Часть II. Глава 7. Теории регуляции потребления пищи

Одним из фундаментальных свойств организмов является их способность возмещать потерю расходуемых веществ и поддерживать определенный уровень пластических и энергетических материалов. Это достигается с помощью специального механизма, контролирующего потребление пищи, который все еще остается во многих отношениях загадочным. Благодаря этому механизму обеспечивается соответствие поступающих веществ и веществ, расходуемых на процессы жизнедеятельности, включая основной обмен, рост, размножение, внешнюю работу и т. д. Такое равновесие между поступлением и расходом веществ  – непременное условие длительного существования организмов.

Мысль об автоматическом управлении потреблением пищи пищевым центром мозга была, по-видимому, впервые высказана И. П. Павловым в 1911 году. В настоящее время вопрос о механизмах регуляции потребления пищи стал привлекать пристальное внимание физиологов, биохимиков и клиницистов. В особенности детально исследуются структура и функции пищевого центра, который охватывает многие структуры центральной нервной системы и контролирует как поведенческие, так и вегетативные процессы, связанные с потреблением и усвоением пищи.

Весьма совершенная регуляция потребления пищи характерна не только для высших форм жизни, но и для примитивных организмов, например кишечнополостных. Более того, даже применительно к простейшим можно, по-видимому, говорить о регуляции потребления пищи и ее выбора, о насыщении и аппетите, о соответствии потребляемой пищи потребностям в ней и т. д. В первом приближении можно считать, что избыток какого-либо вещества приводит к торможению аппетита к данному веществу, а недостаток его в организме вызывает усиленное потребление. Все эти вопросы рассмотрены в фундаментальных обзорах, посвященных регуляции выбора и потребления пищи, а также взаимоотношениям этих процессов с обменом веществ.

7.1. Регуляция аппетита

Это обусловливает пластичность и нестандартность управления процессами питания (Уголев, Кассиль, 1961. С. 364).

Как отмечено выше, регуляция аппетита у высших организмов, включая человека, связывается с деятельностью сложноорганизованного и расположенного на многих уровнях центральной нервной системы пищевого центра. Пищевой центр – это не очень определенное понятие о системе структур, локализованных в головном мозге и обеспечивающих различные стороны регуляции пищевой деятельности. В инициации пищевой активности, ее торможении и регуляции пищевого мотивированного поведения важная роль отводится латеральной области и вентромедиальным ядрам гипоталамуса. Это доказывается тем, что разрушение определенных его участков приводит к тяжелым нарушениям питания у экспериментальных животных.

В настоящее время принято, что при всех обстоятельствах гипоталамус является одним из основных звеньев, участвующих в формировании пищевой мотивации. При этом на состояния голода и сытости оказывают влияние так называемые центральные и периферические пептиды, эндогенные факторы, продукты обмена и т. д. Кроме того, продемонстрировано, что пищевое поведение может определяться структурнофункциональным состоянием всех отделов головного мозга, в том числе бледного шара, красного ядра, покрышки среднего мозга, черной субстанции, височной и лобных долей, таламуса, гиппокампа, неокортекса и ряда других. Обширная литература, касающаяся этой проблемы, а также морфофункциональных характеристик пищевого центра, представлена в капитальных обзорах: Замбржицкий, 1989; Кассиль, 1990.

Однако гипоталамические центры являются лишь частью структур, связанных с регуляцией пищевого поведения. Имеется много данных, что и другие подкорковые структуры, в частности бледное ядро, стриопаллидарная система и другие, также принимают участие в регуляции аппетита. Значительную роль в организации пищевых реакций играет лимбическая система. Наконец, огромная роль в формировании пищевого поведения принадлежит коре больших полушарий.

В настоящее время установлено, что в регуляции аппетита большое значение имеют периферические и центральные рецепторы, а также специфические и неспецифические гормональные сигналы.

Потребление пищи, ее переработка и всасывание в пищеварительном канале, депонирование и расход трансформируются в разнообразные потоки информации, которые в конечном итоге определяют повышение или понижение (вплоть до прекращения) пищевой активности.

Аминоацидстатическая теория

Теория, получившая большую популярность, связывает регуляцию аппетита с изменением уровня аминокислот в крови. Действительно, ряд аминокислот могут вызывать понижение аппетита и, следовательно, служить физиологическим сигналом сытости. В настоящее время эта теория приобретает дополнительные аргументы, так как показано, что некоторые аминокислоты являются медиаторами или модуляторами в нервной передаче. Такое сочетание создает исключительные условия для функционирования глутамина, аланина, глицина и некоторых других аминокислот в качестве точечных и гибких регуляторов. При этом их уровень в крови может отражать как условия питания, так и функциональное состояние организма.

Глюкостатическая теория

Эта теория регуляции аппетита отводит важную роль уровню глюкозы в крови и его гомеостатированию. В сущности, выдвинуто несколько глюкостатических теорий. Первая из них связывает торможение пищевой активности с повышением концентрации глюкозы в крови, обычно имеющим место при всасывании пищи, а пищевое возбуждение – с ее снижением. Однако эта относительно простая теория не получила широкого распространения, так как многие факты противоречили ей. Тем не менее показано, что в центральной нервной системе, особенно в области гипоталамуса, есть специализированные клетки, обладающие высокой чувствительностью к глюкозе, разрушение которых с помощью токсических аналогов глюкозы приводит к развитию гиперфагии. Согласно некоторым точкам зрения, для регуляции аппетита чрезвычайно важен не абсолютный уровень глюкозы в крови, а ее артериовенозная разница, возрастающая при сытости и падающая до отрицательных значений при голодании. Наличие специализированных глюкорецепторов, связанных с регуляцией аппетита, является аргументом в пользу глюкостатической теории, так же как и ряд фактов, свидетельствующих о том, что в центральной нервной системе имеются нейроны, отвечающие на локальную гипергликемию. Влияние на аппетит глюкозы и аминокислот может реализоваться через некоторые общие звенья метаболизма (см. метаболическую теорию регуляции аппетита).

Липостатическая теория

Весьма привлекательна липостатическая теория, связывающая появление аппетита с переходом от питания экзогенными нутриентами к мобилизации жировых депо. Эта теория говорит, что пищевая деятельность активируется автоматически в момент перехода от экзотрофии к эндотрофии. Однако остается не вполне ясной природа сигналов, возбуждающих голод. Возможно, в этом процессе определенную роль играет выделение гормонов, обеспечивающих мобилизацию жировых депо.

Дегидратационная теория

Дегидратационная теория объясняет чувство насыщения физиологическим обезвоживанием крови. Такое обезвоживание происходит при интенсивном пищеварении в связи с переходом части жидкости в виде секретов из крови в желудочно-кишечный тракт. По всей вероятности, такой механизм имеет определенное значение в качестве одного из компонентов сытости.

Однако с позиций этой теории трудно объяснить происхождение голода, который мог бы возникать при питье воды в результате увеличения объема циркулирующей жидкости, чего в действительности никогда не происходит. Физиологическое обезвоживание крови, по-видимому, может иметь большее отношение к регуляции потребления воды, то есть к возникновению чувства жажды, чем к регуляции голода.

 

Термостатическая теория

Особое место занимает теория, связывающая прекращение еды с локальным повышением температуры тела, в частности гипоталамической области, где представлены центры голода и сытости. Согласно этой теории, животные едят для того, чтобы не остывать, и прекращают еду, чтобы не перегреваться (Strominger, Brobeck, 1953). Предполагается, что эффект насыщения тем выше, чем больше специфическое динамическое действие (СДД) пищи. Причем чем сильнее повышается температура, тем сильнее тормозится аппетит. Эта точка зрения получила ряд экспериментальных подтверждений. Вместе с тем она подверглась справедливой критике, так как не могла объяснить многих особенностей регуляции аппетита.

Метаболическая теория

Крупным недостатком всех перечисленных теорий является то, что регуляция потребления пищи связывается с обменом одной из групп пищевых веществ – белков, углеводов, жиров, с обменом воды и т. д. В конце концов становится все более очевидным, что все виды обмена веществ имеют отношение к регуляция аппетита. В связи с этим нами была выдвинута так называемая метаболическая теория, согласно которой регуляция аппетита связана с энергетически наиболее значимыми и в то же время общими конечными звеньями метаболизма всех пищевых веществ – циклом Кребса. Эта теория была предложена нами еще в 50-х годах и затем развита совместно с В. Н. Черниговским и В. Г. Кассилем в течение 60–70-х годов (Уголев, 1962; Кассиль и др., 1970; Уголев, Кассиль, 1972; обзор: Уголев, 1978). Впоследствии эта теория получила новые доказательства и подтверждение (Booth, 1974).

В основе метаболической теории лежит предположение, что регуляция потребления пищи должна быть связана прежде всего с освобождением основной части энергии, поступающей в организм с пищей. Как известно, окисление пищевых веществ (жиров, белков, углеводов) завершается циклом Кребса с освобождением до 70 % заключенной в пище энергии. В конечном счете деятельность пищевого центра должна быть связана с оценкой заключенной в пище энергии, что согласуется с данными о гипоталамусе как «счетчике калорий». Если так, то можно думать, что метаболиты цикла Кребса имеют первостепенное значение для регуляции потребления пищи. Экспериментальная проверка показала, что такое предположение правильно. Введение голодным крысам натриевой соли лимонной кислоты – метаболита одной из первых стадий цикла Кребса – приводит к более глубокому торможению аппетита, чем введение глюкозы. Особенно важно, что насыщение, вызываемое цитратом, наступает значительно быстрее, чем после введения глюкозы. Очевидно, влияние глюкозы на пищевой центр опосредуется через метаболиты цикла Кребса.

Следует иметь в виду, что метаболическая теория регуляции аппетита не отрицает ни одну из упомянутых выше теорий. Напротив, она позволяет понять глубокую связь различных типов обмена веществ с регуляцией аппетита и варьирование у животных разных видов то одних, то других типов сигналов голода и насыщения.

Специализированные аппетиты

Значительные успехи в области физиологии специализированных аппетитов были сделаны благодаря разработке метода активного выбора пищи. Этот метод наиболее полно был использован и усовершенствован начиная с работ П. Янга (Young, 1941) и К. Рихтера (Richter, 1956, 1957). Было установлено, что крысы, получившие возможность свободного выбора отдельных пищевых компонентов, растут и развиваются лучше, чем животные на стандартной диете, составленной в соответствии с теоретически рассчитанной физиологической нормой. Близкие данные были получены и в педиатрической клинике. Оказалось, что дети, получившие возможность после прекращения молочного вскармливания свободно выбирать пищу, хорошо росли и развивались.

7.2. Аппетит и кишечная гормональная система

В течение последних десятилетий получено много данных о важной роли кишечных гормонов в регуляции потребления пищи. Кроме того, в течение последней четверти века представления о регуляции аппетита изменились в связи с открытием специализированных гормональных влияний на потребление пищи.

Арэнтерин

В 1960 году нами (Уголев, 1960б) было продемонстрировано, что экстракты двенадцатиперстной кишки, но не желудка, печени, мышц и селезенки, вызывают специфическое торможение аппетита. После введения экстракта двенадцатиперстной кишки поведение голодных крыс напоминало поведение сытых животных. Снижение потребления пищи наблюдалось после введения таких экстрактов как сытым, так и голодным животным. На основании этих данных можно допустить, что существует кишечный гормон или фактор, осуществляющий торможение аппетита, то есть торможение той важнейшей реакции, которая характеризует изменение поведения человека и животных после удовлетворения пищевых потребностей. В 1962 году (Уголев, 1962) были получены сведения, которые позволили предположить, что такой фактор, скорее всего, является пептидом. Наличие дуоденального фактора, вызывающего сытость, который был назван нами арэнтерином (аппетитрегулирующим, энтерином, то есть кишечным гормоном), так же как и его пептидная природа получили подтверждение во многих работах. Все же следует отметить, что до сих пор арэнтерин в чистом виде не получен.

Попытки охарактеризовать арэнтерин были предприняты группой чл.-корр. АН СССР А. С. Хохлова в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР и в нашей лаборатории. В середине 1970-х годов обеими группами было продемонстрировано, что арэнтерин – это белок с молекулярной массой около 100  000 (обзоры: Уголев, 1978, 1985).

Другие кишечные гормоны

В 1970-х годах было обнаружено, что многие известные гормоны желудочно-кишечного тракта, в частности гастрин и секретин, не оказывают влияния на аппетит. В отличие от них холецистокинин вызывает сильное торможение пищевой активности. Первым, по-видимому, продемонстрировал специфическое влияние холецистокинина на потребление пищи X. Купманс с сотрудниками (Koopmans et al., 1972). В цикле исследований группы Дж. Смита (Smith et al., 1974) на крысах было показано, что холецистокинин может вызывать торможение аппетита. Авторы, однако, оценивали этот эффект скорее как фармакологический, чем физиологический. У обезьян также обнаружено торможение потребления пищи после введения холецистокинина. У человека потребление пищи зависит от дозы введенного холецистокинина и от способа его введения. Так, внутривенное введение гормона в дозе 0,5 ед / кг приводит к торможению аппетита, а постепенное внутривенное введение в дозе 1 ед / кг, напротив, вызывает его стимуляцию (Sturdevant, Goetze, 1976).

Следует отметить, что влияние на аппетит холецистокинина, глюкагона, энтерогастрона и других гормонов, по-видимому, является важной, но скорее дополнительной (а не основной) функцией. По крайней мере в некоторых случаях можно думать об их фармакологическом, а не физиологическом действии. Эти же факты давали возможность предполагать, что среди кишечных гормонов, возможно, существуют такие, которые обладают преимущественно нейротропным действием, и их аппетиттормозящие эффекты будут выражены более отчетливо, чем у известных гормонов. Действительно, нами было продемонстрировано, что арэнтерин влияет на потребление пищевых веществ более эффективно, чем холецистокинин и секретин. В частности, при внутрибрюшинном введении препарата арэнтерина в дозе 0,1 мг на 100 г массы тела крысы наблюдается резкое торможение потребления раствора глюкозы. После введения заведомо большей дозы секретина (0,5 мг на 100 г массы тела) торможения аппетита не происходит. Введение холецистокинина также в дозе 0,5 мг на 100 г массы тела вызывает сравнительно слабый и кратковременный эффект (Уголев, 1978).

Итак, эндокринные клетки тонкой кишки, по-видимому, продуцируют более чем один фактор, способный понижать пищевую возбудимость. В одних случаях некоторые из этих факторов – хорошо известные гормоны, проявляющие новые стороны физиологической (или фармакологической) активности, в других случаях это «новые» гормоны.

В регуляции аппетита опосредованно участвуют секретин, который стимулирует секрецию жидкой части поджелудочного сока, и гастрин, который вызывает значительную по объему секрецию желудочного сока. Кроме того, растяжение желудка, ацидификация желудка и верхних отделов двенадцатиперстной кишки являются также источником нервных сигналов, передаваемых главным образом по блуждающим нервам.

Особого рассмотрения заслуживает роль кишечной гормональной системы в потреблении пищи в связи с термостатической теорией регуляции аппетита.

Совершенная регуляция потребления пищи включает в себя два типа регуляторов, различающихся по своим временным характеристикам: быстродействующие (кратковременные) и длительнодействующие (долговременные). Как правило, регуляция первого типа обеспечивает срочные, но не вполне точные реакции, тогда как медленные регуляции обеспечивают точное соответствие между потребностью в калориях и их поглощением.

Таким образом, если существует несколько типов кишечных гормонов, влияющих на аппетит (а их должно быть несколько, в том числе арэнтерин и холецистокинин), то с их помощью реализуются как более быстрые, так и более медленные типы регуляции аппетита, или потребления пищи.

До сих пор мы рассматривали влияние кишечной гормональной системы на пищевой центр, сузив эту проблему до регуляции потребления пищевых веществ. В действительности речь идет о том, что кишечная гормональная система путем изменения мотиваций участвует в переключении целенаправленного поведения, характерного для голодного животного, на поведение, свойственное сытому животному. Поэтому можно думать, что чем дальше будет развиваться эта проблема, тем больше места в ней будет занимать область нейротропных и психотропных влияний кишечной гормональной системы.

Как отмечено выше, Н. Дафни и Е. Джекобсон (Dafny, Jacobson, 1975) показали, что гормоны желудочно-кишечного тракта, продуцируемые при потреблении пищи, индуцируют насыщение посредством изменения электрической активности центральной нервной системы. По мнению авторов, центр аппетита взаимодействует с вышележащими центрами, которые могут влиять на тонус сосудов, моторику пищеварительного аппарата и секреторную активность. Предполагается, что холецистокинин может действовать как модулятор одного из известных химических мессенджеров. Вместе с тем эти данные подтверждают высказанную нами мысль, что эффекты гормонов желудочно-кишечного тракта должны охватывать в конце концов более значительную сферу реакций, чем только контроль над пищеварительными процессами.

В целом приведенные сведения свидетельствуют, что кишечная гормональная система может играть важную роль не только в контроле обмена веществ за пределами пищеварительного аппарата, но и в управлении поведенческими реакциями, прямо или косвенно связанными с регуляцией потребления пищи.

Заключительные замечания

(точность регуляции потребления пищи и две теории питания)

Концепция идеальной регуляции потребления пищи, по-видимому, соответствует концепции идеального питания. В действительности организмы не являются идеальными системами (см. подробно обзоры: Уголев, 1985, 1987а), и регуляция потребления пищи происходит с большой степенью приближенности. При некоторых режимах питания, например при потреблении высококалорийной пищи, может происходить переедание, а при переходе к низкокалорийной – в течение некоторого времени недоедание. За непродолжительные интервалы времени возникают нарушения баланса (деэквилибрация) ряда компонентов внутренней среды как у животных (в естественных условиях их существования), так и у человека (в значительной мере в искусственных условиях жизни). Однако после этого происходит восстановление нарушенного баланса (реэквилибрация) в результате интегрального эффекта изменения выбора пищи и вегетативной регуляции гомеостаза. Установлено, что солевой баланс у крыс на оптимальном уровне поддерживается не в каждый данный момент, а как результат взаимодействия различных регуляторных систем на протяжении продолжительного времени.

Каким же образом, несмотря на неидеальное управление потреблением пищи, поддерживается высокий уровень жизнедеятельности? (Неидеальное управление питанием понимается в том смысле, что в каждый данный момент нет полного соответствия между потерей и поступлением пищевых веществ и, следовательно, нет сохранения молекулярного состава организма.) По всей вероятности, гомеостаз внутренних сред существует, при этом в случае избыточного поглощения пищи большую роль играет депонирование избытка веществ, а в случае недостаточного поглощения – мобилизация депо, точно так же как и изменение уровня функционирования ряда систем. Такие представления о регуляции потребления пищи больше соответствуют теории адекватного питания с ее многочисленными видовыми и экологическими вариациями, чем концепции идеального питания в свете теории сбалансированного питания.

Возникает вопрос: как происходит узнавание недостающих веществ, учитывая множество незаменимых элементов, при том что каждый из них должен быть опознан? Можно выдвинуть гипотезу, согласно которой существуют опознающие рекогносцирующие клетки или органы (например, у высших организмов – язык), которые в условиях деэквилибрации узнают недостающий во внутренней среде элемент, если он содержится в пище. Например, если для нормального функционирования системы необходимы элементы А, Б и В, то в отсутствие элемента В система работает в измененном режиме. Но при контакте с пищей, содержащей недостающий элемент В, работа системы нормализуется и, следовательно, система специфически опознает такой элемент.

Что касается физиологической роли различных рецепторных зон, то в настоящее время она не может быть полностью охарактеризована. Но уже сегодня можно говорить, что разные рецепторные зоны контролируют различные процессы. Например, нами было обнаружено, что при субдиафрагмальной ваготомии суточное потребление калорий не меняется, но меняется ритм потребления пищи; при выключении синокаротидной рефлексогенной зоны меняется уровень потребления пищи и воды.

Наконец, имеются серьезные основания полагать, что наряду с классическими гормонами желудочно-кишечного тракта существуют гипоталамотропные кишечные гормоны, среди которых, в частности, наиболее подробно изучен аппетитрегулирующий гормон  – арэнтерин. Этот гормон, вызывая чувство сытости, тормозит потребление пищи в значительно большей мере, чем холецистокинин. Состояние сытости, вызываемое холецистокинином, реализуется главным образом через блуждающие нервы. Эффект холецистокинина может быть предупрежден субдиафрагмальной ваготомией. С другой стороны, насыщающий эффект арэнтерина не снижается после субдиафрагмальной ваготомии, что говорит о прямом центральном действии этого гормона. Таким образом, кишечная гормональная система играет существенную роль в регуляции аппетита. Большой интерес представляют данные о взаимодействии гормональных и рефлекторных сигналов.