Czym jest metabolizm i jaki mamy wpływ na jego tempo?

Prawdopodobnie każdy, kto choć trochę interesuje się tematyką odżywiania, na pewnym etapie spotkał się z określeniem „spowolniony” lub wręcz „załamany” metabolizm. Jednak z punktu widzenia biochemicznego, metabolizm może załamać się, jedynie słysząc jakie rzeczy ludzie wygadują na jego temat. Albo słysząc o magicznych sposobach na jego przyspieszenie. Czy faktycznie jest to możliwe, czy to jedynie chwyt marketingowy? Jak to w końcu jest z tym metabolizmem?

Metabolizm – podstawowe informacje

Słowo metabolizm pochodzi od trzech greckich słów – μεταβολή, μετά oraz βάλλειν, oznaczających kolejno „zmiana, ponad i rzut”. W najprostszym ujęciu, na metabolizm składają się wszelkie reakcje biochemiczne zachodzące w komórkach naszego organizmu. Dzięki nim możliwe jest utrzymanie prawidłowych funkcji życiowych.

Reakcje te mogą zachodzić w dwóch kierunkach – anabolizmu i katabolizmu. Pierwsze wymagają dostarczenia energii z zewnątrz, ponieważ dzięki niej z prostych związków, są tworzone bardziej złożone. Na przykład w wątrobie z cząsteczek glukozy, zachodzi synteza glikogenu. Natomiast drugi typ reakcji jest związany z rozpadem złożonych związków chemicznych na prostsze, z wydzieleniem energii do otoczenia. Przykładem takiej reakcji jest rozpad białek do aminokwasów [1].

We wszystkich tych reakcjach bierze udział substrat energetyczny, jakim jest ATP. ATP zawiera w swojej strukturze wiązania wysokoenergetyczne między cząsteczkami kolejnych grup fosforanowych. Dzięki rozrywaniu tych wiązań energia wydzielana jest do otoczenia i może zostać zużyta do reakcji anabolicznych. Natomiast jeśli jakaś cząstka ulega katabolizmowi, grupy fosforanowe przyłączane są do ADP lub AMP, odtwarzając kompletne ATP [1].

Kluczowe dla zdrowia organizmu jest zachowanie równowagi pomiędzy procesami katabolicznymi i anabolicznymi. W zależności od tego, które z nich będą przeważać, nasz ustrój w różny sposób będzie się dostosowywał.

Jeśli przeważać będą reakcje anaboliczne, a do organizmu będzie dostarczane zbyt wiele energii – będzie on ją przekształcał w formy zapasowe, czyli w tkankę tłuszczową. Gdy szala przechyli się w drugą stronę i dominować będą reakcje kataboliczne – rozpocznie się zużywanie rezerw i utrata zapasowej tkanki tłuszczowej, a z czasem także mięśni. Natomiast w sytuacji optymalnej – gdy katabolizm i anabolizm będą się równoważyć, organizm pozostanie w stanie homeostazy [1].

Metabolizm – składowe

W innym ujęciu można spojrzeć na metabolizm jako na całokształt energii wydatkowanej i spożywanej przez nas w ciągu dnia. Tak zwane – ‘calories in, calories out’. O ile w przypadku pierwszej części, raczej nie trzeba tłumaczyć – calories in to suma energii, jaką spożywamy w przeciągu doby. Natomiast calories out jest nieco bardziej skomplikowanym zagadnieniem, gdyż składa się na nie kilka elementów. Tworzą one całkowitą przemianę materii [2,3]:

• BMR (basal metabolic rate) – czyli podstawowa przemiana materii (PPM). Jest to wydatek energetyczny, związany z utrzymaniem wszelkich funkcji życiowych i prawidłowego działania organów wewnętrznych, takich jak serce, wątroba, czy mózg. Jest zależny od płci, wieku, wzrostu i masy ciała. Przyjmuje się, że stanowi około 70% całkowitej przemiany materii.
• TEF (thermic effect of food) – termiczny efekt pożywienia, czyli ilość energii, jaka zostanie zużyta w celu strawienia spożytego pokarmu. Różni się ona w zależności od makroskładnika, jaki ma zostać strawiony – najwyższą wartość TEF mają białka, nieco niższą węglowodany, a najniższą tłuszcze. Co oznacza, że strawienie 1 g białka będzie kosztowało nasz organizm więcej energii, niż strawienie 1 g tłuszczu. Uogólniając, jednak przyjmuje się, że TEF z całościowej racji pokarmowej stanowi około 10% całkowitej przemiany materii.
• EAT (exercise activity thermogenesis) – jest to ilość energii wydatkowana przez organizm na wszelką zaplanowaną aktywność fizyczną, taką jak treningi, czy spacery.
• NEAT (non-exercise activity thermogenesis) – wydatek energetyczny w związku z tak zwaną spontaniczną lub niezaplanowaną aktywnością fizyczną. Składają się na nią czynniki związane z pracą – czy jest ona siedząca, czy fizyczna. A także związane z – można powiedzieć – temperamentem. Mianowicie – gestykulacja, tupanie nogą w rytm muzyki, a także wszelkie inne ruchy, które wykonujemy spontanicznie, często nawet sobie tego nie uświadamiając.

Czynniki, które wpływają na tempo metabolizmu

Jak już zostało wspomniane we wstępie, pewnie każdy z nas spotkał się z poradami, jak „podkręcić tempo metabolizmu”. Warto tutaj wyjaśnić, że w potocznym rozumieniu określenia „tempo metabolizmu” w zdecydowanej większości przypadków chodzi o całkowitą przemianę materii. Czyli jeszcze innymi słowami – ilość wydatkowanej energii. CPM, objaśniona już w poprzednim akapicie, zależy od wielu czynników. Część z nich jest modyfikowalna, jednak część niestety nie zależy w żaden sposób od nas.

Masa ciała

Masa ciała – czynnik zdecydowanie modyfikowalny. W zależności od naszej masy ciała, organizm będzie zużywał różną ilość energii na te same czynności życiowe. Jest to zależność wprost proporcjonalna – im większa masa ciała, tym więcej energii potrzeba przykładowo do przetransportowania ciała z punktu A do punktu B. Jednak, działa to tak samo w drugą stronę. W miarę redukcji masy ciała często konieczne jest wprowadzenie kolejnych restrykcji, ponieważ ciało, które mniej waży, zużywa do tych samych czynności mniej kalorii.

Aktywność fizyczna

Aktywność fizyczna – chyba najbardziej modyfikowalny czynnik ze wszystkich mających wpływ na tempo metabolizmu. Może stanowić nawet 20-30% całkowitej przemiany materii. Im wyższa aktywność fizyczna – zarówno zaplanowana (EAT), jak i spontaniczna (NEAT), tym więcej wydatkowanej energii [3,4,21].

Płeć

Płeć – ponownie czynnik niemodyfikowalny. Z reguły mężczyźni mają większą od kobiet podstawową przemianę materii. Jest to zależne w zdecydowanej większości od różnic w kompozycji ciała pomiędzy obiema płciami. Kobiety mają statystycznie mniej tkanki mięśniowej oraz więcej tkanki tłuszczowej niż mężczyźni [5]. Natomiast to ta pierwsza wymaga większych nakładów energii w celu jej utrzymania, z czego wynikają różnice w PPM.

Dieta

Dieta – tak jak już wspomniano wcześniej – nie każdy ze spożywanych przez nas makroskładników charakteryzuje się takim samym termicznym efektem pożywienia. Najwięcej energii nasz organizm wydatkuje w celu strawienia białka, a najmniej w celu strawienia tłuszczu. [2,6] Zatem modyfikując skład diety i proporcje poszczególnych makroskładników, jesteśmy w stanie wpłynąć na tempo metabolizmu. Jest to jednak dyskusyjne, ponieważ wedle zaleceń IŻŻ, dieta zdrowego człowieka powinna się składać w 45-65% z węglowodanów, 15-20% z białka oraz 20-35% z tłuszczów [7]. Bez konkretnych wskazań zdrowotnych modyfikowanie tych zaleceń na własną rękę nie jest wskazane.

Stan fizjologiczny

Stan fizjologiczny – jest to punkt dotyczący wyłącznie pań. Wiadome jest, że kobiety będące w ciąży mają zwiększone zapotrzebowanie energetyczne. W zależności od trymestru oraz mnogości ciąży, do codziennego spożycia energii należy dodać odpowiednią ilość kalorii [7,8]. To samo tyczy się laktacji [8]. Szacuje się bowiem, że dzienny wydatek energetyczny związany z produkcją mleka przez kobiecy organizm wynosi ok. 625 kcal.

Choroby przewlekłe

Choroby przewlekłe – bardzo istotny czynnik, który wpływa na wielkość całkowitej przemiany materii.

Wiele chorób przewlekłych przebiega z postępującym wyniszczeniem oraz wymaga zwiększonej podaży energii, aby zapobiec niedożywieniu. Wśród takich chorób można wyróżnić wszelkie nowotwory. Ze względu na kacheksję związaną z chorobą, pacjenci mają znacznie zwiększone zapotrzebowanie energetyczne [9].

Inny mechanizm zachodzi w przypadku osób chorych na przewlekłe zapalenie trzustki. W przypadku tej choroby obserwuje się zmniejszone wytwarzanie enzymów trawiennych. A co za tym idzie – gorsze trawienie i wchłanianie składników pokarmowych. W związku z tym konieczne jest zwiększenie ich podaży u chorych, aby pokryć zapotrzebowanie [10]. Podobnie jest w przypadku niewyrównanej marskości wątroby przebiegającej z niedożywieniem [11].

Istnieją jednak również choroby, w których konieczne jest ograniczenie spożycia energii oraz redukcja masy ciała, aby umożliwić poprawę stanu zdrowia. W przypadku otyłości pacjentom zalecana jest dieta o deficycie około 500-1000 kcal. Dzięki temu możliwe jest zmniejszenie toczących się w organizmie procesów zapalnych i związanego z nimi ryzyka rozwoju dodatkowych chorób, m.in. nowotworowych [12]. Podobnie jest w przypadku zespołu metabolicznego. Redukcja masy ciała pozwala także w tym przypadku na zmniejszenie prawdopodobieństwa zapadnięcia na inne choroby, takie jak cukrzyca typu 2, czy miażdżyca [13].

Układ endokrynologiczny

Układ endokrynologiczny – bardzo wiele hormonów w naszym organizmie ma wpływ na tempo przemian metabolicznych. Najważniejszymi z nich są hormony tarczycy, insulina, kortyzol oraz glukagon.

Hormony tarczycy

Hormony tarczycy – a przede wszystkim trójjodotyronina (produkt konwersji tyroksyny), odgrywa kluczową rolę w nadawaniu tempu przemianom metabolicznym w ustroju człowieka. Z tego względu, zaburzenia czynności tarczycy, wiążą się ze zmianami masy ciała. Nadczynność tarczycy, której skutkiem jest tak zwany hipermetabolizm, prowadzi do zwiększenia podstawowej przemiany materii, a co za tym idzie – utraty masy ciała. Z kolei niedoczynność, związana jest ze spowolnieniem tempa przemian metabolicznych oraz przybieraniem na wadze [14,15].

Badania przeprowadzane przez ostatnie kilkadziesiąt lat rzuciły także nowe światło na leptynę. Hormon postrzegany głównie poprzez pryzmat oddziaływania na redukcję uczucia głodu okazał się także mieć sam w sobie wpływ na podstawową przemianę materii. Leptyna powoduje zwiększenie wydatku energetycznego poprzez układ sercowo-naczyniowy oraz brązową tkankę tłuszczową. Hormon ten może przyspieszać tempo akcji serca, a także zwiększać ciśnienie tętnicze.

Zmiany te w nieznacznym stopniu, ale jednak wiążą się ze zwiększonym dziennym wydatkiem energetycznym. Dodatkowo leptyna nasila termogenezę związaną z brązową tkanką tłuszczową, która odpowiedzialna jest za utrzymywanie stałej temperatury ciała. Ponieważ ludzie są ssakami stałocieplnymi, zmiany temperatury otoczenia nie wpływają na naszą własną temperaturę. Jednak ma na nią wpływ leptyna oraz ponownie hormon tarczycy – tyroksyna. Obniżenie ich stężenia we krwi wiąże się ze zmniejszeniem owej termogenezy oraz zmniejszeniem wielkości całkowitej przemiany materii [16].

Insulina i glukagon

Insulina i glukagon to hormony kojarzone głównie z gospodarką węglowodanową [1]. I słusznie, ponieważ jest to ich główne zadanie w naszym organizmie. Nie mniej jednak odgrywają one także rolę w regulowaniu wydatku energetycznego. Glukagon odpowiada za zwiększenie całkowitej przemiany materii poprzez wpływ na termogenezę związaną z brązową tkanką tłuszczową – podobnie, jak leptyna. A także poprzez zwiększenie zużycia tlenu przez komórki organizmu, w celu przeprowadzenia procesów metabolicznych [17,18]. Z kolei insulina wykazuje odmienne działanie – zmniejszając wielkość całkowitej przemiany materii [19].

Adaptacje metaboliczne

Kolejnym często powtarzanym mitem, z którym można się spotkać, jest twierdzenie, jakoby organizm podczas redukcji masy ciała przechodził „w tryb oszczędzania”. Lub wręcz zaczynał budować tkankę tłuszczową, mimo bycia w deficycie kalorycznym. Należy tu zaznaczyć, że to ostatnie jest fizycznie niemożliwe. Jednak jeśli chodzi o „tryb oszczędzania”, faktycznie coś w tym jest. W toku redukcji zachodzą w organizmie adaptacje metaboliczne, które pozwalają mu zaoszczędzić trochę energii, którą my – odchudzając się – sukcesywnie mu odbieramy.

Adaptacje te mogą zachodzić na kilku poziomach. Jako najciekawsze można wskazać adaptacje mitochondrialne – na które nie mamy wpływu oraz na poziomie aktywności fizycznej – którym do pewnego stopnia możemy zapobiegać.

Adaptacje mitochondrialne wiążą się z wieloma skomplikowanymi procesami biochemicznymi. W dużym uproszczeniu jednak ujmując to zjawisko – nasz organizm staje się bardziej efektywny w produkowaniu ATP. Proces ten zachodzi w mitochondriach, a samo ATP – jak już zostało wcześniej wspomniane – jest konieczne do przeprowadzania wszystkich procesów metabolicznych.

W warunkach równowagi kalorycznej, w komórkach dochodzi do tak zwanego „wycieku protonów” – czyli cząsteczek niezbędnych do syntezy ATP. Co za tym idzie – produkcja tego związku jest mniej efektywna, ponieważ część potrzebnych do niej substratów „wycieka” przez błonę mitochondrialną [1,2]. Podczas restrykcji kalorycznych ten wyciek jest znacznie mniejszy, a wytwarzanie ATP – bardziej efektywne [2]. Nasz organizm zatem zużywa mniej energii do wyprodukowania takiej samej ilości substratu energetycznego. W związku, z czym nie musi już korzystać z tych rezerw, na których utracie tak nam zależy.

O ile na adaptacje na poziomie mitochondrialnym nie jesteśmy w stanie wpłynąć, choćbyśmy bardzo chcieli, to na adaptacje na poziomie aktywności fizycznej już jak najbardziej. Prawdopodobnie każdy, kto choć raz przechodził przez proces redukcji masy ciała, na własnym przykładzie mógł zaobserwować, że z czasem miał coraz mniej energii, a przede wszystkim chęci do spontanicznego ruszania się.

Jest to zjawisko bardzo powszechne i potwierdzone badaniami [3]. I o ile nie jesteśmy w stanie kontrolować nieświadomych ruchów lub – w tym przypadku – ich zaniku, to do pewnego stopnia możemy zapobiegać spadkom aktywności fizycznej. Oczywiście nie chodzi o wykonywanie zaplanowanych treningów za wszelką cenę. Jednakże, jeśli chcemy możliwie jak najbardziej ograniczyć adaptacje metaboliczne, należałoby stworzyć sobie plan treningowy oraz konsekwentnie się go trzymać. Wówczas przynajmniej na poziomie aktywności fizycznej treningowej będziemy w stanie utrzymać zbliżony wydatek energetyczny przez dłuższy okres redukcji [4,21].

Zatem – czy metabolizm można „złamać”?

To jak to w końcu jest z tym złamanym metabolizmem? Jak już zostało wspomniane w poprzednim akapicie – w procesie redukcji tkanki tłuszczowej zachodzą w organizmie pewne adaptacje, przez które staje się on bardziej efektywny w oszczędzaniu energii. Co za tym idzie – na te same czynności zużywamy jej mniej, a zatem coraz wolniej tracimy tkankę tłuszczową. Potocznie możemy zatem mówić o spowolnionym metabolizmie.

Jednak adaptacje te nie są nieodwracalne, tudzież w dłuższej perspektywie czasu nie wpływają na zdolność do utrzymania zredukowanej masy ciała. Dowodem na odwracalność adaptacji metabolicznych jest Minnesota Starvation Experiment, który miał miejsce w latach 1944-1945. Dzisiaj prawdopodobnie takie badanie nie doszłoby do skutku ze względu na sprzeciw Komisji ds. Etyki Badań Naukowych. Eksperyment miał dotyczyć psychologicznych oraz fizjologicznych skutków długotrwałego głodu, oraz skuteczności rehabilitacji dietetycznej po okresie owych restrykcji.

Badanie trwało rok. W ciągu kluczowych 24 tygodni głodówki, każdy z 34 uczestników badania utracił około 25% wyjściowej masy ciała. Adaptacje metaboliczne zachodziły u nich na każdym możliwym poziomie. Łącznie z tak ekstremalnymi skutkami, jak obniżenie akcji serca, częstości oddechów oraz obrzękami wskutek niedoborów białka. Po okresie głodówki nastąpił etap odżywienia, trwający łącznie 20 tygodni. Podczas którego – jak wykazały wyniki badania – ochotnicy pod względem fizjologicznym i metabolicznym wrócili do stanu wyjściowego.

Największym problemem i wyzwaniem okazały się zmiany, jakie zaszły w ich psychice pod wpływem 24-tygodniowej głodówki [22]. Co dowodzi temu, że nawet tak ścisłe restrykcje, nie są w stanie doprowadzić do „załamania metabolizmu”.

Czy zaś adaptacje są w stanie przeszkodzić w utrzymaniu osiągniętej masy ciała? Jak pokazuje badanie przeprowadzone na Uniwersytecie w Birmingham, wcale nie musi tak być. Uczestniczkami eksperymentu były otyłe kobiety, które utraciły około 16% masy ciała. Adaptacja metaboliczna – czyli zmniejszona całkowita przemiana materii była u nich na poziomie znacznie niższym, niż przewidywali naukowcy i wynosiła około 50 kcal/dobę. Były to jednak badania wykonywane około 4 tygodnie po zakończeniu eksperymentu, gdy organizm kobiet jeszcze nie powrócił całkowicie do stanu homeostazy. W konkluzji jednak badacze stwierdzili, że adaptacje nie są utrzymywane w dłuższej perspektywie czasu. Niemniej jednak konieczne są dodatkowe badania w celu potwierdzenia tej tezy [23].

Podsumowanie

Metabolizm może być rozumiany na różne sposoby. Jako całokształt procesów zachodzących nieustannie w każdej komórce naszego organizmu. Jako równowaga pomiędzy ilością energii spożywanej i wydatkowanej. Lub – najpowszechniejsze podejście – jako całkowita przemiana materii, czyli ilość kalorii spalanych przez nas każdego dnia.

Jest wiele czynników, które mają wpływ na tempo metabolizmu. Mogą być one niemodyfikowalne, takie jak wiek lub płeć oraz modyfikowalne, na przykład jak sposób odżywiania, masa ciała, czy też aktywność fizyczna. Najlepszymi metodami na „przyspieszenie” metabolizmu są zdecydowanie – zrównoważona, dobrze zbilansowana dieta oraz regularna aktywność fizyczna.

Co się zaś tyczy adaptacji metabolicznych – faktycznie, na pewnym etapie redukcji masy ciała mogą one zachodzić. Niemniej jednak nie są nieodwracalne i o ile odchudzanie przeprowadzone było w rozsądny i dobrze zaplanowany sposób – nie powodują powrotu do masy ciała sprzed redukcji. Nie ma zatem potrzeby się ich obawiać.

Bibliografia

1. Judge, A. i Dodd, M.S. (2020). Metabolism. Essays in Biochemistry, 64(4), 607-647.
2. Trexler, E.T., Smith-Ryan, A.E., Norton, L.E. (2014). Metabolic adaptation to weight loss: implications for the athlete. Journal of the International Society of Sports Nutrition, 11:7.
3. Melanson, E.L. (2017). The effect of exercise on non-exercise activity and sedentary behaviour in adults. Obesity Reviews, 18(1), 40-49.
4. Ostendorf, D.M. i in. (2019). Physical Activity Energy Expenditure and Total Daily Energy Expenditure in Successful Weigh Loss Maintainers. Obesity (Silver Spring) 27(3), 496-504.
5. Schorr, M. i in. (2018). Sex differences in body composition and association with cardiometabolic risk. Biology of Sex Differences, 9:28.
6. Sutton, E.F. i in. (2016). No evidence for metabolic adaptation in thermic effect of food by dietary protein. Obesity (Silver Spring) 24(8), 1639-1642.
7. Ministerstwo Zdrowia, Narodowy Program Zdrowia, Państwowy Zakład Higieny Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego (2020). Normy żywienia dla populacji Polski i ich zastosowanie.
8. Kominiarek, M.A., Rajan, P. (2016) Nutrition Recommendations in Pregnancy and Lactation. Medical Clinics of North America 100(6), 1199-1215.
9. Rohm, M., Zeigerer, A., Machado, J., Herzig, S. (2019) Energy metabolism in cachexia. EMBO reports 20(4).
10. O’Brien, S.J., Omer, E. (2019) Chronic Pancreatitis and Nutrition Therapy. Nutrition in Clinical Practice 34(1), S13-S26.
11. European Association for the Study of the Liver (2019). EASL Clinical Practice Guidelines on nutrition in chronic liver disease.
12. Romieu, I. i in. (2017) Energy balance and obesity: what are the main drivers? Cancer Causes & Control 28(3), 247-258.
13. Castro-Barquero, S. i in. (2020) Dietary Strategies for Metabolic Syndrome: A Comprehensive Review. 12(10).
14. Liu, G. i in. (2017) Thyroid Hormones and Changes in Body Weight and Metabolic Parameters in Response to Weight-Loss Diets: The POUNDS LOST Trial. International Journal of Obesity 41(6), 878-886.
15. Mullur, R., Liu, Y.-Y., Brent, G.A. (2014) Thyroid Hormone Regulation of Metabolism. Physiological Reviews 94(2), 355-382.
16. Pandit, R., Beerens, S., Adan, R.A.H. (2017) Role of leptin in energy expenditure: the hypothalamic perspective. American Journal of Physiology 312, R938-R947.
17. Kleinert, M. i in. (2019) Glucagon Regulation of Energy Expenditure. International Journal of Molecular Sciences 20(21).
18. Gonzalez-Garcia, I. i in. (2019) Glucagon, GLP-1 and Thermogenesis. International Journal of Molecular Sciences 20(14).
19. Loh, K. i in. (2017) Insulin controls food intake and energy balance via NPY neurons. Molecular metabolism 6(6), 574-584.
20. Muller, M.J., Enderle, J., Bosy-Westphal, A. (2016) Changes in Energy Expenditure with Weight Gain and Weight Loss in Humans. Current Obesity Reports 5(4), 413-423.
21. Chung, N. i in. (2018) Non-exercise activity thermogenesis (NEAT): a component of total daily energy expenditure. Journal of Exercise Nutrition & Biochemistry 22(2), 23-30.
22. Dulloo, A.G. (2021) Physiology of weigh regain: Lessons from the classic Minnesota Starvation Experiment on human body composition regulation. Obesity Reviews 22(S2)
23. Martins, C., Gower, B.A., Hill, J.O., Hunter, G.R. (2020) Metabolic adaptation is not a major barrier to weight-loss maintenance. The American Journal of Clinical Nutrition 112(3), 558-565.