Weight loss due to reduced caloric intake
The most common example of weight loss is reduction of caloric intake. At the risk of oversimplification, if our subject ingests fewer than 2.5 moles of glucose and produces, for example, only 90 moles of ATP from food, then homeostasis would require enlisting endogenous body stores for further oxidation. This oxidation would then provide the additional 5 moles of ATP required. Oxidation of body stores (lipid or lean body mass) will result in production of additional carbon dioxide, urea, water and heat. The excretion of these products will result in weight loss. (Figure 1C).
Weight loss due to increased metabolic inefficiency
The implication of the first and second laws of thermodynamics is that reduced efficiency has precisely the same result as reduced caloric intake. One conceptually simple means of reducing efficiency involves the process of uncoupling in mitochondria. ATP is produced in a variety of cellular locations. Glycolysis produces a net of two ATP's per molecule of glucose, in the cell cytoplasm. On the other hand, we recall that 36 additional molecules of ATP are produced from glucose as a result of the mitochondrial TCA cycle and electron transport. A critical part of the process involves the development of a hydrogen ion gradient across the mitochondrial membrane. This concentration gradient provides the energy that is converted into ATP as hydrogen ions pass down the gradient through the ATP synthase particle, entirely analogous to the energy in a high-pressure gas in a cylinder with a movable piston. (The expansion of the gas is like diffusion down a gradient: It does work against the piston). In the mitochondrion the energy of moving down the gradient is captured in ATP, the medium of exchange for the performance of work within cells. This capture of energy, referred to as coupling the energy to the formation of ATP, is the essential process permitting work to be done by living systems.
There are known endogenous and pharmacologic agents, which result in uncoupling the formation of ATP from the dissipation of the gradient. Uncouplers such as 2, 4-dinitrophenol bypass ATP synthase and cause hydrogen ion gradient dissipation without ATP formation that can result in organ dysfunction causing death. More modest degrees of uncoupling may be caused by the class of endogenous compounds we know as uncoupling proteins (UCP's). Three different isoforms, UCP1, UCP2 and UCP3 have been identified thus far in mammalian tissues. While the overall and relative physiologic importance of these proteins remains incompletely understood in human tissues, UCP1 has been shown in mice [8] to result in modest degrees of uncoupling in brown fat. Elevation of fatty acid concentration has been associated with induction of UCP3 and even with pathologic reductions of myocardial efficiency in rat heart [9]. For purposes of illustration, then, we may consider that there may be physiologic triggers that result in oxidative uncoupling, reducing the overall efficiency of glucose metabolism. For example if efficiency is reduced from 40% to 35%, the result will be the production of only 34 moles of ATP instead of the usual 38. While this represents a mechanism better demonstrated in rats than humans, our subject would require more glucose to make 95 moles of ATP. Now 2.9 moles of glucose would be required to produce 95 moles ATP. Our subject would either eat more and stay at the same weight (Figure 1D) or would eat 2.5 moles of glucose, the same amount as previously, but would produce less ATP. By eating only 2.5 moles of glucose our subject's metabolism would enlist oxidation of body stores to make up the additional ATP needed for homeostasis. This would result in weight loss exactly as it did for reduced caloric intake. (Figure 1D).
The essence of the second law of thermodynamics is that it guarantees inefficiency in all metabolic processes. However, variation of efficiency is not excluded. In fact, the laws of thermodynamics are silent on the existence of variable efficiency. If efficiency can vary (as in the example of oxidative uncoupling) then "a calorie is a calorie" is no longer a true statement. The role of uncoupling proteins in humans, as indicated, is as yet incompletely defined [10]. However, thermodynamic principles permit variable efficiency, and its existence must be determined empirically.
Metabolic advantage: how could it happen?
It is possible that metabolic efficiency may be decreased by oxidative uncoupling as described above. Polymorphisms connecting uncoupling proteins with obesity or propensity to gain weight have been identified in humans [11,12] although these are not firmly established and the effect of dietary intervention is unknown. Other mechanisms are better understood and are described below.
Substrate cycling and protein turnover
Substrate or "futile" cycles refer to the dynamic process that must accompany the thermodynamic steady state [13]. In particular, increased cycling of metabolic intermediates utilizes ATP and generates heat. The simplest examples are the numerous kinase-phosphatase pairs that regulate metabolism. In addition, although not generally considered in the category of substrate cycling, inefficiency results from the repeated breakdown and re-synthesis of proteins, lipids, and carbohydrates in cycles that use ATP for no apparent net gain. Such mechanisms, however, far from futile, allow for precision in the regulation of metabolism and constitute one of the uses of ATP. Protein turnover, in particular, provides for error correction or removal of "old" or damaged proteins. The effect of metabolic path on the energetics of oxidation is illustrated in Table 1 which summarizes the analysis from our earlier paper [2]. In this example, a mole of glucose directly oxidized to CO2 and water generates 38 moles of ATP with an overall efficiency of about 38.5%. On the other hand, if glucose is first incorporated into glycogen, followed by hydrolysis of the glucose and subsequent oxidation, 2 moles of ATP are lost per mole in this cycle with overall efficiency reduced to 35%. Similarly an amino acid from an "average" protein, when directly oxidized to CO2, produces ATP with an efficiency of about 33%. If the amino acid is first incorporated into a protein and later hydrolyzed and oxidized, four ATP's per molecule are used for synthesis of the peptide bond. This reduces the efficiency to 27%. Smaller degrees of inefficiency are seen for lipid cycles (Table 1) but multiple cycles may have a cumulative effect. It is estimated, for example, that half of depot fatty acids in triacylglycerol have been through at least one cycle [14]. It should be apparent that variation in efficiency is not a thermodynamic issue but an empiric question to be determined by the requirements of metabolism.
การสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากบริโภคลดแคลอริกตัวอย่างทั่วไปของการลดน้ำหนักคือ ลดการบริโภคแคลอริก เสี่ยงต่อ oversimplification ถ้าเรื่องของเรา ingests น้อยกว่า 2.5 โมลของกลูโคสและผลิต เช่น โมล 90 เท่าของ ATP จากอาหาร แล้วภาวะธำรงดุลต้องไทยร่างกาย endogenous เก็บการเกิดออกซิเดชันเพิ่มเติม ออกซิเดชันนี้แล้วจะให้ไฝ 5 เพิ่มเติมของ ATP ที่จำเป็น ออกซิเดชันของร้านร่างกาย (ไขมันหรือเนื้อแบบ lean โดยรวม) จะมีผลผลิตเพิ่มเติมคาร์บอนไดออกไซด์ ยูเรีย น้ำ และความร้อน การขับถ่ายของผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะส่งผลในการลดน้ำหนัก (รูปที่ 1C)การสูญเสียน้ำหนักเนื่องจาก inefficiency เผาผลาญเพิ่มขึ้นเนื่องจากกฎหมาย และสองของอุณหพลศาสตร์ได้ว่า ประสิทธิภาพลดลงได้อย่างแม่นยำผลลัพธ์เดียวกันบริโภคลดแคลอริก หมายความว่าทางแนวคิดอย่างหนึ่งลดประสิทธิภาพเกี่ยวข้องกับกระบวนการ uncoupling ใน mitochondria มีผลิต ATP ในหลากหลายสถานที่โทรศัพท์มือถือ Glycolysis สร้างสุทธิ 2 ATP ของต่อโมเลกุลของน้ำตาลกลูโคส ในไซโทพลาซึมเซลล์ บนมืออื่น ๆ เรานึกว่า โมเลกุล 36 เพิ่มเติมของ ATP ที่ผลิตจากน้ำตาลกลูโคสจากวัฏจักร TCA mitochondrial และขนส่งอิเล็กตรอน ส่วนสำคัญของกระบวนการเกี่ยวข้องกับการพัฒนาของการไล่ระดับของไฮโดรเจนไอออนผ่านเยื่อ mitochondrial การไล่ระดับความเข้มข้นนี้ให้พลังงานที่จะถูกแปลงเป็น ATP เป็นประจุไฮโดรเจนผ่านลงไล่ระดับผ่านการ ATP synthase อนุภาค ทั้งคู่เป็นพลังงานในก๊าซแรงดันสูงในทรงกระบอกกับลูกสูบสามารถเคลื่อนย้าย (เป็นการขยายตัวของก๊าซเช่นการแพร่ลงไล่: มันทำงานต่อนอก) Mitochondrion ที่จับพลังงานย้ายลงระดับสีใน ATP แลกเงินกลางสำหรับประสิทธิภาพของงานที่ภายในเซลล์ พลังงาน เรียกว่า coupling พลังงานการก่อตัวของ ATP จับนี้เป็นกระบวนการสำคัญที่อนุญาตให้ทำงานโดยระบบชีวิตมีทราบว่า endogenous และ pharmacologic ตัวแทน ซึ่งทำ uncoupling การก่อตัวของ ATP จากการกระจายของระดับสี Uncouplers เช่น 2, 4-dinitrophenol ข้าม ATP synthase และสาเหตุไฮโดรเจนไอออนไล่ระดับกระจาย โดยไม่มีการก่อตัวของ ATP ที่อาจส่งผลให้อวัยวะล้มเหลวทำให้เกิดการตาย องศาเจียมเนื้อเจียมตัวมากขึ้นของ uncoupling อาจเกิดจากชั้นของ endogenous สารประกอบที่เรารู้เป็น uncoupling โปรตีน (UCP ของ) สาม isoforms ต่าง ๆ UCP1, UCP2 และ UCP3 ได้รับการระบุฉะนี้ใน mammalian เนื้อเยื่อ ในขณะที่ความสำคัญ physiologic รวม และญาติของโปรตีนเหล่านี้ยังคงสมบูรณ์เข้าใจในเนื้อเยื่อมนุษย์ ได้รับการแสดง UCP1 ในหนู [8] ทั้งองศาเจียมเนื้อเจียมตัวของ uncoupling สีน้ำตาลไขมัน ยกระดับความเข้มข้นของกรดไขมันมีการเชื่อมโยง กับการเหนี่ยวนำของ UCP3 และแม้แต่ลด pathologic myocardial ประสิทธิภาพในหัวใจ [9] สำหรับวัตถุประสงค์ของภาพ แล้ว เราอาจพิจารณาว่า อาจมีทริกเกอร์ physiologic ที่เกิด oxidative uncoupling ลดกระชับสัดส่วนประสิทธิภาพโดยรวม ตัวอย่างถ้ามีประสิทธิภาพจะลดลงจาก 40% เป็น 35% ผลจะผลิต ATP ไฝเพียง 34 แทน 38 ปกติ ขณะนี้แสดงถึงกลไกแสดงในหนูดี กว่ามนุษย์ เรื่องของเราจะต้องมีการเพิ่มเติมกลูโคสทำโมล 95 ของ ATP ตอนนี้ 2.9 โมลของกลูโคสจะต้องผลิต 95 ไฝ ATP เรื่องของเราจะได้กินมากขึ้น และพักน้ำหนักเดียวกัน (รูปที่ 1D) หรือจะกิน 2.5 โมลของกลูโคส ยอดเดียวกันเป็นก่อนหน้านี้ แต่จะผลิต ATP น้อย โดยกินเฉพาะ 2.5 โมลของกลูโคส การเผาผลาญของเราเรื่องจะสมัครออกซิเดชันของร้านร่างกายจะสร้าง ATP เพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับภาวะธำรงดุล นี้จะส่งผลในการลดน้ำหนักเหมือนการบริโภคลดลงแคลอริก (รูปที่ 1D)สาระสำคัญของกฎหมายที่สองของอุณหพลศาสตร์เป็นว่า รับประกัน inefficiency ในกระบวนการเผาผลาญทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ความแปรปรวนของประสิทธิภาพจะไม่ถูกแยกออก ในความเป็นจริง กฎของอุณหพลศาสตร์จะเงียบในการดำรงอยู่ของตัวแปรประสิทธิภาพ ถ้าประสิทธิภาพอาจแตกต่างกัน (ดังตัวอย่างของ oxidative uncoupling) แล้ว "แคลอรี่มีแคลอรี่" คือไม่ คำจริง บทบาทของโปรตีน uncoupling ในมนุษย์ ระบุ เป็นที่ยังสมบูรณ์กำหนด [10] อย่างไรก็ตาม หลักการทางอุณหพลศาสตร์อนุญาตให้ตัวแปรประสิทธิภาพ และต้องกำหนดคุ้น empiricallyประโยชน์จากการเผาผลาญ: วิธีอาจจะเกิดขึ้นมันเป็นไปได้ว่า ประสิทธิภาพในการเผาผลาญอาจลดลงได้ โดย oxidative uncoupling ที่อธิบายข้างต้น มีการระบุ polymorphisms เชื่อมต่อ uncoupling โปรตีนกับโรคอ้วนหรือน้ำหนักลดสิ่งในมนุษย์ [11,12] ถึงแม้ว่าเหล่านี้ไม่แน่นหนา และมีผลของการแทรกแซงกากไม่รู้จัก กลไกอื่น ๆ ดีกว่าเข้าใจ และอธิบายไว้ด้านล่างหมุนเวียนขี่จักรยานและโปรตีนของพื้นผิวSubstrate or "futile" cycles refer to the dynamic process that must accompany the thermodynamic steady state [13]. In particular, increased cycling of metabolic intermediates utilizes ATP and generates heat. The simplest examples are the numerous kinase-phosphatase pairs that regulate metabolism. In addition, although not generally considered in the category of substrate cycling, inefficiency results from the repeated breakdown and re-synthesis of proteins, lipids, and carbohydrates in cycles that use ATP for no apparent net gain. Such mechanisms, however, far from futile, allow for precision in the regulation of metabolism and constitute one of the uses of ATP. Protein turnover, in particular, provides for error correction or removal of "old" or damaged proteins. The effect of metabolic path on the energetics of oxidation is illustrated in Table 1 which summarizes the analysis from our earlier paper [2]. In this example, a mole of glucose directly oxidized to CO2 and water generates 38 moles of ATP with an overall efficiency of about 38.5%. On the other hand, if glucose is first incorporated into glycogen, followed by hydrolysis of the glucose and subsequent oxidation, 2 moles of ATP are lost per mole in this cycle with overall efficiency reduced to 35%. Similarly an amino acid from an "average" protein, when directly oxidized to CO2, produces ATP with an efficiency of about 33%. If the amino acid is first incorporated into a protein and later hydrolyzed and oxidized, four ATP's per molecule are used for synthesis of the peptide bond. This reduces the efficiency to 27%. Smaller degrees of inefficiency are seen for lipid cycles (Table 1) but multiple cycles may have a cumulative effect. It is estimated, for example, that half of depot fatty acids in triacylglycerol have been through at least one cycle [14]. It should be apparent that variation in efficiency is not a thermodynamic issue but an empiric question to be determined by the requirements of metabolism.
การแปล กรุณารอสักครู่..