר בשנות החמישים של המאה הקודמת, מאפשרת למדוד את שיעור ייצור ה- CO2 של בעל החיים ומתוך כך את קצב ייצור החום (HP) שלו. שיטה זו יקרה יחסית וכוללת טווח טעות של ±8-11%. השיטה מבוססת על מספר הנחות, ביניהן שקיים שיווי משקל בין אטומי החמצן במים המפוזרים בנוזלי הגוף במדורים השונים לבין אטומי החמצן המופיעים בפחמן הדו חמצני המיוצר ומסולק מהגוף. כמו כן, המודל מניח כי כל מדורי המים בגוף הם הומוגניים ואינם משתנים במהלך המדידות. הנחה נוספת היא כי כמות הפחמן הדו חמצני הנפלטת מהגוף מבטאת את כלל כמות האנרגיה המיוצרת בתהליכים האירוביים בגוף (4-6). העיקרון עליו מבוססת השיטה הוא המעקב אחר הדעיכה בריכוז איזוטופים יציבים (שאינם רדיואקטיביים) של חמצן (18O2) ומימן (דיאוטריום 2H) בנוזלי הגוף, אחרי סימון ראשוני שלהם. התהליך מתחיל בצריכת כמות מדודה של מים מסומנים פעמיים באיזוטופים יציבים של חמצן ושל מימן ולקיחת דגימת בסיס פרק זמן קצר אח"כ (לאחר פיזור מלא של המים בנוזלי הגוף). המים המסומנים נצרכים בשתייה והדגימות יכולות להילקח מהשתן, מהרוק או מהדם. ריכוז הסמנים בנוזלי הגוף לאחר נטילת המים הראשונית מהווה את נקודת הבסיס להשוואה. דגימות נוספות בדרך כלל נלקחות בפרקי זמן של 24 שעות או יותר, כאשר משך המדידות המקובל הוא בין 4 ל- 20 ימים. לאחר פיזור המים המסומנים בנוזלי הגוף, החמצן המסומן יעזוב את הגוף בשתי צורות: מים (H218O) ופחמן דו חמצני (C18O2) ואילו המימן המסומן יעזוב את הגוף רק בצורת מים (2H2O). היות וכך, קצב דעיכת הסמן 18O יהיה מהיר יותר מקצב דעיכת הסמן 2H. ההפרש בקצב דעיכת הסמנים (שמבטא את ההפרש בקצב סילוק מים ופחמן דו חמצני מהגוף) מבטא למעשה את קצב ייצור הפחמן הדו חמצני על פני פרק הזמן שחלף בין כל שתי דגימות. מכיוון שייצור הפחמן הדו חמצני הוא תוצר המטבוליזם (חמצון) של הדלקים המטבוליים, קצב ייצורו מהווה מדד לקצב הוצאת האנרגיה של הגוף (4-6). ראוי לציין, כי בנוסף למדידת הוצאת האנרגיה, שיטה זו מאפשרת מדידת כמות המים הכללית בגוף ואת חישוב מסת הגוף הרזה ומסת השומן. כאמור, היחס בין שיעור ייצור הפחמן הדו חמצני לבין שיעור צריכת החמצן, הלא הוא יחס החילוף הנשימתי, משתנה בהתאם לדלק המטבולי המשמש להפקת האנרגיה. בכדי לתרגם בצורה מדויקת את כמות הפחמן הדו חמצני הנפלטת לכמות החמצן הנצרכת ליחידת זמן ובהתאמה להוצאה הקלורית, חשוב לאסוף מידע בנוגע לתזונת הנבדק. במידה שמידע זה חסר, מקובל להניח יחס קבוע לכל תקופת מדידה (בין שתי דגימות). זהו אחד החסרונות המרכזיים של השיטה שיכול להוביל לשגיאת חישוב של ±2.5%, בייחוד בעבודות בהן הנבדקים מתנהלים באופן חופשי בסביבתם היום-יומית. השימוש ב DLW למדידות של ההוצאה האנרגטית הכוללת הינו נרחב ביותר וכולל עבודות עם תינוקות, חולים המאושפזים בבתי חולים, ילדים, אנשים במצבי השמנה שונים, נשים בהריון, קשישים וספורטאים. יתרונותיה הברורים של שיטת ה DLW הם: מידת דיוק גבוהה, האפשרות ליישמה על אוכלוסיות מגוונות, אינה מפריעה לנבדק לקיים את אורח חייו הנורמאלי. חסרונותיה הבולטים: השיטה יקרה מאד ומצריכה שימוש במעבדות וציוד מיוחדים, פרקי הזמן עבורם מודדים את הוצאת האנרגיה הינם גדולים (ימים) כך שחסר מידע על פעילויות קצרות שמבוצעות במהלך היממה.

מדידות של צריכת החמצן בפעילות תת-מרבית ובמאמץ מרבי (צריכת חמצן מרבית-צח"מ) חשובות הן להערכה קלינית במצבי חולי שונים והן למטרות ספורטיביות הישגיות לצורך בניית תכנית אימונים מדויקת, המותאמת ליכולת האירובית של הנבדק. מדידות צח"מ מקובלות מאד בקרב ספורטאים חובבים ותחרותיים לצורך הערכת היכולת האירובית המרבית

מדידות קצב לב כמדד להערכת ההוצאה האנרגטית השימוש בקצב לב כמדד להערכת ההוצאה האנרגטית החל כבר בשנות החמישים של המאה הקודמת. קצב הלב הוא אחד ממספר גורמים היכולים לקבוע את שעור אספקת החמצן לרקמות הגוף ברמה המאפשרת מטבוליזם אירובי. העברת החמצן לרקמות נעשית דרך שני ערוצים: 1. מערכת הנשימה, 2. מערכת הלב וכלי הדם. היות ואין בגוף מאגרים גדולים וזמינים של חמצן, שטף החמצן שמועבר למיטוכונדריה בתאי הגוף השונים יהיה זהה בשני הערוצים. לכן, בהקשר למערכת הנשימה, ניתן לבטא את שיעור תצרוכת החמצן בדרך הבאה: VO2= fL.VT.FO2(i-e) כאשר: VO2 - צריכת החמצן fL- תדירות הנשימה VT- Tidal Volume- נפח חלופי (הנפח הנכנס ויוצא בכל נשימה) FO2(i-e)- ההפרש (פרקציה) בריכוז החמצן בין אוויר שאוף לנשוף

בדומה לכך, נציב לגבי מערכת הלב וכלי הדם: VO2= fH.VS.C(a-v) כאשר: VO2 - שיעור צריכת החמצן fH- קצב הלב VS- Stroke volume- נפח פעימה C(a-v)- ההפרש בריכוז החמצן בין דם עורקי לדם וורידי

בעקבות שינוי בצריכת החמצן יכול להשתנות כל אחד משלושת הפרמטרים באגף ימין בכל אחת מהמשוואות. בפועל, שינויים ב VT וב- C(a-v) מהווים מרכיב משני בלבד בהתמודדות עם עליות בדרישות לחמצן. דרישות אלו נענות בעיקרן על ידי עלייה באוורור הריאתי ובקצב הלב. אילו קצב הלב היה הפרמטר היחיד המשפיע על שעור צריכת החמצן, אפשר היה להניח כי היחס בין VO2 ל fH , כלומר פעימת החמצן (Oxygen pulse, O2P) המבטאת את שעור צריכת החמצן לכל פעימת לב, קבוע. היות וקצב הלב אינו הפרמטר היחיד המשפיע על VO2 (ראה פרוט לעיל), ייתכנו מצבים בהם יחס זה לא קבוע. לשיטת ניטור קצב הלב מספר יתרונות על פני שיטת DLW, המקובלת כאמור כ- Gold standard. ראשית, במספר מחקרים נמצא כי לשיטה זו דיוק דומה ל DLW (7-8). שנית, המדידות יכולות להתבצע בקלות יחסית, בעלות נמוכה ולמשך פרק זמן ארוך ורציף. יתרון נוסף של שיטת ניטור קצב הלב הוא, שבשונה משיטת DLW, שבה ההוצאה האנרגטית מחושבת לכל תקופת הניסוי או לכל הפחות לפרקי זמן של יממות שלמות, בשיטת ניטור קצב לב, פרקי זמן קצרים ומוגדרים מתוך המדידה הרציפה יכולים להיות מתורגמים לאנרגיה. כלומר, בשיטה זו קיימת היכולת להעריך את העלות האנרגטית של פעילויות מסוימות המבוצעות על ידי האדם החופשי במהלך היממה (8). ברובם המכריע של המחקרים העוסקים בשיטת הניטור הרציף של קצב הלב לצורך אומדן ההוצאה האנרגטית בבעלי חיים חופשיים, נבדקה השיטה על בני אדם. בשלושת העשורים האחרונים, ברוב העבודות העוסקות בתחום, נעשה שימוש במניפולציה מתמטית לצורך הפרדה בין שתי משוואות המייצגות את הקשר בין צריכת החמצן לקצב הלב: אחת למצבי המנוחה השונים והשנייה למצבי הפעילות. שיטה זו ידועה בשם FlexHR method .

שיטת ה- FlexHR שיטת ה FlexHR מבוססת על כיול פרטני של הקשר בין קצב לב לשיעור צריכת החמצן במצבי מנוחה שונים ובמהלך ביצוע מאמצים מדורגים. נקודת אי הרציפות (נקודת ה- Flex) נקבעת באופן ניסיוני כממוצע בין ערכי קצב הלב הגבוהים ביותר הנמדדים במצבי המנוחה השונים לבין הערכים הנמוכים ביותר הנמדדים במאמץ. עבור כל ערכי קצב הלב שנמדדים הגבוהים מערך ה- Flex, ההוצאה האנרגטית מחושבת מתוך השיפוע ונקודת החיתוך (intercept) של הקו המייצג את הקשר בין קצב הלב בפעילות (המשתנה התלוי) וצריכת החמצן. עבור כל ערכי קצב הלב שנמדדים מתחת לנקודה זו, ההוצאה האנרגטית מחושבת מתוך משוואת הרגרסיה המתארת את הקשר בין ערכי קצב הלב וערכי צריכת החמצן במצבי המנוחה השונים ומוגדרת כהוצאה האנרגטית במנוחה (Resting metabolic rate). שיטת ה FlexHR הושוותה במספר גדול של עבודות עם שיטות מקובלות כמו שיטת המים המסומנים פעמיים וצריכת חמצן. עבודות השוואתיות אלו הראו כי השיטה מדויקת מאד בהערכת ההוצאה האנרגטית של קבוצת נבדקים, אולם פחות מדויקת בהערכת ההוצאה האנרגטית של פרטים. היתרונות המרכזיים של השיטה: ניתן ליישמה על בעלי החיים בבית גידולם הטבעי, פשוטה לביצוע ויחסית זולה, בדרך כלל לא גורמת לנבדק לשנות את התנהגותו הנורמלית, ניתן ליישמה על צעירים ונשים בהריון ללא הפרעה מיוחדת, מספקת מידע חשוב גם אם קצב הלב אינו משמש לחישוב כמותי של ההוצאה האנרגטית (9). החסרונות המרכזיים: מחייבת כיול הקשר בין קצב הלב לקצב צריכת החמצן בטווח רחב של פעילויות, תנאי סביבה, ורמות הזנה, במעבדה לפני המדידות בשדה, יש לוודא חיבור רציף של האלקטרודות (חגורת הדופק) אל הגוף, שינוי במיצוי חמצן ברקמות לא יבוא לידי ביטוי בשינוי בקצב הלב למרות העלייה בהוצאת האנרגיה, עלייה בזרימת דם לא מזינה בשטח העור לצרכי תרמורגולציה עלולה להתבטא בעלייה בקצב הלב מבלי שתעלה הוצאת האנרגיה.

פיתוח טכנולוגיית מדי הפעילות פתחה אפשרות למדידות אובייקטיביות של תדירות, משך ועוצמת הפעילות המבוצעת. שיטה זו מבוססת על מדידות רציפות של ההאצות המבוצעות לכל הכיוונים. השיטה מבוססת על ההנחה כי מידת ההאצה בכל תנועה מבוצעת היא פרופורציונית לכוחות המיוצרים בעבודת השרירים, ולכן להוצאה האנרגטית הכרוכה בביצוע התנועה

מדי פעילות בשנים האחרון חלה התקדמות רבה בשימוש במדי פעילות (מדי האצה – Accelerometers) כדי לאמוד את סך כל ההוצאה האנרגטית ומידת הפעילות היומית. פיתוח טכנולוגיית מדי הפעילות פתחה אפשרות למדידות אובייקטיביות של תדירות, משך ועוצמת הפעילות המבוצעת. שיטה זו מבוססת על מדידות רציפות של ההאצות המבוצעות לכל הכיוונים (1-2). השיטה מבוססת על ההנחה כי מידת ההאצה בכל תנועה מבוצעת היא פרופורציונית לכוחות המיוצרים בעבודת השרירים, ולכן להוצאה האנרגטית הכרוכה בביצוע התנועה. מד הפעילות בעל מימדים קטנים מאד ושוקל מספר עשרות גרמים. ניתן לענוד אותו בקלות רבה על האגן או על כל אחת מהגפיים. בחלק מהדגמים משולבים מדי צעדים. כמו כן, היות וחלק מדגמי המכשירים כולל מד שיפוע, ניתן להעריך את המנח או זווית התנועה של הנבדק שעונד את מד הפעילות. מכשירים אלו יכולים לאגור נתוני פעילות רציפים במהלך מספר ימים עד שבועות, בהתאם לתדירות הנתונים הנאספים. נתוני הפעילות נאגרים במכשיר על ציר הזמן. ערכי הפעילות מבוטאים ביחידות של מספר קריאות ליחידת זמן. לדוגמה: מספר קריאות לדקה (counts/min) או מספר קריאות ל- 10 שניות (counts/10 seconds) וכו'. עבודות שבחנו את השימוש במדי פעילות תוך השוואה לשיטות מדידה אחרות (מים מסומנים פעמיים, צריכת חמצן) דווחו על מהימנות גבוהה. מעבודות אלה עולה כי רישום רציף של הפעילות הגופנית מאפשר ניתוח מעמיק בנוגע לדגם הפעילות היממתי, למשך ולעצימות של פעילות נתונה ולהשתנות רמת הפעילות בין ימי השבוע ובין חודשי השנה. כמו כן, נמצא כי קיים מתאם גבוה בין נתוני הפעילות הנאספים לבין הוצאת האנרגיה הן במהלך ביצוע בדיקות מאמץ לפי פרוטוקולים מקובלים והן במהלך ביצוע פעילויות יום-יומיות שונות (1-2).

שילוב שיטות שונות מספר מחקרים בחנו לאחרונה את היעילות של שילוב בו זמני בין רישום רציף של קצב הלב ובין רישום הפעילות על ידי מדי פעילות (Accelerometers). שיטה זו מחייבת כיול פרטני במעבדה של מדידות קצב הלב ומידת הפעילות כפי שנרשמת על ידי מדי הפעילות כנגד עצימות המאמץ וצריכת החמצן על טווח רחב של פעילויות ומאמצים. במספר עבודות שפורסמו בשנים האחרונות בהן הושוותה שיטה זו למדידות בעזרת מים מסומנים פעמיים ומדידות של צריכת חמצן, נמצאו מתאמים גבוהים (10) .

לסיכום המידע על מרכיבי מאזן האנרגיה השונים ובכלל זה על מרכיב ההוצאה האנרגטית הינו נדבך מרכזי בקליניקה הרפואית והתזונתית, במחקרים בתחומים שונים ומהווה מרכיב בסיסי לבניית תכנית תזונתית, היות ולמאזן בין צריכת האנרגיה להוצאת האנרגיה יש השלכות בריאותיות וכלכליות חשובות. הוצאת האנרגיה יכולה להימדד ישירות ויכולה להיות מוערכת מתוך נוסחאות. מדידות של הוצאת האנרגיה בתנאי מעבדה ניתנות לביצוע בטכנולוגיות הקיימות ברמת דיוק גבוהה ביותר. עם זאת, האמצעי המיטבי להערכת ההוצאה האנרגטית והדגמים הנלווים של פעילות גופנית בתנאים טבעיים עדיין חסר, אך חוקרים העוסקים בתחום מסכימים על מספר קריטריונים למדד זה: עליו להיות אמין, מדויק, תכליתי וקל לשימוש, גורם להפרעה מינימאלית לפעילות הפרט הנמדד ומאפשר מדידה רצופה ומפורטת ככל הניתן של דגמי פעילות רבים ככל הניתן של הנבדק.

References: 1. Halsey LG. The challenge of measuring energy expenditure: Current field and laboratory methods. Comp Biochem Physiol A 2011;158:247-251. 2. Ainslie PN, Reilly T, et al. Estimating human energy expenditure. Sports Med 2003;33(9):683-698. 3. Kaiyala KJ, Ramsay DS. Direct animal calorimetry, the underused gold standard for quantifying the fire of life. Comp Biochem Physiol A 2011;158:252-264. 4. Schoeller DA. Measurement of energy expenditure in free-living humans by using doubly labeled water. J Nutr 1988;118:1278-1289. 5. Nagy KA. Field bioenergetics: accuracy of models and methods. Physiol Zool 1989;62:237-251. 6. Nagy KA, Girard IA, et al. Energetics of free-ranging mammals, reptiles, and birds. Annu Rev Nutr 1999;19:247-277. 7. Green JA. The heart rate method for estimating metabolic rate: Review and recommendations. Comp Biochem Physiol A 2011;158:287-304. 8. Livingstone MBE, Robson PJ, et al. Energy expenditure by heart rate in children: and evaluation of calibration techniques. Med Sci Sport Exerc 2000;32:1513-1519. 9. Shargal E, Shtrik R, et al. Heart rate monitoring as a reliable tool for assessing energy expenditure in obese individuals. J Sport Med Phys Fit 2011;51(3):473-479. 10. Assah FK, Ekelund U, et al. Accuracy and validity of a combined heart rate and motion sensor for the measurements of free-living physical activity energy expenditure in adults in Cameroon. Int J Epidem 2011;40:112-120. 3.

השפעת אימון גופני על חילוף החומרים שלאחר המאמץ, יאיר להב

יאיר להב, דיאטן קליני וספורט, ראש תחום לימודי כושר ותזונה מכון וינגייט

בשנת 1984 הוטבע המונח "Excess Post–exercise Oxygen Consumption " (EPOC), אשר מתייחס לעליה בצריכת חמצן מספר שעות לאחר הפעילות הגופנית. האם עליה זו בצריכת החמצן בעת הפעילות הגופנית ולאחריה משפיעה על קצב חילוף החומרים הבסיסי? עד כמה משמעותית השפעה זו לטוח הקצר והארוך ואילו מאפיינים של הפעילות הגופנית אכן משפיעים עליה?

בדיקת המרכיבים השונים של ההוצאה האנרגטית, כולל RMR, יכולים לשפר את הבנתנו בנושא המאזן האנרגטי, בהתייחס לתופעת ההשמנה (1). כחלק מכך, צריכת חמצן עודפת לאחר מאמץ גופני מעבר לצריכה במנוחה, מעניינת בעיקר את האוכלוסייה המעוניינת להפחית ממשקלה (2). בעת מאמץ גופני מתרחשת עליה בצריכת חמצן על מנת לספק את הצורך האנרגטי העולה, לאחר המאמץ הצורך האנרגטי וצריכת החמצן אינם חוזרים למצב של מנוחה, אלא נשארים גבוהים למשך זמן מה. בתחילה סברו כי העלייה בצריכת החמצן נבעה מחוב החמצן שנוצר בתחילת הפעילות, לאחר מכן הוצע כי חוב החמצן נוצר מסינתזת גליקוגן מלקטט. כך או אחרת, המונח חוב חמצן אינו עומד בבסיס המכניזם לעליה במטבוליזם לאחר מאמץ גופני. ב 1910 דווח לראשונה על עליה בRMR לאחר מאמץ גופני. החוקרים דיווחו על עליה של 11.1% ב -RMR אצל נחקרים שביצעו מאמץ ואשר ישנו 7–13 שעות בחדר בו נבדקה מנת הנשימה וההוצאה האנרגטית. חוקרים נוספים מצאו עליה של 25% בRMR- כ-7 שעות מסיום משחק כדורגל, ועליה של 15% אצל נחקרים שהלכו 16 ק"מ בקצב 6.4 קמ"ש. במקביל לממצאים אלו מחקרים נוספים מצאו שינוי קל בRMR - בעקבות מאמץ גופני, כאשר חלק מהשונות מיוחסת לעצימות המאמץ, מין המשתתפים, ורמת הכושר של הנחקרים. במחקרים ראשוניים אלו, ואף בחדשים יותר, קיימות בעיות מתודולוגיות דוגמת עיתוי המאמץ ביום, הרגלי אכילה, שתיית קפאין, לחצים נוספים, טמפרטורה, בדיקת צריכת החמצן בנקודות זמן קבועות או באופן מתמשך ללא הפסקה משך שעות היום. בחלק מהמחקרים דוגמאות בדיקת צריכת חמצן בסיום המאמץ שימשו כבסיס להערכת חילוף החומרים שעות מסיום הפעילות, ולבסוף חלק מהבדיקות נעשו בישיבה והאחרות בשכיבה (3). בשנת 1984 הוטבע המונח "Excess Post–exercise Oxygen Consumption " (EPOC), אשר מתייחס לעליה בצריכת חמצן מספר שעות לאחר הפעילות הגופנית. ל- EPOC מספר מרכיבים. החלק "המהיר" המתייחס לשעה מתחילת האימון, והחלק "המתמשך" שאורכו מספר שעות. לאימונים (מאמצים חוזרים ונשנים של תרגול) יש השפעה כרונית על RMR ביחס לאנשים לא מאומנים, בעיקר כאשר ישנה אספקת אנרגיה נאותה בתקופת האימונים (4).

הערכה מטבולית בשיטת קלורימטריה ישירה רוב המחקרים אשר בדקו את חילוף החומרים ביצעו זאת באמצעות קלורימטריה עקיפה, כאשר הבדיקות נעשו בזמנים משתנים ממחקר למחקר, ובסיום נעשה ניסיון לשקלל את הנתונים לכלל תוצאה סופית. מעטים המחקרים אשר בדקו הוצאה אנרגטית במנוחה לאחר מאמץ על ידי קלורימטריה ישירה. במחקר (1) אשר בדק EPOC בחדר מטבולי, נתבקשו נבדקים לרכוב 45 דקות בעצימות של 72.8% מה- VO2max, ממוצע ההוצאה האנרגטית עמד על כ-519 קק"ל. לאחר מכן הוכנסו הנבדקים לחדר מטבולי למשך 24 שעות, והמשיכו בפעילות רגילה, לאחר שקלול הנתונים נמצא, כי במשך 14 שעות מסיום עלה חילוף החומרים ביחס למנוחה ב 190 קק"ל, נתון המיצג תוספת של 37% להוצאה האנרגטית בזמן מאמץ. החוקרים ציינו כי נתון זה גבוה משמעותית מנתוני מחקרים בעבר, אשר בדקו את ההוצאה האנרגטית מחוץ לתא מטבולי.

השפעת אורך ועצימותו של המאמץ על EPOC הממצא הבולט והעקבי בהתייחס לצריכת החמצן העודפת לאחר פעילות אירובית הוא שפעילות בת 5–20 דקות ובעצימות של 50%-80% לא גורמת ל EPOC מעבר ל- 35 הדקות הראשונות של התאוששות מסיום המאמץ. באחד המחקרים (5) נמצא, כי רכיבת אופניים בעצימות של 80% מהצח"מ (VO2max ) גרמה לעליה בEPOC משך 30-10 דקות מסיום המאמץ. אך מה בדבר מאמצים ממושכים יותר? במחקר שבדק גברים, אשר רכבו 80 דקות בעצימות של 80% מה VO2max - נמצא, כי לאחר 12 שעות צריכת החמצן העודפת עמדה על 48 ליטר – עדות להוצאה אנרגטית של 240 קק"ל, ולאחר 24 שעות ה EPOC הייתה גבוהה ב 5.9% ביחס לימי בקרה ללא פ"ג. באיור 1 ניתן לראות כי לאור מחקרים אלו ואחרים, ישנו קשר ישיר בין משך המאמץ ועצימותו לבין צריכת חמצן עודפת. כמו כן נדרש מאמץ של לפחות 60-50% מה VO2max –על מנת להעלות את ה EPOC למספר שעות מסיום המאמץ.

איור 1: הקשר בין עצימות (שמאל) ומשך האימון (ימין) לבין EPOC מחקרים נוספים (6,7) אשר בהם נעה ההתערבות מ- 20 דקות הליכה בעצימות של 30% מהVO2max -, ועד 80 דקות מאמץ בעצימות של 70% מה VO2max – הראו קשר ליניארי בין משך ועצימות המאמץ לEPOC בסיום המאמץ, וכי במאמץ שמשכו 80 דקות ובעצימות של 70% נמצא כי צריכת החמצן העודפת עמדה בשעה הראשונה על כ - 30 קק"ל (5.7 ליטר חמצן). כעבור 4 שעות מסיום המאמץ צרכו הנבדקים כ - 50 קק"ל יותר (במשך כל 4 השעות), ואילו צריכת החמצן העודפת במשך כל 8 השעות מסיום המאמץ עמדה על כ- 75 קק"ל (14.6 ליטר חמצן). במחקרים אלו נמצא כי מכלל המשתנים לעצימות האימון ההשפעה הגדולה ביותר על EPOC וכי 45% מהשונות ב - EPOC מיוחסת לעצימות בה נעשתה הפעילות, ואילו למשך המאמץ השפעה מועטה יחסית הנעה בין 8.9%-7.7%. מחקרים אחרים (8-10) הראו צריכת חמצן גבוהה יותר ולמשך זמן רב יותר בסיום מאמץ. במחקר (9) בו נתבקשו גברים לדווש משך 80 דקות, בעצימויות משתנות ועם הפסקות של 5 דקות בין קטע לקטע נמצא, כי כעבור 10 שעות עמדה צריכת החמצן העודפת במונחי קלוריות עודפות – על כ 150 קק"ל. השוני ב EPOC אינו ברור דיו, אך מוצעים הסברים המיוחסים להבדלים בין ריצה לרכיבה, ואף כושרם הגופני של הנבדקים. במחקר בו ההוצאה האנרגטית במנוחה עלתה משמעותית - הנבדקים רכבו על אופניים ורמת הכושר שלהם הייתה נמוכה והם הוגדרו כ"לא מאומנים". יתכן כי נתונים אלו בעלי השפעה על ה EPOC. מחקר נוסף (11) אשר מצא עליה משמעתית ב EPOC נעשה על נבדקים מאומנים, אשר רצו 35 ק"מ בעצימות של 70% מה VO2max – למשך 160 דקות. נבדקה צריכת החמצן לקבוצת הביקורת ולקבוצת הנבדקים, ונמצא כי 8 שעות מסיום המאמץ צריכת החמצן העודפת עמדה על 32.4 ליטר חמצן – שווי אנרגטי של כ160 קק"ל . עדות לכך שאף 30 דקות של הליכה על מסילה בעצימות של 70% מה VO2max - בעלי השפעה על EPOC נמצאה בקרב נשים אשר "צרכו" כ- 50 קק"ל משך שלוש השעות מסיום המאמץ (12). מחקר אחר (13) ניסה לצמצם את ספקטרום המאמץ, ולהשוות משתנה אחד בלבד: עצימות או משך מאמץ. במחקר נתבקשו הנבדקים להוציא 300 קק"ל – קבוצה אחת בעצימות של 50% מהVO2max –, ואילו הקבוצה השנייה בעצימות של 75% מהVO2max -. קבוצה א סיימה את ההוצאה האנרגטית ב- 30 דקות ואילו קבוצה ב סיימה את המאמץ ב- 20 דקות. קבוצות אחרות ביצעו מאמץ כאשר העצימות נשארה קבועה: 50% מה VO2max –, אך המאמץ נמשך 30 דקות לעומת 60 דקות. הממצאים הראו כי רמת EPOC מושפעת בעיקר מרמת המאמץ, ואילו משך המאמץ נמצא במתאם עם משך הEPOC, אך לא עם רמתו. הלכה למעשה – אלו שהתאמצו יותר צריכת הקלוריות הנוספת הגיעה לכ - 30 קק"ל ואילו הקבוצה שהוציאה אותה אנרגיה, אך במאמץ ממושך ומתון צריכת הקלוריות הנוספת עמדה על 12 קק"ל. אך, גם לאור הנתונים לעיל, האינטראקציה בין העצימות למשך המאמץ לא ברורה דיה, להלן איור המציג קשר בין עצימות ומשך מאמץ, ממנו ניתן ללמוד על סינרגיזם ביו שני המשתנים.

איור 2: השפעת עצימות המאמץ ומשכו על צריכת חמצן לאחר מאמץ מחקר פרוספקטיבי (2) ראשון מסוגו בדק את השפעת אימון אירובי על EPOC לאחר מאמץ זהה אבסולוטית ולאחר מאמץ יחסי. בתחילה נבדקה רמת כושר וצח"מ לקבוצת ביקורת וקבוצת הנחקרים. קבוצת הנחקרים קיבלה תוכנית מסודרת בת 12 שבועות, בסיומה נתבקשו 2 הקבוצות לבצע מאמץ זהה אבסולוטית ומאמץ יחסי לכושר הגופני. הממצא המעניין היה שאימון גופני, אשר שיפר את כושרם הגופני של הנבדקים, גרם לירידה ב-EPOC כאשר המאמץ שביצעו הנחקרים היה זהה אבסולוטית לקבוצת הביקורת. כאשר קבוצות המחקר ביצעו מאמץ יחסי ליכולת הגופנית, לא נמצא שינוי ב- EPOC. הסיבות אשר נבדקו במחקר, ואשר יכולות להסביר את הירידה בEPOC במאמץ אבסולוטי, היא ירידה ברמת הקטוכולמינים, ירידה ברמות חומצת חלב והשימוש הגבוה בשומן ביחס לגלוקוז - עם השיפור ברמת הכושר הגופני. לסיכומו של דבר EPOC מושפע ממאמץ יחסי ולא ממאמץ אבסולוטי.

השפעת אינטרוולים על EPOC השואה בין סוגי אינטרוולים נבחנה אף היא (14). נשים נתבקשו משך 36 דקות ללכת על מסילה. קבוצה אחת ביצעה אינטרוולים 3 דקות 30% ו- 3 דקות 90% מה VO2max - ואילו השנייה הלכה בעצימות של 60% מה VO2max –. המתאמנות אשר ביצעו אינטרוולים הראו EPOC למשך זמן רב יותר - 38 דקות לעומת 17 דקות מסיום המאמץ, וכלל צריכת הקלוריות הנוספת עמדה על 17.4 קק"ל לעומת 9 קק"ל אצל הנשים אצלן המאמץ היה אחיד. השפעת פעילות גופנית אירובית ארוכת טווח על EPOC רוב המחקרים בדקו משתנים שונים של פעילות גופנית על צריכת חמצן בסיום מאמץ , אך נושא ה EPOC בטווח של חודשים לא נבדק דיו. במחקר (15) אשר ניסה לעמוד על 16 חודשי אימון גופני והשפעתם על EPOC, נתבקשו 25 נשים וגברים בעלי עודף משקל והשמנה לבצע תוכנית אימונים על גבי מסילה עד הגעה ל- 5 ימי אימון בשבוע. צריכת החמצן בסיום המאמץ נבדקה בתחילת תוכנית האימונים, כעבור 9 חודשים ובסיום - כעבור 16 חודשים. השינוי ב-EPOC שנמצא אצל הגברים עמד על 10 קק"ל. ההסבר שניתן על ידי החוקרים הוא שנפח האימון עלה ובעקבותיו צריכת החמצן המאוחרת. לסיכום, השינוי העיקרי בצריכת החמצן לאחר פעילות גופנית אירובית הוא תלוי משך ועצימות האימון, הקשר בין משך האימון ו EPOC הולך מתחזק ככל שעצימות האימון עולה.

השפעת אימון מפוצל על EPOC מספר מחקרים הראו EPOC גבוה אחרי פיצול אימון ביחס לביצועו בצורה מתמשכת. במחקר (16) בו ביצעו נבדקים 30 דקות רכיבה על אופניים בעצימות של 70% מה VO2max- לעומת שתי רכיבות בנות 15 דקות עם 6 שעות מנוחה בין הראשונה לשנייה נמצא, כי צריכת החמצן הנוספת עמדה על 5.3 ליטר לעומת 7.4 בפיצול.

השפעת אימון סופר-מכסימאלי על EPOC כיוון שקיים קשר ישיר בין עצימות אימון ל EPOC, הרי מתבקש שאימון עצים יגדיל את צריכת החמצן, ואכן מרבית המחקרים תומכים בכך. במחקר (17) שבדק 20 מאוצים בני דקה כל אחד בעצימות של 105% מה VO2max-עם 2 דקות מנוחה בין מאמץ למשנהו, לעומת ריצה בת 30 דקות בעצימות של 70% מ VO2max- נמצא, כי למרות המרחק הזהה שעברו הנבדקים, הרי האימון בעצימות-על גרם לEPOC גבוה פי 2 ביחס לאימון בעצימות הנמוכה יחסית. כמו כן ה EPOC - בקבוצת העצימות הגבוהה נמשך על פני מספר שעות גבוה יותר.

השפעת אימון כוח על EPOC מחקרים רבים בדקו את השפעת אימוני כוח בנפרד על EPOC, והשוואה בין אימוני כוח ואירובי. במחקר (18) נעשתה השוואה בין 40 דקות רכיבת אופניים בעצימות של 80% מהדופק המכסימאלי, ביחס לאימון משקולות מחזורי בו בוצעו 8 תרגילים 4 סטים בני 15 חזרות בכל תרגיל, כאשר המשקל שהורם מהווה 50% מהמשקל המכסימאלי, וביחס לאימון כוח בן 3 סטים עד כישלון (כישלון – חוסר יכולת להרים את המשקל פעם נוספת), בו המשקל המורם הוא 80-90% מה 1RM (1 RM- המשקל המכסימלי שאפשר להרים פעם אחת ). הממצאים הראו כי אימון הכוח אשר בוצע עד כישלון גרם לEPOC הגבוה ביותר. מחקר אחר (19), בו ההוצאה האנרגטית באימון הכוח הושוותה לאימון האירובי נמצא, כי אימון הכוח גרם לעליה משמעותית ב - EPOC שהגיעה ל- 14 שעות מסיום האימון. לאימון כוח השפעה ארוכת טווח על EPOC. במחקר (20) נתבקשו נבדקים לבצע 8 סטים בני 6 חזרות המהווים משקל מכסימאלי (RM6 - המשקל המכסימלי שניתן להרים 6 פעמים). כמו כן הודגש השלב האקסצנטרי בכל חזרה, והוא נמשך כ 4 שניות (שלב אקסצנטרי – שלב בו השריר מתארך). נמצא, כי 24 שעות לאחר האימון עלתה רמת חילוף החומרים ב 18%, ו- 48 שעות מסיום המאמץ ההוצאה האנרגטית נשארה גבוהה ב11%. (חשוב לציין כי אימון כוח מסוג זה אינו ישים לרוב האוכלוסייה ורק מתאמנים ברמה גבוהה יכולים לעמוד בעצימות זו ). במחקר נוסף (21) הושווה אימון כוח בעצימות נמוכה בטווח של 15 חזרות מול אימון כוח בעצימות גבוהה בטווח של 8 סה"כ. האימון נטו (לא כולל זמן מנוחה) עמד על 6.9 דקות לאנשי העצימות הגבוהה / 8.3 דקות לאנשי העצימות הגבוהה. בשעתיים מסיום האימון צריכת החמצן הייתה כפולה בקרב אנשי המאמץ הגבוה .

השפעת אימוני כוח שונים על EPOC רוב המחקרים, אשר בדקו את השפעת אימוני כוח על EPOC , לא ביצעו השוואה בין פרוטוקולים שונים של אימוני כוח. השונות יכולה להיות בנפח האימון, בעצימות במשקל היחסי המורם ובטכניקות האימון המבוצעות. אחד המחקרים (22) אשר ניסה לעמוד על השונות, בדק השפעת שתי שיטות אימון על EPOC : האחת אימון מחזורי – אימון בו מבצעים רצף של תרגילים שונים אחד אחרי השני עם מנוחה של כ- 30 שניות בין תרגיל למשנהו, והשיטה השנייה קרויה "התשה מוקדמת" - שיטת אימון קשה, בה נוהגים לבצע 2 תרגילים ברצף לאותה קבוצת שרירים. מספר התרגילים שבוצע היה זהה. הממצאים הראו שלאימוני כוח, אשר מבוצעים בנפח ועצימות זהים, אין השפעה שונה על EPOC , למרות סדר שונה של תרגילים וטכניקת אימון שונה. מחקר אחר (23) בדק את השפעת זמן מנוחה בין סטים והשפעתו על צריכת החמצן בסיום מאמץ. נבדקים גברים ביצעו 5 סטים בתרגיל לחיצת רגליים, אשר הושווה לתרגיל פרפר לחזה. זמן המנוחה עמד על דקה או 3 דקות. הממצאים הראו כי אימון קבוצת שרירים גדולה (רגליים) גרם לעליה גבוהה יותר בEPOC ביחס לקבוצת שרירים קטנה (חזה). לזמן המנוחה לא הייתה השפעה על צריכת החמצן, בעיקר בהתייחס לקבוצת שרירים קטנה. לסיכום, ככל שעצימות אימון הכוח והמשקל המורם ביחס ליכולת המכסימלית גדלים כך גוברת ההשפעה על הEPOC.

מכניזם אפשרי לעליה מהירה ב EPOC - מספר גורמים מוצעים כמשפיעים על הEPOC : סינתזה של ATP ושל קראטין פוספט, סילוק לקטט, ואספקת חמצן לאברי מטרה המצויים במחסור של חמצן. כמו כן מוצע, כי חומצות השומן המצויות בזרם הדם צריכות לעבור סינתזה מחדש ליצירת טריגליצרידים, הן בכבד והן בתאי השומן. נתון זה נחשב כבעל השפעה גדולה על RMR. בנוסף נדרשת אנרגיה לסנתז חלבון, בעיקר אחרי אימוני כוח, כאשר שיחלוף החלבון עולה בסיום מאמץ. כמו כן קיים צורך לסנתז גליקוגן מחדש בשריר ובכבד, אך זה רלוונטי בעיקר אם ישנה התערבות תזונתית. בנוסף לאמור לעיל גם רמת הקטוכולמינים בסיום האימון משפיעה על ה- EPOC בסיום מאמץ (2,3).

לסיכום לפעילות גופנית השפעה על צריכת חמצן בסיום המאמץ. פעילות גופנית קצרה ובעלת עצימות נמוכה תשפיע באופן מינורי על צריכת הקלוריות בסיום המאמץ, בעוד שפעילות גופנית עצימה וארוכה יכולה לגרום לעליה משמעותית בחילוף החומרים ובEPOC למשך יממה ומעלה. בהתייחס לאימוני כוח הדברים פחות ברורים, אך ניתן לומר ששכל שקבוצות שרירים גדולות מעורבות באימון, וככל שהעצימות גבוהה והמשקל המורם גבוה, כך ישנה עליה בEPOC . בצד הפרקטי הגם שכל קלוריה תורמת למאמץ המלחמתי לירידה במשקל, הרי לאוכלוסייה רגילה אשר מידת המאמץ הפיסי המקובל בפעילות גופנית אינה גבוהה, לEPOC תרומה מינורית לתהליך הירידה במשקל. לידים: 1. השינוי העיקרי בצריכת החמצן לאחר פעילות גופנית אירובית הוא תלוי משך ועצימות האימון, אך לעצימות האימון ההשפעה הגדולה ביותר על EPOC. 45% מהשונות ב - EPOC מיוחסת לעצימות בה נעשתה הפעילות, ואילו למשך המאמץ השפעה מועטה יחסית הנעה בין 8.9%-7.7%. 2. ל- EPOC מספר מרכיבים. החלק "המהיר" המתייחס לשעה מתחילת האימון, והחלק "המתמשך" שאורכו מספר שעות. לאימונים (מאמצים חוזרים ונשנים של תרגול) יש השפעה כרונית על RMR ביחס לאנשים לא מאומנים, בעיקר כאשר ישנה אספקת אנרגיה נאותה בתקופת האימונים

References:

1. Amy M. Knab R, et al. A 45 – Minute Vigorous Exercise Bout Increases Metabolic Rate for 14 Hours. Med sci Sports Exerc. 2011; 1643:1648. 2. Sedlock DA, Man-Gyoon L, et al. Excess Postexercise Oxygen Consumption After Aerobic Exercise Training. Int j Sport Nutr Exerc Metab. 2010;336-349. 3. Borsheim E, Bahr R. Effect of Exercise Intensity, Duration and Mode on Post – Exercise Oxygen Consumption. Sports Med 2003; 1037-1060 4. Gaesser GA, Brooks GA. Metabolic bases of excess post-exercise oxygen consumption. Med Sci Sports Exerc 1984; 16: 1: 29-43 5. Elliot DL, Goldberg L, Does aerobic conditioning cause a sustained increase in the metabolic rate? Am j Med Sci 1988; 296: 249-51. 6. Gore CJ, Withers RT. Effect of exercise intensity and duration on postexercise metabolism. J Appl Physiol 1990; 68 (6) : 2362 – 8. 7. Gore CJ, Withers RT. The effect of exercise intensity and duration on the oxygen deficit and excess post- exercise oxygen consumption. Eur j Appl physiol 1990; 60: 169-74. 8. Maehlum S, Grandmontagne M, Magnitude and duration of excess postexercise oxygen consumption in healthy young subjects. Metabolism 1986; 35 ( 5 ): 425-9. 9. Bahr R, Ingnes I, et al Effect of duration of exercise on excess postexercise O2 consumption. J Appl physiol 1987 feb; 62 ( 2) : 485-90 10. Bahr R, Sejersted OM. Effect of intensity of exercise on excess postexercise O2 consumption. Metabolism 1991 Aug; 40 ( 8): 836-41. 11. Withers RT, Gore CJ, et al. Some aspect of metabolism following a 35 km road run. Eur j Appl Physiol 1991; 63: 436-43. 12. Quinn TJ, Vroman NB, Postexercise oxygen consumption in trained females: effect of exercise duration. Med Sci Sports Exerc 1994 Jul; 26 ( 7): 908-13. 13. Sedlock D, Fissinger JA, Effect of exercise intensity and duration on postexercise energy expenditure. Med Sci Sports Exerc 1989; 21:662-6. 14. Kaminsky LA, Whaley MH. Effect of interval-type exercise on excess postexercise oxygen consumption ( EPOC) in obese and normal-weight women. Med Exerc Nutr Health 1993; 2: 106-11. 15. Lechemina JD, Jacobsen Dj, et al. Effects of long-term aerobic exercise on EPOCE. Int Sports Med. 2008 jan; 29 (1) : 53-8. 16. Almuzaini KS, Potteiger JA, Effects of split exercise sessions on excess postexercise oxygen consumption and rest-ing metabolic rate. Can J Appl Physiol 1998 Oct; 23( 5): 433-43. 17. Laforgia J. Withers RT, et al. Comparison of energy expenditure elevations after submaximal and supramaximal running. J Appl Physiol 1997; 82 ( 2) :661-6. 18. Elliot DL, Goldberg L, Effect of resistance training on excess post-exercise oxygen consumption. J Appl Sport Sci Res 1992; 6 (2): 77-81. 19. Gilette CA, Bullough RC, Melby C. postexercise energy expen-diture in response to acute aerobic or resistive exercise. Int J Sport Nutr 1994; 4: 347-60. 20. Dolezal BA, Potteiger JA, et al. Muscle damage and resting metabolic rate after acute resistance exercise with an eccentric overload. Med Sci Sports Exerc 2000 Jul; 32 (7): 1202-7 21. Thornton Mk, Potteiger JA. Effects of resistance exercise bouts of different intensities but equal work on EPOC. Med Sci Sports Exerc 2002 Apr; 34 (4): 715-22. 22. Lavinas Da Silva R, Arias Brentano M, et al. Effects of Different Strength Training Methods on postexercise energetic expenditure . Journal of strength and Conditioning Research 2010; 2255 -2260.

חלבונים מפרי צימוד (Uncoupling proteins) - המסע לגילוי משמעות, פרופ' נחום ויסמן ורונן סימן טוב

פרופ' נחום ויסמן, רונן סימן טוב*, היחידה לתזונה קלינית, מרכז רפואי ע"ש סוראסקי תל-אביב * כחלק מעבודת M.Sc במסגרת מדעי הרפואה

מאז גילויים עוררו החלבונים מפרי הצימוד עניין רב עקב התפקיד הקריטי שהם משחקים במטבוליזם התאי העשוי להשתנות עד סדר גודל של 70%. UCP1 הוא החלבון הראשון שזוהה ב- 1985, הוא מתבטא בעיקר ברקמת שומן חום, האחראית ליצירת חום במכרסמים ובתינוקות, וכן להסתגלות לקור ושנת חורף ביונקים. למרות ש 2UCP ו- 3 UCPלא אחראיים לתהליכים תרמורגולטורים הם יכולים להשפיע על התרמוגנזה דרך השפעתם על ייצור ROS וחימצון חומצות שומן חופשיות. תכונות אלה קשורות למחלות כרוניות כמו: השמנה, אטרוסקלרוזיס, סוכרת והפרעות אימונולוגיות וניארודגנרטיביות. השפעות אלה הופכות את החמ"צ ליעד לפיתוח תרופות היכולות להשפיע על פעולות אלה.

המיטוכונדריה ותהליך ה Oxidative phosphorilation המיטוכונדריה היא אברון שנמצא בציטופלסמה של כל התאים האאוקריוטיים ומעורב בעיקר ביצור אנרגיה באמצעות מעגל קרבס (Citric acid cycle) וזירחון חימצוני ((Oxidative phosphorylation. בנוסף מעורבת המיטוכונדריה בתהליכים קריטיים לפעילות התא והישרדותו כמו: הומאוסטזיס של סידן, פיקוח על תהליכי חימצון-חיזור, פרוליפרציה תאית, מוות תאי באמצעות נקרוזיס ואפופטוזיס, וגם בפתולוגיות רבות כגון: סרטן, השמנה, איסכמיה, ניוון עצבי וסוכרת. למיטוכונדריה שתי ממברנות: חיצונית ופנימית. החיצונית חדירה למטבוליטים קטנים כמו נוקליאוטידים, חלבונים ואנזימים שונים. לעומת זאת החדירות של הממברנה הפנימית שונה ומטרתה לשמר את המפל האלקטרו-כימי שנוצר במהלך שרשרת הנשימה והכרחי ליצירת ATP. המיטוכונדריה משתתפת בתהליך יצירת ATP בעזרת החימצון הזרחני (Oxidative phosphorilation). בתהליך זה מוצמדת העברת האלקטרונים בשרשרת האלקטרונים לפעולת משאבות הפרוטונים האקטיביות של יצירת ATP. התהליך הזה מורכב מ - 5 משאבות יונים הממוקמות בתוך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. משאבות 1,3,4 זורקות פרוטונים אל התווך הבין-ממברנלי ויוצרות פוטנציאל אלקטרו-כימי סביב הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, משאבה 5 מחזירה את הפרוטונים למטריקס לשם יצירת ATP מ ADP (איור 1) (1,2). חלק מהפרוטונים יכולים לעבור למטריקס דרך משאבות אחרות, ולא דרך המשאבה ה 5 יוצרת ה ATP. משאבות אלו הן בעיקר חלבוני ה UCP's (Uncoupling proteins) אשר מחזירות פרוטונים מהחלל הבין ממברנלי חזרה אל המטריקס, ובכך מפרים את הצימוד הזה בין שרשרת הנשימה ליצירת ATP, כך שלבסוף חלק מהאנרגיה שמופקת מחמצון מטבולי תייצר חום במקום ATP (2). תהליך החימצון הזרחני מתבצע בשלשה שלבים: 1) חימצון סובסטרטים הקשור לתהליכי חימצון-חיזור של קו-אנזימים כמו NAD/NADH ו- FADH2. מתבצע על ידי שרשרת מעבר האלקטרונים 2) יצירת מפל ריכוזים לאורך הממברנה הפנימית על ידי הוצאת פרוטונים למרווח הבין ממברנלי ו-3) יצירת ATP מ ADP ו- Pi על ידי synthase ATP הכרוך בהחזרת פרוטונים למטריקס.

חלבוני ה UCP's (Uncoupling proteins) מחזירים פרוטונים מהחלל הבין ממברנלי חזרה אל המטריקס, ובכך מפרים את הצימוד בין שרשרת הנשימה ליצירת ATP, כך שלבסוף חלק מהאנרגיה שמופקת מחמצון מטבולי תייצר חום במקום ATP

חלבונים מפרי צימוד – Uncoupling proteins מערכת ה- Oxidative phosphorilationאינה יעילה באופן מוחלט וישנם מספר מנגנונים שבהם יש חוסר צימוד בין פוספורילציה ונשימה. המנגנון העיקרי הוא זליגה חוזרת של פרוטונים דרך הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, תהליך הקרוי: Proton leak (3). בתהליך זה הפרוטונים עוקפים את synthase ATPוהופכים מיד את האנרגיה של המפל האלקטרוכימי לחום. החלבונים מפרי הצימוד מאפשרים תהליך זה. מאז גילויים עוררו החלבונים מפרי הצימוד עניין רב עקב התפקיד הקריטי שהם משחקים במטבוליזם התאי העשוי להשתנות עד סדר גודל של 70%. עד היום ידוע על חמישה איזופורמים ל- UCP's אשר ממוקמים בממברנה הפנימית של המיטוכונדריה ומשקלם כ 31-34 קילו דלתון. חלבונים אלה זוהו ברקמות שונות. החלבון המאפיין ביותר את תכונת הפרת הצימוד הוא UCP1 . זה גם החלבון הראשון שזוהה ב- 1985, חלבון המתבטא בעיקר ברקמת שומן חום האחראית ליצירת חום במכרסמים ובתינוקות, וכן להסתגלות לקור ושנת חורף ביונקים (4). ב 1997 זוהו שני חלבונים נוספים הומולוגיים ב 58% ל UCP1, חלבונים אלו הם UCP2 ו UCP3 אשר גם ביניהם קיימת הומולוגיה של 73% (5). ל- UCP4 ו- UCP5רק 30% הומולוגיה ל UCP1והם ממוקמים רחוק יותר מהאחרים (6(. התפיסה העכשווית על תפקיד חמ"צ כוללת: 1) ויסות תהליך יצור רדיקלים חופשיים במיטוכונדריה למניעת נזק חמצוני, 2) תפקיד תרמוגני בעיקר ל 1UCP ו לUCP3 - רק בתנאים מסוימים. 3) השתתפות בטיפול בחומצות שומן ובטרנספורט שלהם. תפקידים אחרים שעדיין לא הוכחו סופית כוללים: הוצאת חומצות שומן הידרופראוקסידיות מהמיטוכונדריה, הכנסת יוני סידן (Ca+2) אליה והשפעה על הפרשת אינסולין מתאי הבטא בלבלב (7).

פיזור ברקמות בהשוואה ל UCP1 אשר נפוץ בעיקר ברקמת שומן חום, UCP2 ו UCP3 מבוטאים בכמה רקמות הן במכרסמים והן בבני אדם (8). ביטוי UCP2 נפוץ כמעט בכל הרקמות בגוף, ונוכחותו גבוהה בעיקר בטחול, בבלוטת התימוס, בלב, בריאות, ברקמת שומן חום ולבן, בבטן, באשכים, במקרופאגים ובתאי בטא בלבלב. נוכחותו נמוכה יותר ברקמת המוח, כליות, כבד ושריר. למרות ש UCP2 mRNA מתבטא היטב בכמה רקמות, נראה שרמות חלבון UCP2 אינן פרופורציונאליות לרמות הUCP2 mRNA. בכמה רקמות בהן mRNA UCP2 מבוטא בקלות, החלבון כלל לא נמצא. ברקמת הלב, שריר השלד ושומן חום בהם נמצאו רמות UCP2 mRNA לא נמצאו רמות החלבון כלל. כמו כן, שינויים ברמות ביטוי UCP2 mRNA לא בהכרח מנבא שינויים ברמות החלבון UCP2 (9). חלבוני UCP3 נמצאו ברקמת שרירי שלד ובשריר הלב בקורלציה הדוקה עם רמות ה-UCP3 mRNA. לעומת זאת, ברקמת שומן חום נמצא רק UCP3 mRNA בעוד שזיהוי החלבון ברקמה זו עדיין שנוי במחלוקת. כדי לטעון לתפקיד ביוכימי או פיזיולוגי חשוב מאוד להראות את קיומם ונוכחותם של החלבונים UCP2 ו UCP3 במקביל לשינויים ברמות ה mRNA שלהם. 4 UCP ו -5 UCP (BMCP1-brain mitochondrial carrier protein -1) מבוטאים בעיקר במערכת העצבים המרכזית (6). הגן שזוהה כקשור ל UCP1 נמצאים על כרומוזום 4 ו UCP2 ו UCP3 על כרומוזום 11 במקטע הנקשר בד"כ להשמנה וסוכרת. משך חיי החלבונים ) t1/2) זמן מחצית החיים של UCP1 ברקמת השומן החום היא בסדר גודל של שעות עד ימים והוא מושפע ממתן נוראדרנלין הגורם להחשת הסינתזה. זמן מחצית החיים של UCP2 ו- UCP3 קצר משמעותית בסדר גודל אחד לפחות מזה של UCP1 . זמן מחצית החיים של UCP2 הוא 1 שעה ברקמות שונות, כולל במודל של תאי בטא. זמן מחצית החיים שלUCP3 נע בין 1-4 שעות. הסברה שהועלתה שזמן מחצית החיים הקצר יחסית של חלבונים אלה מאפשר תגובה מהירה לקצב כניסת מרכיבי מזון למיטוכונדריה. אקטיבציה ועיכוב של ביטוי חמ"צ עד היום זוהו מספר מנגנונים הגורמים להעלאת הביטוי של חמ"צ או לעיכובם. הגורמים הידועים כגורמים לאקטיבציה הם: חשיפה לקור, ריכוז של רדיקלים חופשיים (ROS) ועליה בריכוז חומצות שומן חופשיות ואילו העיכוב נגרם על ידי נוקליאוטידים פוריניים. מנגנונים אלה לא משותפים תמיד לכל החלבונים ואינם גם באותה עוצמה לכל סוגי ה- חמ"צ השונים.

אקטיבציה באמצעות רדיקלים חמצניים רדיקלים חמצניים שמאקטבים UCP's מתחלקים ל 2: קבוצה אחת היא של רדיקלים ממקור חיצוני למיטוכונדריה, והקבוצה השנייה היא של הרדיקלים ממקור מיטוכונדריאלי. בקבוצה הראשונה נכללים רדיקלים ממקור חיצוני למיטוכונדריה, היכולים להיכנס למטריקס שלה ואילו בקבוצה השנייה נכללים רדיקלים חמצניים שמקורם במיטוכונדריה, הנוצרים במהלך פעילות שרשרת הנשימה. המנגנון המדויק בו רדיקלים חמצניים מאקטבים חלבונים אלו אינו ידוע (10). עבודות שונות מצביעות על כך שיש הפחתת בייצור רדיקלים חופשיים כתוצאה מעליה בריכוז חמ"צ הגורם לשינוי המטבולי. נמצא שבמיטוכונדריות שברקמת השריר של עכברי נוקאאוט ל UCP3 יש עלייה בייצור נגזרות חמצן פעילות ועלייה ברמות הנזק החמצוני (11). גם במיטוכונדריות של תאי לבלב שבהן הושתקו חלבוני UCP2נצפתה עלייה משמעותית בפוטנציאל הממברנה, ברמות ה ATP , בייצור רדיקלים חופשיים, ובהפרשת אינסולין (12). כל אלו מספקים ראיות חזקות בדבר תפקידם של UCP2 ו- UCP3 בהפחתת ייצור רדיקלים חופשיים במיטוכונדריה ובהגנה מפני נזק חמצוני ברמת התא ובגוף החי.

חלבונים מפרי צמידות מורידים את פוטנציאל הממברנה הפנימית במיטוכונדריה על ידי זריקת פרוטונים לתוך המטריקס ובכך מאפשרים זרימה מהירה יותר של אלקטרונים וייצור מופחת של רדיקלים חופשיים (ROS). ויסות על ידי חומצות שומן הדרך בה חומצות שומן משפעלות פעילות UCP2 ו UCP3 אינה דומה לשפעול של UCP1 במיטוכונדריות שבשומן החום. אקטיבציית UCP1 יכולה להתרחש על ידי חומצות שומן מחומצנות ללא צורך במטבוליטים נוספים משרשרת הרדיקלים החופשיים. בניגוד לכך, הפעלת חלבוני ה UCP2 ו הUCP3 אינה יכולה להתרחש ללא מטבוליט משרשרת הרדיקלים החמצניים, למרות המצאות רבה של חומצות שומן (13). במחקר שנערך לאחרונה נמצא שהפעלת UCP1 על ידי חומצות שומן ורדיקלים חמצניים מתקיימת בשני אזורים נפרדים וייחודיים. לעומת זאת הפעלת חלבוני UCP2 ו-UCP3 מתרחשת באזור אחד משותף לשני המאקטבים (14). ויסות על ידי תזונה וטמפרטורה צום, רמות גלוקוז ומתן 2-deoxy-glucose משפיעים בעיקר על התבטאות UCP2 אך גם על התבטאות UCP5 ,UCP4 ו-.UCP3 בעוצמה פחותה (6(15,1. ויסות על ידי קור לאחרונה נמצא לא רק במכרסמים אלא גם בבני אדם (17)( תפקידים פיזיולוגיים של חלבונים מפרי צמידות למרות שלכל ה UCP's יש את היכולת להוריד את פוטנציאל הממברנה המיטכונדריאלית, יש הבדלים ברורים בתפקיד הפיזיולוגי של כל אחד מהחלבונים (18).UCP1 קשור בעיקר ליצור חום בעוד שלגבי UCP2 ו UCP3 ישנן מספר השערות הכוללות בין השאר: מנגנון להוצאת חומצות שומן מהמיטוכונדריה, הגנה מפני נגזרות חמצן פעילות וויסות הפרשת אינסולין בלבלב. בנוסף יש להם תפקיד משני ביצירת חום והוצאה אנרגטית בכמה רקמות בגוף. UCP4 ו- 5 UCP קשורים כנראה בהגנה ומניעת נזקים חימצוניים במערכת העצבים המרכזית וכן בתרמורגולציה במערכת זו ובאשכים (6).

ייצור חום מיוחס בעיקר לUCP1 . עקב הדמיון בין UCP2 ו UCP3 לבין UCP1 והימצאותם בו זמנית ברקמות של יונקים סברו בתחילה שגם להם פעילות ביצירת חום ומעורבות בהוצאה אנרגטית ובשמירה של משקל הגוף. כיום ידוע שרמת ההתבטאות של חלבונים אלו נמוכה פי 1000 מרמת התבטאותו של UCP1, ולכן ניתן להסיק שגם חשיבותם ביצירת חום נמוכה יותר, אם כי עקב שכיחותו הגבוהה של UCP3 ברקמת שריר, רקמה בעלת מסה גדולה בגוף ומעורבות מטבולית משמעותית יתכן שהאפקט הכולל הוא משמעותי. עם זאת, במצבים ספציפיים, עדיין יש לחלבוני ה UCP2 ו UCP3 פוטנציאל ייצור חום19) ).

השתתפות במטבוליזם של חומצות שומן חופשיות ההשערה הרווחת היום היא שתפקידם העיקרי של UCP2 ו UCP3 קשור למטבוליזם של חומצות שומן. בעכברים עם ביטוי יתר של UCP3 נמצאה עלייה במטבוליזם, ובעקבות כך ירידה במשקל על אף העלאת ההכנסה הקלורית ( (20 נמצא של- UCP3, כמו ל- UCP2 תפקיד חשוב בהוצאת חומצות שומן אל מחוץ למיטוכונדריה (21) והועלתה האפשרות שתהליך זה מגן מפני האפקט הרעיל של חומצות שומן ארוכות שרשרת מחומצנות (LCFA‾) ואניונים של פרוקסידים שומנייםlipid peroxide anions) ) (22). כדי לאושש תיאוריה זו נעשו מחקרים אחדים שהראו עלייה ברמות חלבונים אלו במכרסמים ובבני אדם במצבים שבהם יש עלייה במטבוליזם של שומן כמו: מצבי הרעבה באנשים שמנים ורזים (15), בפעילות גופנית (23) ובעת מתן שומן (16). בנוסף, נמצא שבעכברים עם ביטוי יתר של UCP3 בשרירי השלד חלה עלייה בשיעור חמצון של חומצות שומן חופשיות וירידה באגירת טריגליצרידים (24). ניתן לשער שבמצבים בהם ניצול חומצות השומן גבוה כמו במצבי הרעבה, פעילות גופנית או אכילת שומן מופרזת, חלה עלייה ברמות UCP2-3 ככל הנראה במטרה להוציא חומצות שומן מחומצנות ואניונים פראוקסידים מחומצנים אל מחוץ למיטוכונדריה במטרה להגן עליה מפני האפקט הרעיל שלהם (12).

פעילות אנטי אוקסידנטית המיטוכונדריה מייצרת כמות גדולה של רדיקלים חופשיים הנוצרים במהלך זרימת האלקטרונים, עקב תגובה עם מולקולת חמצן המביאה ליצירת רדיקל חופשי. ייצור הרדיקלים תלוי אפוא בפוטנציאל הממברנה. חמ"צ מורידים את פוטנציאל הממברנה הפנימית במיטוכונדריה על ידי זריקת פרוטונים לתוך המטריקס ובכך מאפשרים זרימה מהירה יותר של אלקטרונים וייצור מופחת של רדיקלים חופשיים (ROS). רדיקלים אלו בנוסף לאלו שממקור חיצוני למיטוכונדריה, מאקטבים את חלבוני ה- UCP's לשחרר פרוטונים מהתווך הבין ממברנלי אל תוך המטריקס במנגנון שעדיין אינו ידוע (52), על ידי תהליך זה נוצר מעגל שליטה על ייצור רדיקלים חופשיים. תפיסה זו נתמכת על ידי מחקרים שמצאו עלייה בייצור רדיקלים חופשיים בעכברי נוקקאוט ל UCP2, במאקרופאגים ובתאי ביטא בלבלב (26). הומיאוסטזיס של גלוקוז לחלבוני UCP2 ו UCP3 יש כנראה תפקיד בוויסות הפרשת אינסולין מתאי בטא בלבלב. במחקרים שונים נמצאה נוכחותUCP2 בתאי בטא בלבלב, ועדויות בדבר תפקידו כמווסת הפרשת אינסולין מתאים אלה. רגישות תאי בטא לגלוקוז והפרשת האינסולין מהם, מתווכת על ידי עלייה ברמות ה ATP בתא. UCP2 בפעילותו כמפר צימוד שרשרת הנשימה ויצירת ATP פועל כמווסת שלילי להפרשת אינסולין בתגובה לגלוקוז. רמות גבוהות של UCP2 יגרמו לרמות נמוכות של ATP ולירידה בהפרשת אינסולין (27). במחקר על עכברי נוקאאוט ל UCP2, הבחינו בעלייה בהפרשת אינסולין וברמות נמוכות של גלוקוז בדם (28). במחקר שפורסם ב- 2002 בדקו את תפקיד UCP2 בפעילות תאי בטא בלבלב, ובהתפתחות סכרת סוג 2 בעכברים. בעכברי נוקקאוט ל UCP2 אשר צרכו מזון עתיר שומן נמצאו רמות נמוכות של גלוקוז בדם, רגישות גבוהה של תאי בטא לגלוקוז והפרשת האינסולין נשמרה תקינה וגבוהה. בהשוואה, בעכברים רגילים (wild type) אשר נחשפו לחומצה פלמיתית הגורמת לשפעול UCP2 התרחשה ירידה משמעותית. תוצאות אלו תומכות באפשרות ששפעול UCP2 ע"י חומצות שומן חופשיות יכול לגרום לפגיעה בהפרשת האינסולין (29). בניגוד ל- UCP2קשה לקבוע מעורבות ישירה של UCP3 בהומיאוסטזיס של גלוקוז. בחלק מהמחקרים נמצא שביטוי יתר של UCP3 גרם לעלייה בחמצון גלוקוז (16), אך באחרים לא נמצא קשר זה. בנוסף, במחקרים בעכברים שעברו נוקאאוט ל- UCP3 לא נמצאו סימנים לירידה בצריכת גלוקוז בתאים או רמות חריגות של אינסולין (30). בהתבסס על ממצאים של עלייה בביטוי UCP2 וירידה בביטוי UCP3 באנשים עם היפרגליקמיה כרונית, הועלתה אפשרות של- UCP2 ול- UCP3 תפקיד שונה בוויסות פעולתם של תאי בטא ובהשפעה על הפרשת אינסולין בתגובה למתן גלוקוז. דיכוי ייצור UCP2 מחד או עליה ברמות UCP3 מאידך יכולים להוות פוטנציאל טיפולי בהפרשת אינסולין באנשים עם סכרת מסוג 2 (31).

הקשר של UCP2 ו UCP3 להשמנה וסוכרת בעשור האחרון התחזקה ההנחה שסוכרת קשורה לתת פעילות מיטוכונדריאלית כמו תהליך ה- oxidative phosphorylation, ולירידה במספר המיטוכונדריות. בבדיקתmicroarray מביופסיות של שרירי שלד של חולי סוכרת ואנשים בריאים נמצא שגנים הקשורים במטבוליזם חימצוני כמו PGC-1a ו-1 NRF מתבטאים פחות בחולי סוכרת (32) ושלחולים אלה יש ירידה במטבוליזם החימצוני ובסינתזת ATP בתגובה לאינסולין וחימצון חומצות שומן (33). תת פעילות מיטוכונדריאלית ועליה בייצור ROS מעורבים בירידה ביצירת ATP המביאה לירידה בהפרשת אינסולין (32). עליה ביחס ADP/ATP הוא סמן חשוב להפרשת אינסולין מתאי בטא בלבלב. מכיוון ש 2UCP דרך השפעתו על proton leak מפחית יצירת ATP ממטבוליזם גלוקוז בתאי ביטא, הוא גם בהכרח עשוי להשפיע על הפרשת אינסולין. הקשר להשמנה מבוסס על כך שביטוי יתר של UCP2 יכול להוביל מצד אחד להפחתה במשקל עקב שימוש עודף בשומן כדי לעקוף את הירידה ביצירת ATP אך גם לירידה בהפרשת אינסולין. נמצא שבעכברים שעברו השתקה של חלבון זה, חל שיפור בהפרשת אינסולין (28). הגנים ל UCP2 ו UCP3 ממוקמים במרחק של 8kb ביניהם על כרומוזום 11q13. דיווחים על הקשר בין שונות בגנים UCP2-UCP3 לבין השמנה וסוכרת, מדגישים את החשיבות במיקום שלהם בקביעת הסיכון לחלות במחלות אלו. ואמנם, מספר עבודות גנטיות מצביעות על קשר בין פולימורפיזם של UCP2 ו UCP3 וחלק ממאפייני הסינדרום המטבולי ובעיקר השמנה וסוכרת (34). במחקר שבדק לאורך 15 שנים את הסיכון עתידי לחלות בסוכרת והשמנה ופולימורפיזם של UCP3 ו UCP2 נמצא שהומוזיגוטיים UCP2 A/A וUCP3 T/T האיצו את הופעת הסוכרת, והעלו את הסיכוי לפתח סוכרת תוך 10 שנים בצורה משמעותית (35). UCP3 מתבטא בלעדית כמעט ברקמת שרירי השלד התורמים כ- 30% מההוצאה האנרגטית במנוחה. ירידה בביטוי UCP3 עלולה לגרום להשמנה ולסוכרת. נמצא שעכברים עם ביטוי יתר של UCP3 רזים ומוגנים מסוכרת שנגרמת מהשמנה (36). למרות השונות ברמות mRNA UCP3 בחולי סוכרת סוג 2, יש ירידה של 50% בכמות החלבון בשריר של חולים סוכרתיים בהשוואה לקבוצת ביקורת בריאה (37). לגבי פולימורפיזם של הגן ל UCP3, נמצא שאלל 55T קשור לירידה בסיכון לסוכרת סוג 2 (38).

ניתן לשער שבמצבים בהם ניצול חומצות השומן גבוה כמו במצבי הרעבה, פעילות גופנית או אכילת שומן מופרזת, חלה עלייה ברמות UCP2-3, ככל הנראה במטרה להוציא חומצות שומן מחומצנות ואניונים פראוקסידים מחומצנים אל מחוץ למיטוכונדריה במטרה להגן עליה מפני האפקט הרעיל שלהם

לסיכום קיימים היום מחקרים רבים המצביעים על כך לחמ"צ יש תפקיד חשוב ברגולציה של חימצון שומן ויצירת רדיקלים חופשיים. רמת החלבונים ופעילותם נמצאת תחת רגולציה במספר צמתים. למרות ש 2UCP ו- 3 UCPלא אחראיים לתהליכים תרמורגולטורים הם יכולים להשפיע על התרמוגנזה דרך השפעתם על ייצור ROS וחימצון חומצות שומן חופשיות. תכונות אלה קשורות למחלות כרוניות כמו: השמנה, אטרוסקלרוזיס, סוכרת והפרעות אימונולוגיות וניארודגנרטיביות. השפעות אלה הופכות את החמ"צ ליעד לפיתוח תרופות היכולות להשפיע על פעולות אלה.

References 1. Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature1961; 191:144-148. 2. Klingenberg, M.; Echtay, K. S. Uncoupling proteins: the issues from a biochemist point of view. Biochem. Biophys. Acta 2001;1504:128–143. 3. Rolfe DFS, Brand MD. The physiological significance of mitochondrial proton leak in animal cells and tissues. Biosci Rep1997;17:9-16. 4. Parker N, Crichton P, et al. Uncoupling protein-1 contributes to the basal proton conductance of brown adipose tissue mitochondria. J Bioenerg Biomembr 2009;4:335-342. 5. Krauss S, Zhang CY, et al. The mitochondrial uncoupling protein homologues. Nat Rev Mol Cell Biol 2005; 6:248-261. 6. Mao W, yu XX, et al. Characterization of novel UCP5/ BMCP1 isoforms and differential regulation of UCP4 and UCP5 expression through dietary or temperature manipulation. FASEB J 2000;14:1611-1618. 7. Cioffi F, Senese R, et al. Uncoupling proteins: a complex journey to function discovery. Biofactors 2009;35:417- 428. 8. Ricqier D, Alves –GuerraM, et al. The uncoupling protein homologues: UCP1, UCP2, UCP3, StUCP and AtUCP. Biochem J 2000;345:161-179. 9. Pecqueur C, Alves-GuerraM, et al. Uncoupling protein 2, in-vivo distribution, induction upon oxidative stress and evidence for translational regulation. J Biol. Che. 2001;276:8705-8712. 10. Mailoux RJ, Harper ME. Uncoupling proteins and the control of mitochondrial reactive oxygen species production. Free Radic Biol Med 2011;15:1106-1115. 11. Brand MD, Pamplona R, et al. Oxidative damage and phospholipid fatty acyl composition in skeletal muscle mitochondria from mice underexpressing or overexpressing uncoupling protein 3. Biochem. J 2002;368: 597-603. 12. Krauss S, Zhang CY, et al. Superoxide-mediated activation of uncoupling protein 2 causes pancreatic beta cell dysfunction. J Clin Invest 2003;112:1831-1842. 13. Klingenberg M. Nucleotide binding to uncoupling protein: mechanism of control by protonation. Biochemistry 1988;27: 781-791. 14. Jimenez-Jimenez J, Ledesma A, et al. Fatty acid activation of the uncoupling proteins requires the presence of the central matrix loop from UCP1. Biochim. Biophys. Acta 2006;1757:1292-1296. 15. Echtay KS, Esteves TC, et al. A signaling role for 4-hydrxy-2-nonenal in regulation of mitochondrial uncoupling. EMBO J 2003;22:4103-4110. 16. Millet L, Vidal H, et al. Increased uncoupling protein -2 and -3 mRNA expression during fasting in obese and lean humans. J Clin. Invest. 1997;100:2665-2670. 17. Schrauwen P, Hoppeler H, et al. Fiber type dependent upregulation of human skeletal muscle UCP2 and UCP3 mRNA expression by high-fat diet. Int J Obes. Relat. Metab. Disord 2001;25:449-456. 18. Nedergaard J, Bengton T, et al. Unexpected evidence for active adipose tissue in adult human. Am J Phys. Endocrinol. Metab. 2007;293: E444-E452. 19. Brand MD, Esteves TC. Physiological functions of the mitochondrial uncoupling proteins UCP2 and UCP3. Cell Metab 2005;2:85-93. 20. Mills E, Banks ML, et al. Pharmacology: uncoupling the agony from ecstasy. Nature 2003;426:403-404. 21. Cadenas S, Echtay KS, et al. The basal proton conductance of skeletal muscle mitochondria from transgenic mice overexpressing or lacking uncoupling protein 3. J Biol. Chem 2002;277:2773-2778. 22. Himms-Hagen J, Harper ME. Physiological role of UCP3 may be export of fatty acids from mitochondria when fatty acid oxidation predominates: a hypothesis. Exp Biol. Med 2001:226:78-84. 23. Schrauwen P, Hesselink MK. The role of uncoupling protein 3 in fatty acid metabolism: protection against lipotoxicity? Proc Nutr Soc 2004;63:287-292. 24. Tsuboyama-Kasaoka N, et al. Upregulation of incoupling protein 3 mRNA by exercise training and down-regulation of UCP3 by denervation in skeletal muscle. Biochem. Biophys. Res Cummun 1998;247:498-503. 25. Wang S, Subramanian A, et al. Increased fatty acid oxidation in transgenic mice overexpressing UCP3 in skeletal muscle. Diabetes Obes. Metab. 2003; 5: 295-301. 26. Mattiasson G, Sullivan PG. The emerging functions of UCP2 in health, disease and therapeutics. Antioxid. Redox Signal 2006;8:1-38. 27. Krauss S, Zhang CY, et al. Superoxide-mediated activation of uncoupling protein 2 causes pancreatic beta cell dysfunction. J Clin Invest 2003;112:1831-1842. 28. Chan CB, MacDonald PE et al. Overexpression of uncoupling protein 2 inhibits glucose-stimulated insulin secretion from rat islets. Diabetes 1999;48:1482-1486. 29. Zhang CY, Baffy G, et al. Uncoupling protein 2 negatively regulates insulin secretion and is a major link betweenobesity, beta cell dysfunction and type 2 diabetes. Cell 2001;105:745-755. 30. Joseph JW, Koshkin V, et al. Uncoupling protein 2 knockout muce have enhanced insulin secretory capacity after high-fat diet. Diabetes 2002;51:3211-3219. 31. Gong DW, Monemdjou S, et al. Lack of obesity and normal response to fasting and thyroid hormone in mice lacking uncoupling protein 3. J Biol. Chem 2000;275:16251-16257. 32. Li Y, Maedler K, et al. UCP2 and UCP3 proteins are differentially regulated in pancreatic beta-cells. PlosOne 2008;3:e1387. 33. Wang C, Wang C, et al. Mitochondrial dysfunction in insulin insensitivity: implication of mitochondrial role in type 2 diabetes. Ann NY Acad Sci 2010;1201: 157-165. 34. Petersen K, Dufour S, et al. Decreased insulin-stimulated ATP synthesis and phosphate transport in muscle of insulin-resistent offspring of type 2 parents. Plos Med 2005;2:e233. 35. de Souza BM, Assmann TS, et al. The role of uncoupling protein 2 on the development of type 2 diabetes mellitus and its chronic complications. Arq Bras Endocrinol Metab 2011;55:239-248. 36. David R, Gable JW, et al. Variation in the UCP2-UCP3 Gene cluster predicts the development of type 2 diabetes in healthy middle-aged men. Diabetes 2006;55:1504-1511. 37. Clapham JC, Arch JRS, et al. Mice overexpressing human uncoupling protein 3 in skeletal muscle are hyperphagic and lean. Nature 2000;406:415-418. 38. Schrauwen P, Hesselink MK, et al. Uncoupling protein 3 content is decreased in skeletal muscle of patients with type 2 diabetes. Diabetes 2001;50:2870-1873. 39. Meirhaeghe A, Amouyel P, et al. An uncoupling protein 3 gene polymorphism associated with a lower risk of developing type 2 diabetes and wuth atherogenic lipid profile in a French cohort. Diabetologia 2000;43:1424-1428.

האם קלוריה היא קלוריה ? אנקדוטות בנושא צריכה וניצול אנרגיה, ד"ר דינה ראלט

ד"ר דינה ראלט, מדענית השמנה ותקשורת, רשת בריאות חברתית- כמוני

כדי להעריך את תרומתו של המזון שאנחנו אוכלים למאזן האנרגיה בגופנו, אנו מרבים להשתמש בערכו הקלורי. קלוריה מבחינה כימית מחושבת על פי מידת החום שנפלטת משריפתו של המזון. היה מעניין יותר להגדיר מונח של "קלוריה יישומית" אשר ייקח בחשבון את מיכלול המשתנים הקובעים בפועל את ערכה ויישומה האנרגטי של ה"קלוריה" בגופנו. אחד הגורמים החשובים בניתוח ערכה הביולוגי של הקלוריה הוא לקחת בחשבון לאן תיושם האנרגיה שלה, ויחד עם זאת שאת מידת האכילה שלנו קובעת תחושת השובע ולא מספר הקלוריות, הרי שצריכת המזון ויעילות ניצולו בגוף גם יחד משחקים תפקיד ב"צריכה הקלורית היישומית". בישול המזון תורם ליעילות הפקת האנרגיה בכל העולם משקיעים בעיבוד המזון, קיצוצו, בישולו ועוד... ויחד עם זה לא נחקרה ההשפעה של תהליכי הכנת המזון על האנרגיה שאנחנו יכולים להפיק ממנו. זאת למרות שהפקת אנרגיה מהמזון היא הסיבה העיקרית שלנו לאכילה. חוקרים מהרוורד נתנו במשך 40 יום לשתי קבוצות עכברים סדרת דיאטות שהורכבה מבשר או מבטטות וזאת ב- 4 צורות: * לא מבושל * לא מבושל אך חבוט * מבושל * מבושל וחבוט התוצאות – בשר מבושל ובטטות מבושלות נותנות לעכברים יותר אנרגיה מאשר בשר ובטטות לא מבושלים. גם החבטות העלו את הניצול האנרגטי, אך פחות מאשר הבישול. מזוית אחרת הראו החוקרים שעכברים רעבים העדיפו הרבה יותר בשר מבושל על בשר לא מבושל, מה שמעיד על כך שהעכברים היו מודעים לערך הקלורי המוסף של הבישול. אלו ממצאים שמעידים על התפתחות בני האדם, אשר ידעו לנצל את הזמינות הגבוהה יותר של המזון הכרוכה בבישול.

דרגת השובע שתארו המשתתפים היתה בהתאמה למה שהם חשבו שהם שתו. אצל אלה אשר חשבו ששתו שייק עתיר קלוריות היתה הירידה בגרלין דרמטית ותלולה, ואילו אצל אלה שחשבו ששתו שייק דל קלוריות היתה הירידה בגרלין איטית יותר

לא כל קלוריה שאנחנו אוכלים אכן נספגת חוקרים מהשירות לחקר חקלאות של משרד החקלאות האמריקני מצאו, כי ייתכן שבפיסטוקים יש בפועל פחות קלוריות זמינות ממה שקיימות מבחינה כימית. בניסוי נתנו החוקרים ל- 16 מתנדבים בריאים לאכול 30 גרם אגוזים, כחלק מתזונה מבוקרת, וחישבו את הערך הקלורי באמצעות ההבדלים בהפרשת אנרגיה. הם מצאו כי הערך האנרגטי של מנת פיסטוקים היה נמוך ב- 6% ממה שחושב בעבר (2). מחקר קודם של חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה מצא, כי פיסטוקים הם חטיף טוב לניהול משקל. המחקר נערך בקרב 52 משתתפים עם משקל עודף או השמנת יתר. כל הנחקרים הקפידו על דיאטה במשך 12 שבועות, במסגרתה אכלו 500 קלוריות פחות ביום. כחטיף, המשתתפים קיבלו פיסטוקים שסיפקו כ- 240 קלוריות, או בייגלה שסיפק כ- 220 קלוריות. התוצאות הראו שהנחקרים בקבוצה שקיבלה פיסטוקים כחטיף עמדו טוב יותר במטרות ההרזיה מאשר בקבוצה שקבלה בייגלה (3).

הטעמים משפיעים על בחירת המזון חוקרים ממישיגן ניתחו מאתר המירשמים העולמי (http://allrecipes.com) 46000 מירשמים וייצרו מפה כלל-עולמית של טעמים. מפת מירשמים זאת מראה שהנתונים אכן לא זהים בכל מקום בעולם. נתון מעניין ובולט שנמצא הוא, שהכנת מזון שקל לעכלו מעלה את שעור הבחירה בו, מימצא ששוב תומך בבחירה הטבעית המועדפת של אנשים ביתר זמינות קלורית (4).

כמות החלבון משפיעה על הצריכה הכוללת שעור החלבון בתזונה משפיע על האכילה הנוספת. בניסוי שנעשה באוסטרליה עם 22 משתתפים רזים נמצא שתזונה בה נכללה ירידה בכלל החלבון בתזונה היומית מ- 15% ל- 10% גוררת עימה עליה ב – 12% בצריכת כלל הקלוריות היומית וכך יכולה להוביל להשמנה (5).

מזונות המעוררים הפרשת סרוטונין שקדים מגבירים הפרשת סרוטנין וכך מפחיתים את תחושת הרעב. בניסוי השתתפו 42 מטופלים עם סינדרום מטבולי שכחציים קיבלו מדי יום 30 גרם תערובת של שקדים ואגוזים. בקבוצה שקיבלה שקדים ואגוזים במשך 12 שבועות נמצאה רמה גבוהה יותר של סרוטונין מרמתו אצל המשתתפים שלא קיבלו את השקדים (6). גם המימצאים כאן תומכים בשינוי התפיסה הישנה שכדאי להימנע משקדים ואגוזים עתירי הקלוריות כשרוצים לרזות.

האם ממתיק מלאכותי משפיע על צריכת מזון? מימצאים מצטברים ממחקרים אפידמיולוגיים או מניסויים בחיות, מראים כי ממתיקים מלאכותיים עלולים לעודד עליה במשקל. בשימוש במודל חולדות נראות תוצאות ראשוניות המובילות להבנה שנוצר שיבוש באפקטיביות של הקשר בין הטעם המתוק ובין הקלוריות הנספגות המלוות אותו. שיבוש כזה אינו מונע מן החולדות להשיג לעצמן את הקלוריות החסרות משומנים או מפחמימות אחרות ולא-מתוקות שבתזונה. כך, תזונה עם ממתיק מלאכותי חסר קלוריות גורמת בפועל לשיבוש החלטות ערך קלורי ומתוק ומובילה לצריכת יתר של מזון אחר מכיל קלוריות ולהשמנה (7). לעיסה מפחיתה צריכת מזון יחד עם המימצאים שהראו שמשתתפים שמנים נטו ללעוס פחות פעמים ממשתתפים רזים, הרי שגם שמנים וגם רזים, 30 משתתפים, אכלו 12% פחות קלוריות כשנתבקשו ללעוס את המזון 40 פעם לעומת 15 פעמים (8). ממצא זה נכון גם להשפעת לעיסת מסטיק חסר קלוריות שהוריד חשק לאכילת חטיפים. בניסוי שנערך באנגליה עם 53 נשים נמצאה ירידה של 10% באכילת חטיפים (מלוחים או מתוקים) אחרי שהן לעסו מסטיק לפחות רבע שעה בכל שעה מתוך 3 שעות המעקב (9).

שובע פיסיולוגי ושובע תפיסתי מטרת המחקר היתה לבחון האם תחושת השובע הפיזיולוגית, כפי שהיא נמדדת דרך הורמון העיכול גרלין, מושפעת מדעתנו על האוכל אותו אנחנו אוכלים. רמת הגרלין מוגברת כשאנחנו רעבים, כחצי שעה לפני האוכל, ורמתו יורדת אחרי האכילה. הנבחנים, 48 במספרם ובריאים, קיבלו לשתות שייק בערך קלורי של 380 קלוריות. לחציים נאמר שהם קיבלו משקה עתיר קלוריות - 620 קלוריות ואילו לחציים נאמר שהם קיבלו שייק דל קלוריות 140 קלוריות. רמות הגרלין, נמדדו בהתחלה, אחרי שעה (לפני השתייה) ואחרי 90 דקות (חצי שעה אחרי השתייה). התוצאות - דרגת השובע שתארו המשתתפים היתה בהתאמה למה שהם חשבו שהם שתו. אצל אלה אשר חשבו ששתו שייק עתיר קלוריות היתה הירידה בגרלין דרמטית ותלולה, ואילו אצל אלה שחשבו ששתו שייק דל קלוריות היתה הירידה בגרלין איטית יותר (10).

אוכלים שונה בחברה של גברים או נשים החוקרים עקבו אחרי 127 סטודנטים שאכלו במסעדת הקמפוס של אוניברסיטת אינדיאנה בזמני ארוחת צהריים וארוחת ערב, במשך עשרה ימים. בממוצע, כאשר גברים אכלו עם נשים, הגברים נטו לצרוך יותר קלוריות בהשוואה לאלו שאכלו עם גברים אחרים. לעומת זאת, נשים נטו לצרוך פחות כאשר אכלו בחברת גברים בהשוואה לכמות שאכלו בחברת נשים אחרות (11).

ניצול האנרגיה מושפע מעיתוי האכילה החוקרים בחנו את ההשפעה של זמן ארוחת הערב, שעה מוקדמת או מאוחרת, במחקר קטן שכלל 10 גברים יפנים בריאים, גיל 40. המשתתפים אכלו ארוחת צהריים וארוחת בוקר למחרת; משתתפים בקבוצת הביקורת אכלו ארוחת ערב בשעה 7:00 בערב ואלו בקבוצת המחקר אכלו ארוחת ערב בשעה 10:00 בערב. כל הארוחות היו זהות, והמשתתפים אכלו בתא מיוחד, בו נמדדה ההוצאה האנרגטית וניצול האנרגיה. בקרב אלו שאכלו ארוחת ערב מוקדמת, ממוצע ההוצאה האנרגטית במהלך 23 שעות עמד על 1885 קלוריות; בקרב אלו שאכלו ארוחת ערב מאוחרת, הממוצע עמד על 1837 קלוריות (12). חימום הבית וניצול האנרגיה מומחים הציעו הסבר נוסף לתופעת ההשמנה שהולכת ומתעצמת בשנים האחרונות: הזמן שאנו מבלים בחללים מחוממים על-ידי מערכת חימום מרכזית. לדבריהם, השהייה בחדרים המחוממים מונעת מאתנו לשרוף קלוריות בתהליך בו הגוף מחמם את עצמו (13). ייתכן כי רקמת שומן חומה (brown adipose tissue) שמסוגלת להפוך אנרגיה במהירות לחום מעורבת בתהליך. בניגוד לשומן רגיל, שאוגר אנרגיה מיותרת, שומן חום פועל כתנור פנימי שלשם פעילותו צורך אנרגיה רבה ולכן "שורף" קלוריות רבות, אבל לשם כך יש להפעילו קודם וזאת יכולות לעשות טמפרטורות קרות. אם הגוף כבר חם, אין לו צורך להפעיל את רקמות השומן החומות, ולכן אין צריכה של אנרגיה שנדרשת כדי לווסת את חום הגוף.

המשתתפים קיבלו פיסטוקים שסיפקו כ- 240 קלוריות, או בייגלה שסיפק כ- 220 קלוריות. התוצאות הראו שהנחקרים בקבוצה שקיבלה פיסטוקים כחטיף עמדו טוב יותר במטרות ההרזיה מאשר בקבוצה שקבלה בייגלה

צריכה קלורית זהה – תגובה שונה מדוע שני אנשים יכולים לצרוך את אותה תזונה מערבית עתירת שומן וקלוריות, כאשר אחד משמין והשני נותר רזה? קבוצת חוקרים מאוניברסיטאות ייל וסינסנטי מציעה תשובה לשאלה. לדבריהם המשקל מושפע מתהליכים שלפני הלידה, במוח המתפתח. לרשות הקבוצה היו חולדות עם רקע גנטי שונה, ובשל מבנה מוחן שנבדק על ידי החוקרים, הם העריכו מראש מי מהן תשמין ומי לא, לאחר שיחשפו אותן למזון עתיר קלוריות. אצל החולדות שיתפתחו להיות חולדות שמנות היה כבר מראש שוני במרכז ההזנה במוח: הנוירונים האמורים לסמן מתי אכלת מספיק ומתי ל"שרוף" את הקלוריות הם נרפים יותר, בגלל שהם מעוכבים על ידי תאים אחרים במוח. לעומתם, אצל החולדות שהן עמידות להשמנה, נוירונים אלה הרבה יותר פעילים והם מאותתים בזריזות מתי להפסיק לאכול. החוקרים מציעים כי נראה שהחיווט הבסיסי הזה של המוח הוא גורם מכריע בנטייה הגנטית של אדם להתפתחות השמנת יתר (15).

גובה גיאוגרפי וניצול קלורי ידוע כבר שבגובה מרזים. בניסוי הנוכחי רצו לבחון רק את השפעת הגובה (רמת חמצן נמוכה), ולכן הביאו לשבוע 30 משתתפים שמנים (גיל ממוצע 56, BMI ממוצע 34) ממינכן אל הר אלפי גבוה 2650 מ'. לא הגבילו את המשתתפים במזון אלא בתנועה, ועקבו אחריהם כולל חודש בביתם לאחר שחזרו מההר. הגברים שהיו על ההר רזו בשבוע כמעט 2 ק"ג וגם לאחר חודש בביתם עדיין היו רזים בכ- 1 ק"ג לעומת זמן תחילת הניסוי. במעקב נמצא כי על ההר נטו המשתתפים לאכול פחות, למרות שהיו יותר פעילים בהשוואה לפעילותם בבית. בנוסף נמצא כי על ההר היה המטבוליזם מהיר יותר למרות שהוגבלו בתנועה. כשחזרו לביתם עדיין קצב המטבוליזם היה מהיר יותר, הם שרפו יותר קלוריות ויכולת הפעילות הגופנית עלתה (מבחן 6 דקות הליכה). רמות הלפטין עלו ורמות הגרלין ירדו. נראה ששבוע על ההר "הצית" את המטבוליזם (BMR יותר גבוה) ועשה את ההתעמלות קלה יותר לאנשים (16).

היפוגליקמיה ורעב כשרמת הגלוקוז יורדת במח, מזון עתיר קלוריות נראה יותר מפתה. חוקרים מאוניברסיטת ייל בחנו את מיפוי המח כשרמות הגלוקוז ירדו והראו כי איזור ריגשי ואימפולסיבי בו מאבד את יכולתו להפחית את ההשתוקקות למזון עתיר קלוריות. הקורטקס הקדם-חזיתי במח מגיב דרמטית לריכוז הגלוקוז המגיע אליו. החוקרים שינו את רמות הגלוקוז ישירות דרך הוריד, בחנו את רמת הגלוקוז בדם והראו למשתתף תמונות של אוכל עתיר קלוריות, דל קלוריות או תמונות שאינן מזון. בכל המצבים נסרק המח ב- fMRI. כשרמת הגלוקוז ירדה, איזור ההיפותלמוס במח חש את השינוי. איזורים אחרים (Insula ו- Striatum) הקשורים עם פיצוי הופעלו, ואלה מגבירים את הרצון לאכול. קורטיזול מפעיל את האיזורים האלה בגלל הסטרס המלווה את ירידת רמת הגלוקוז. התגובה הבולטת ביותר לירידה ברמות הגלוקוז נראתה בקורטקס הקדם-חזיתי, ברמות גלוקוז נמוכות הוא מאבד מיכולתו לעצור את הסיגנלים הדחופים לאכילה שמיוצרים ב- Striatum. איבוד יכולת זאת היתה במיוחד דרמטית אצל שמנים בזמן שהתבוננו במזון עתיר קלוריות, כך שאין זה מפתיע שהם לא יכולים לעמוד בפני אכילת יתר בייחוד כשהם רעבים (17).

References: 1. Energetic consequences of thermal and nonthermal food processing. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 Nov 7. 2. Recipe Networks Reveal Human Taste Preferences. Network science is revolutionising the future of food MIT, Technology Review, Nov 18, 2011. 3. Measured energy value of pistachios in the human diet. Br J Nutr. 2011;28:1-6. 4. Pistachio nuts reduce triglycerides and body weight by comparison to refined carbohydrate snack in obese subjects on a 12-week weight loss program. J Am Coll Nutr. 2010;29:198-203. 5. Testing protein leverage in lean humans: a randomised controlled experimental study. PLoS One. 2011;6(10):e25929. 6. Metabolomics Unveils Urinary Changes in Subjects with Metabolic Syndrome following 12-Week Nut Consumption. J Proteome Res. 2011 Sep 29. 7. Intake of high-intensity sweeteners alters the ability of sweet taste to signal caloric consequences: implications for the learned control of energy and body weight regulation. Q J Exp Psychol (Hove). 2011;64:1430-41. 8. Improvement in chewing activity reduces energy intake in one meal and modulates plasma gut hormone concentrations in obese and lean young Chinese men. Am J Clin Nutr. 2011 Sep;94(3):709-16. 9. Effects of chewing gum on short-term appetite regulation in moderately restrained eaters. Appetite. 2011 Oct;57(2):475-82. 10. Mind over milkshakes: mindsets, not just nutrients, determine ghrelin response. Health Psychol. 2011 Jul;30(4):424-9; discussion 430-1. 11. Impact of Group Settings and Gender on Meals Purchased by College Students J Applied Social Psychology, 2011 Sept;41(9):2268-83. 12. Light at night increases body mass by shifting the time of food intake. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107:18664-9. 13. Could increased time spent in a thermal comfort zone contribute to population increases in obesity? Obes Rev. 2011 Jul;12(7):543-51. 14. Synaptic input organization of the melanocortin system predicts diet-induced hypothalamic reactive gliosis and obesity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010;107:14875-80. 15. Hypobaric Hypoxia Causes Body Weight Reduction in Obese Subjects Obesity (Silver Spring). 2010;18:675-81. 16. Circulating glucose levels modulate neural control of desire for high-calorie foods in humans. J Clin Invest. 2011;121:4161-69.

תיאור מקרה

ד''ר נסטור ליפובצקי, דיאטן קליני, PhD באפידמיולוגיה ורפואה מונעת.

צ' בן 54. מטופל אצלי מזה 7 חודשים. הגיעה אלי ללא תנועה בכתף ומעט תנועתיות בכלל, מאחר ושנה קודם לכן שבר את הכתף ועבר שני ניתוחים בשכמו. בשל כך הפסיק לעבוד. בעברו אוטם שריר הלב פעמים ותשעה צינטורים. בנוסף גאוט, כאבים בגב תחתון ונולד עם כליה אחת. BMI 38. הגיע מיואש ממצבו. נבדק חילוף החומרים הבסיסי (BMR) שנמצא 13% נמוך מהנורמה, שעור הפעילות (AR) נמצא גם נמוך, וכמות השומן בגופו לפי שיטת Air Displacement Plethysmography, נמצאה 49 קג' שומן (45% שומן). לאור הבדיקות הוסבר לו שהירידה בשומן תהיה איטית ותלויה מאוד ביכולתו להגביר בהדרגה את התנועתיות כדי על מנת לשפר את ההוצאה הקלורית בפעילות. החולה הפתיע אותי ביכולתו בעיקר המנטלית להתמודד עם המכשולים שאיתם הגיע לטיפול. לאחר שלושה חודשים כמות השומן בגופו ירדה ל- 37 קג' ומצב התנועתיות ומצב רוחו השתנו מקצה לקצה. לאחר חצי שנה אחוזי השומן ירדו ל- 33 קג' תוך כדי אכילה מאוזנת.

שאלות: 1. אילו היבטים פסיכולוגיים משפיעים על אדם כה ירוד ומיואש לבצע שינוי כה דרמטי ולהגיע לתוצאות בזמן קצר? האם דווקא הבדיקות שבוצעו יכולות להביא אותו לאתגר חיובי? 2. האם בעיני פסיכולוג, הגישה בה נקטתי שבה "שמתי את הקלפים על השולחן" בעזרת נתוני המכשור, עלולה להביא לתוצאות לא רצויות בניגוד למה שנמצא במקרה הנוכחי?

תשובתה של אמירה ברגר, פסיכולוגית קלינית, מדריכה מוסמכת ומטפלת בהפרעות אכילה. מרצה בכירה בביה"ס לתזונה, האוניברסיטה העברית. ראשית אתייחס למקרה הספציפי של צ'. הנ"ל הגיע עם תמונת מצב קשה, הן ברמה הפיזית והן הנפשית היכולה לרמוז על יאוש, ויתור ומצב רוח דכאוני. העובדה שניתנה לו תוכנית הרזייה, המבוססת על ידע מדעי ומדידות מדויקות וחדשניות (כולל הBMR ), הוותה עבורו גורם מוטיבציוני ראשוני מניע לקראת מתן אמון במטפל ובתוכניתו מבוססת הראיות, כך שבמקרה הזה השימוש במדידת הBMR תרם. יחד עם זאת את התרומה העיקרית לנחישות ולהתמדה של המטופל יש לזקוף ליכולת הדיאטן להחזיק בעבור צ' את התקווה ולהאמין בשבילו שאפשר להצליח. עולה השאלה האם ניתן להכליל את הנסיון המוצלח הזה על כל המטופלים? נתבונן על כך מכמה כיוונים: אופי וקשת הציפיות של המטופלים. מדוע הם רוצים לדעת את "המספר הזה"? מה יקרה אם לא תמצא התאמה בין הBMR הנמדד לזה המצופה. במחקר שבדק פער בציפיות לאחר חשיפה למדד מספרי אחר - מדד ה- BMI, נמצא שככל שהפער בין BMI אידיאלי לבין BMI קיים היה גבוה יותר - כך גם עלתה רמת אי שביעות הרצון מהגוף. האם ניתן ליישם ממחקר זה להניח כי צפויה עלייה באי שביעות הרצון מהגוף כתגובה אפשרית לפער בין הBMR המצופה לבין המציאותי (במקרים המאכזבים כמובן)? יתכן שאף ברמה עוצמתית יותר, משום שה BMR קשה לשינוי. לאור האמור לעיל, מומלץ לבדוק מהן הציפיות של הבאים להמדד,ולהעריך עד כמה יתרמו מהבדיקה. כוון התייחסות נוסף הוא אופני ההתמודדות ההגנתית של האנשים הנחשפים לנתון המספרי. ראשית יש לציין שאצל חלק מהאנשים קבלת האינפורמציה הזו יכולה לעורר ריגוש, אי נוחות ולפעמים אף חרדה ברמה מסוימת; זו חשיפה ראשונית לנתון משמעותי, בעל השפעה על משקלם, מדעי וכמעט לא בר שינוי. אם ננסה לנבא את התגובות הפסיכולוגיות להיחשפות לנתון הBMR נגלה, קרוב לוודאי, מנעד שבקצוות שלו יהיו מצד אחד אלה המתמודדים עם אי נוחות או חרדה בעזרת מנגנוני הגנה של הכחשה ( יתעלמו מהנתון, ישכחו אותו ) או אלה שיגיבו בהתנגדות השלכתית מרדנית (ימצאו את הנתונים כלא מדעיים, לא מדוייקים). במיקרים אלה המטופל לא יפנים את האינפורמציה ויתעלם ממנה, כך שהבדיקה לגביו מוקדמת מדי ויש להכינו קודם. בקצה השני של המנעד יהיו אלה שיוסיפו את נתון הBMR בקנאות ובאדיקות לנתונים המספריים ( קלוריות, משקל ) המעסיקים אותם רבות ביום יום, כחלק מהתמודדות הגנתית המתבטאת בנסיונות לשליטה עצמית וביקורת עצמית מתמדת. במקרים אלה נתון מספרי נוסף רק יגביר את אופן התנהלותם על פי חוקים ומספרים וירחיק אותם מההקשבה הפנימית לגוף. שלא לדבר על מיקרים קיצונים פתולוגיים יותר, בהם הנתון יתווסף באופן אובססיבי וטורדני לשקילה ולספירה המתמדת, כשהפעם יש בידיהם גם את נתון הBMR המאפשר חישוב מדויק יותר ויתרום להגברת האובססיביות. במקרים אלה קיים חשש של גרימת נזק ובהחלט לא מומלץ לאפשר את הבדיקה. באשר לרוב המטופלים, אלה הממוקמים באמצע המנעד, מדידת הBMR יכולה לתרום מדד משמעותי שיאפשר תכנון ראלי יותר של שינוי הרגלי האכילה. אדם הפעיל גופנית, המגלה נכונות אוטנטית וקונקרטית לשינויים בהתנהגות האכילה, יצא נישכר מהתוודעותו למדד הBMR . ועד כמה אם תתוסף אליה מדידת הוצאת הקלוריות בפעילות גופנית (כפי שנעשה במקרה של צ'), כמדידה המנבאת פוטנציאל לשינוי ומאפשרת תקווה ותוצאות. מאידך, במידה והדיאטן מתרשם מאדם שמגיע למדידה עם ציפיות לא ריאליות לגבי המספר או לגבי התרומה המכוננת שתהיה לו, או שהוא מגלה רמת התרגשות ואקסיטציה מוגזמים לקראת הבדיקה – יש לעכב את העברת הבדיקה ולעבוד אתו קודם על התבוננות ראלית יותר לגבי המשמעות של המספר הזה עבורו. החשוב ביותר הוא לא לבודד את מדידת ה BMR. מדידת הBMR חייבת להיות כחלק מטיפול, שבמהלכו אפשר יהיה להעריך מתי ואם המטופל בשל למדידה, הן מבחינת היכולת שלו להיתרם (המשמעות שנותן לממצאים, רמת המוטיבציה שלו לשינוי, תחושת המסוגלות העצמית לשינוי גם אם התוצאות נמוכות) והן מבחינת אופי הקשר הטיפולי שנוצר (רמת המחויבות לטיפול, רמת האמון והביטחון בדיאטן ). סביר להניח שבתוך קשר טיפולי טוב, בו המטופל תופס את המטפל כקשוב, אמפטי ובעיקר לא שיפוטי, הצגת ה"קלפים על השולחן " בעזרת נתוני הBMR , בין השאר, ( כפי שקרה עם צ') יכולה להביא למינוף הטיפול והישגיו.

מפגש מקצועי - מכון תנובה למחקר

מפגש מקצועי של מכון תנובה למחקר התקיים בנושא שיטות התנהגותיות להרזיה ולשינוי הרגלי אכילה – נושא בו עסק גליון מס' 34 של המגזין

התקיימו 3 הרצאות: אימון לשינוי הרגלי אכילה – על קצה המזלג שולי גרניט, מנחת קבוצות ומאמנת אישית, מפתחת שיטת "גרניט" ההרצאה התמקדה בנקודות הבאות: • מדוע דיאטות אינן התרופה להפחתת משקל. • כיצד פורצים את המעגל הסגור של אכילה בלתי מבוקרת >רגשות אשמה >פיצוי על ידי אכילה וחוזר חלילה. • הרציונל של שינוי בחשיבה-איך עושים זאת. • איתור פרדיגמות מכשילות ובניית פרדיגמות מקדמות. • הצבת מטרות ומתן כלים מתחום האימון להשגת המטרות. • המהות והייחוד של גישת האימון והשוני בין גישה זו לבין גישות אחרות.

NLP - סרטים בראש; כיצד הם משפיעים על הנטייה שלנו לאכול? מיקי ברקל, מאמן בכיר MCIL ומורה מוסמך ל NLP, מייסד בית הספר "NLP לשם שינוי" ומנכ"ל "NLP לעסקים" לכולנו יש סרטים בראש! הם משפיעים על ההרגשות והתחושות שלנו ומשם על ההתנהגויות שלנו. החשק שלנו לאכול נוצר מתוך הסרטים האוטומטים והלא מודעים הללו. ב NLP אנו לומדים כיצד להציף את הסרטים הללו אל ההכרה, ולערוך בהם שינויים על מנת שההשפעה שלהם על הרגשות והתחושות שלנו תשתנה ועל ידי כך לשנות את ההתנהגויות האוטומטיות שלנו: • מודל התקשורת על פי ה NLP וכיצד אנו יוצרים לעצמנו את התפיסה. • האופן שבו המבנה של הסרטים שבתוך הראש משפיעים על ההרגשה המיידית. • כיצד ניתן לעשות בהם שינוי על מנת לשנות את התגובה האוטומטית שלנו לאכול וליצור תגובות אוטומטיות חדשות. אכילה ומשקל- קבלה ומחויבות ד"ר דני חמיאל, פסיכולוג קליני ורפואי, המרכז לברה"ן ע"ש בריל ת"א, שרותי בריאות כללית בגישה קוגניטיבית התנהגותית האכילה הינה לקויה לרוב בגלל מעורבות של עמדות ורגשות חזקים ותפיסות חברתיות מכשילות. בהרצאה נבדוק את האפשרות לשנות עמדות אלו ברוח התפיסות הקוגניטיביות התנהגותיות העכשוויות. בגישות אלו הביקורת העצמית, השיפוטיות וההשוואתיות הקשורים באכילה נתפסים כגורמים העיקרים לאכילה לקויה. נרחיב בתאור שלושה כיווני התערבות אפשריים שבבסיסן רעיון משותף של ויתור על קיצוניות, קבלה ולקיחת אחריות להתמודדות עם ביקורת זו. נציג התערבות המכוונת לאיזון מחשבות מכשילות, התערבות מטא-קוגניטיבית שמכוונת לזיהוי הסיבות לביקורתיות ואתגורן והתערבות מסוג מיינדפולנס המכוונת אף היא לביטול הביקורתיות ולקבלה עצמית. התערבויות אלו הן חלק מגישה אינטגרטיבית אחת שמאפשרת מעבר ללקיחת אחריות ולאכילה טבעית יותר ונקיה יותר מעומס רגשי. בהרצאה יוצגו מספר טכניקות מתוך התערבויות אלו.