Сбалансированное питание соотношение белков жиров и углеводов: Недопустимое название — SportWiki энциклопедия

На самом деле, как и у всех разные цели, каждый должен выбрать свой путь, чтобы достичь своего идеального тела. В противном случае нарастить мышечную массу, избавиться от нежелательного жира и поддерживать желаемый вес будет легко — просто отрегулируйте количество калорий, и все будет готово! К сожалению, не все так просто.

Означает ли это, что мы все обречены начинать с нуля и возиться, пока не найдем свой путь? Точно нет. Вот три фактора, которые могут помочь вам установить эффективную отправную точку для вашего путешествия от «до» к «после».«

Фактор 1: Фитнес-цели

Ваш первый шаг — выбрать, что для вас важнее: потеря жира или набор мышечной массы. Вы можете спросить: «А что, если я хочу и то, и другое?» Однако это одна из тех ситуаций, когда вам лучше решать одну цель за раз. Хотя увеличение мышечной массы может происходить одновременно с потерей жира, ни один из этих процессов не будет реализован в полной мере. Почему? Более высокое соотношение углеводов способствует увеличению мышечной массы, а более низкое соотношение углеводов способствует ускорению сжигания жира.

Есть способы, которые вы можете постепенно наращивать жир и наращивать мышцы одновременно, например, углеводный цикл, когда вы чередуете фазы наращивания мышц с высоким содержанием углеводов с периодами с низким содержанием углеводов, чтобы стимулировать сжигание жира.Некоторые недавние исследования также поддерживают периодическое голодание как средство как для похудания, так и для набора массы. Однако индивидуальные результаты в обоих случаях различаются, и ни то, ни другое не является оправданием для полного игнорирования ваших макросов.

Независимо от того, какой метод вы выберете, вы увидите более выраженный набор массы или более быстрое сжигание жира, если сосредоточитесь в первую очередь на одной главной цели за раз. Многие профессиональные фитнес-атлеты используют фазу «наращивания», длящуюся несколько недель или месяцев, за которой следует фаза «сокращения» для достижения хорошо развитого, но стройного телосложения.Это не должно быть экстремальным или неприятным, чтобы работать, если вы придерживаетесь этих типичных диапазонов макроэлементов.

Соотношение макроэлементов

Обратите внимание, что жир никогда не опускается ниже 15 процентов от общего количества калорий. Поскольку гормоны состоят из холестерина и других молекул жира, получение меньшего количества может фактически подавить нормальный уровень гормонов. Это также отрицательно сказывается на функциях организма, управляемых этими гормонами, включая рост и развитие, обмен веществ, репродуктивную функцию и настроение.Низкое потребление жиров также может ухудшить усвоение жирорастворимых витаминов A, D, E и K. Что еще хуже, недостаток незаменимых жирных кислот может увеличить риск рака толстой кишки, рака груди и рака простаты.

Но, как вы понимаете, подойдет не любой источник жира. Отдайте приоритет здоровым источникам жиров, таким как мононенасыщенные жиры, такие как мононенасыщенные жиры (авокадо, яичные желтки, оливки, орехи, арахисовое масло, масло канолы, оливковое масло, подсолнечное масло с высоким содержанием олеиновой кислоты), триглицериды со средней длиной цепи (кокосовое масло) и жирные кислоты омега-3. кислоты (лосось и другая рыба, говядина травяного откорма, семена чиа, молотые семена льна, соевые бобы, тофу, эдамаме, бобы, дикий рис и грецкие орехи).

Фактор 2: Тип корпуса

После того, как вы определились с основной целью в фитнесе, важно учесть ваш тип телосложения. Это поможет определить, насколько хорошо вы переносите углеводы, и определит, с каких диапазонов вы должны начать.

Есть три основных типа телосложения, и многие люди попадают где-то посередине. Хотя эндоморфа можно считать полярной противоположностью эктоморфа, многие люди представляют собой комбинацию «эндо / мезо» или «экто / мезо». Даже если вы в конечном итоге определите, что находитесь где-то посередине, эти категории помогут установить ориентир питания.Начните с того типа телосложения, который вам больше всего нравится, и при необходимости измените его.

Эктоморф

Эктоморфа лучше всего описать как стройного. Для них характерна нежная костная структура, маленькие плечи и грудь, а также быстрый обмен веществ. Эктоморфы — классические «хардгейнеры». Им сложно набрать вес и набрать массу.

С другой стороны, им легко похудеть. Им, как правило, требуется больший процент углеводов для предотвращения катаболизма мышц, а также более высокое потребление калорий в целом.

Рекомендации по диете: Эктоморфы должны придерживаться верхнего предела диапазона углеводов, от 30 до 60 процентов от общего количества калорий, в зависимости от того, является ли цель приростом массы, поддержанием или потерей жира. Более высокое соотношение углеводов способствует увеличению мышечной массы, а более низкое соотношение углеводов способствует ускорению сжигания жира.

Я рекомендую верхний предел для набора массы, средний верхний предел для поддержания (45-55 процентов) и нижний предел для похудания. По крайней мере 25 процентов от общего количества калорий должны поступать из белков, а остальная часть — из жиров.

Мезоморф

Мезоморф — это человек, склонный к мускулистости. Часто они сильные, атлетичные, с твердым телом, с четко очерченными мышцами, широкими плечами и плотной костной структурой. У мезоморфов, как правило, нет проблем с набором мышц или сжиганием жира, хотя они набирают жир с большей готовностью, чем эктоморфы.

Они могут обрабатывать умеренный уровень углеводов из-за их достаточной способности накапливать гликоген в мышцах. Однако увеличение веса произойдет, если углеводов и калорий будет слишком много.Ни один тип телосложения не застрахован от плохой диеты!

Рекомендации по диете: Мезоморфы хорошо себя чувствуют в среднем диапазоне углеводов, от 20 до 50 процентов от общего количества калорий. Опять же, я рекомендую высокий уровень для набора массы (40-50 процентов), средний уровень для поддержания (30-40) и низкий уровень для похудания (20-30).

Чтобы сделать потерю жира в первую очередь, увеличьте потребление белков и жиров при одновременном снижении потребления углеводов, при этом не более 40 калорий поступает из жира.

Эндоморф

Эндоморфа лучше всего описать как мягкого.У них обычно округлое или грушевидное тело, более короткие конечности, коренастое телосложение и более медленный обмен веществ.

Эндоморфы могут нарастить много мышц, но они также имеют тенденцию нести больше жировой ткани и, следовательно, имеют большую склонность к накоплению жира. Поскольку излишки углеводов в диете эндоморфа превращаются в жир, высокое потребление углеводов затрудняет им набирать вес или худеть.

Рекомендации по диете: Эндоморфы должны придерживаться нижнего предела углеводного диапазона, от 10 до 40 процентов от общего количества калорий, в зависимости от их целей.Здесь я рекомендую не более 30-40 процентов углеводов для набора массы, средний диапазон для поддержания (20-30) и низкий уровень для похудания (10-20).

Как и в случае с другими типами телосложения, белки и жиры обеспечивают остаток ваших калорий, причем 25-50 процентов от общего количества калорий составляют белок и 15-40 процентов — жир.

Фактор 3: Пол

Пол обычно менее важен, чем цели или общий тип телосложения, и гораздо более подвержен индивидуальным различиям.Тем не менее, при поиске идеального числа важно иметь в виду кое-что.

В целом женщины более эффективно сжигают жир и менее эффективно сжигают гликоген, накопленный в мышцах. Таким образом, они могут работать при меньшем потреблении углеводов, чем мужчины.

Исследование предлагает ряд причин, по которым женщины больше полагаются на жиры в качестве топлива во время тренировок, в том числе:

1. Эстроген усиливает выработку адреналина, основного гормона, стимулирующего липолиз (распад жирных кислот).
2. Эстроген способствует высвобождению гормона роста человека (HGH), который подавляет усвоение углеводов и увеличивает мобилизацию жирных кислот из жировой ткани.
3. У женщин увеличился приток крови к жировой ткани, что может способствовать мобилизации жирных кислот.
4. У женщин более высокий уровень внутримышечных триглицеридов (IMTG), жирового источника топлива, который экономит гликоген в мышцах во время упражнений средней и высокой интенсивности. Такая экономия мышечного гликогена может дать женщинам преимущество в выносливости при выполнении упражнений с высокой интенсивностью против мужчин!
5. Согласно одному исследованию, мужчины, выполняя одно и то же упражнение, больше полагаются на запасенные углеводы в качестве топлива, чем женщины.

Рекомендация по диете: Означает ли это, что женщины всегда должны потреблять меньше углеводов, чем мужчины? Не обязательно. Эктоморфной женщине, тренирующейся с высокой интенсивностью, вероятно, потребуется более высокий процент углеводов, чем малоподвижному эндоморфному мужчине.

С другой стороны, мезоморфному мужчине, пытающемуся поддерживать вес, вероятно, потребуется более высокий процент углеводов, возможно, в пределах 40 процентов, в то время как женщина того же типа телосложения с той же целью может пожелать начать с 30 процентов. .

Тем не менее, если вы женщина, тренирующаяся с низкой или умеренной интенсивностью, я бы посоветовал сначала обратиться к вышеуказанным макро-диапазонам, чтобы выбрать соотношение, соответствующее вашим целям в фитнесе и типу телосложения. Затем начните с низкого уровня углеводов и посмотрите, как вы себя чувствуете.

Мужчина или женщина, если вы чувствуете усталость и слабость от тренировок, но не можете нарастить мышечную массу, вам следует подумать об увеличении количества углеводов.

Макросы

— лишь одна часть головоломки

Примерно через сотый раз, когда вы услышите «пресс делают на кухне», может возникнуть соблазн потратить все свое время на беспокойство о соотношении макроэлементов и меньше обращать внимание на другие факторы, которые не менее важны для ваших общих результатов.Не теряйте лес ради деревьев!

Если бы ваше здоровье было математическим уравнением, оно выглядело бы так: (x + y + z) (a + b + c) = u. Есть сотни факторов, и вы должны рассмотреть их все, чтобы получить правильный ответ.

Одним из важных дополнительных факторов является общее количество потребляемых вами калорий. Даже идеальное соотношение макроэлементов неэффективно, если вы потребляете слишком много калорий. И по тому же принципу вы не можете рассчитывать на достижение тонированного мускулистого телосложения, если не желаете серьезно относиться к тренировкам!

Может показаться, что нужно помнить о многом, но не расстраивайтесь.Здесь вы ведете более здоровый образ жизни, а не просто занимаетесь математикой. На определение вашей идеальной стратегии питания потребуется время, и по мере развития ваших целей в фитнесе изменится и ваше идеальное соотношение макроэлементов. Но с решимостью, решимостью и готовностью меняться вы продолжите продвигаться к великим вещам.

Как приготовить сбалансированное питание по макроэлементам (и почему это так важно)

К настоящему времени мы все знаем, что мы — это то, что мы едим. Придерживайтесь диеты, богатой яркими фруктами и овощами, цельнозерновыми продуктами и полезными жирами, и вы, несомненно, почувствуете себя хорошо.Ешьте фаст-фуд снова и снова, и вы, скорее всего, почувствуете себя нездоровым и станете ожирением.

Но многие из нас на самом деле не знают, как выглядит здоровая и сбалансированная еда. Первое, что приходит на ум, — это ужасный салат, но даже в простом салате отсутствуют важные компоненты для здорового питания.

Какие основные компоненты сбалансированного питания? Макроэлементы.

«Макронутриенты — это то, что мы называем наиболее крупными питательными веществами в нашем организме», — сказала The Huffington Post Australia аккредитованный практикующий диетолог Хлоя МакЛеод.«Когда мы смотрим на макроэлементы, мы обращаем внимание на углеводы, жиры и белки».

Макроэлементы являются энергетическими компонентами наших продуктов и помогают нашему организму нормально функционировать. Микронутриенты, с другой стороны, представляют собой основные витамины, минералы, антиоксиданты и фитохимические вещества в составе этих макроэлементов.

Белок является строительным материалом для клеток мозга, мышц, кожи, волос и ногтей. Он содержится в мясе и продуктах растительного происхождения, таких как бобовые, семена и злаки.

Углеводы служат топливом для мозга, центральной нервной системы и почек и содержатся в зерновых продуктах, таких как хлеб, рис, киноа, макаронные изделия, крекеры и ячмень.

Несмотря на то, что здоровые жиры часто недооцениваются (и избегаются людьми), они жизненно важны для здорового функционирования организма.

«Это определенно важная часть тарелки», — сказал МакЛеод. «Жирный компонент действительно важен для усвоения жирорастворимых витаминов — если в еде вообще нет жира, жирорастворимые витамины усваиваются не так легко.»

« Примером может служить витамин К, который представляет собой жирорастворимый микронутриент, содержащийся в листовой зелени. Но если в пище нет жиров или очень мало жиров, витамин К не усваивается так же хорошо. Что-то вроде нескольких чайных ложек оливкового масла в качестве заправки для салата помогает это перенести ».

Если еда, которую мы едим, не сбалансирована по макроэлементам, это может повлиять на функционирование нашего организма.

«Если вы едите несбалансированную пищу, вы можете нежелательным образом набрать или похудеть», — сказал МакЛеод.«Вы можете чувствовать себя не так хорошо или энергично, как можете».

Это ловушка низкоуглеводных диет.

«Часто, когда люди придерживаются низкоуглеводной диеты, они обнаруживают, что у них действительно мало энергии, они плохо спят и не могут сосредоточиться на работе», — сказал МакЛеод. «Или, может быть, вы не набираете достаточно жира, и это то же самое — вам может казаться, что вы не можете так хорошо сконцентрироваться».

Хотя в этом салате есть белок и жир, но без углеводной пищи, такой как хлеб или киноа, отсутствует важный углеводный компонент.

Теперь, когда мы знаем о важности макроэлементов, как мы можем обеспечить сбалансированное питание?

Согласно Маклеоду, хотя это зависит от целей композиции тела, общие проценты, к которым нужно стремиться, следующие:

• Углеводы: 45-65 процентов калорий
• Жиры: 20-35 процентов калорий
• Белки: 10-35 процент калорий

Однако вместо того, чтобы сосредотачиваться на процентах — так как они часто могут сбивать с толку и контрпродуктивно для людей, начинающих менять свой рацион, — МакЛеод рекомендует использовать вашу тарелку в качестве ориентира.

«Я предпочитаю потратить немного больше времени, глядя на порционную тарелку и проверяя, какая часть тарелки заполнена овощами с низким содержанием крахмала (например, брокколи, шпинат, перец и кабачки), сколько из них наполнено белком и как большая часть этого наполнена углеводами », — сказал МакЛеод HuffPost Australia.

«Я ищу пропорции для среднего человека: половину тарелки составляют овощи, около четверти — белок и около четверти — углеводы. Это общие суммы, которые мы ищем.

«Для большинства людей, чьи тарелки выглядят так, это будет означать улучшение здоровья, потому что вы съедаете больше низкокалорийной пищи и получаете больше тех микроэлементов, которых больше в овощах».

Хотите узнать о жировом компоненте?

«Часть жира в сбалансированной по макроэлементам еде может быть найдена в мясе — скажем, если у вас есть кусок лосося или стейка травяного откорма, который имеет здоровый жировой профиль, особенно лосось», — сказал МакЛеод.

«В противном случае вы могли бы добавить орехи и семена, оливковое масло или авокадо, чтобы таким образом набрать жир.«

Еще одно отличное руководство — это ваши руки.

« Это немного банально, но руки всегда с вами », — сказал МакЛеод.

« Стремитесь получить протеин размером с ладонь, кулак размер углеводов, а затем две сложенные чашки салата или овощей с низким содержанием крахмала ».

Классическая сбалансированная еда — это сладкий картофель (углеводы) размером с кулак, кусок рыбы или мяса (белок и жир) размером с ладонь, а затем две сложенные в чашку руки овощи с низким содержанием крахмала.

«Еще одна важная вещь, которую следует учитывать, — это то, что это действительно зависит от ваших целей», — сказал МакЛеод. «Например, если вы готовитесь к марафону, углеводная часть вашей еды должна быть немного больше, потому что ваше тело будет потреблять больше углеводов, чем тот, кто весь день сидит за компьютером и не проявляет особой активности. ”

«Главное — сосредоточиться на включении большого количества свежих сезонных овощей и продуктов растительного происхождения, а также на использовании здоровых источников белка и углеводов с низким ГИ в дополнение к овощной части еды», — сказал МакЛеод.

«Также важно, чтобы в ваши блюда было много цветов. Чем больше красителей, тем больше антиоксидантов и микроэлементов будет в пище, а значит, вы получите больше разнообразных питательных веществ ».

Макроэлементные сбалансированные блюда

• Одно или два яйца пашот с парой ломтиков цельнозернового тоста, авокадо, обжаренный шпинат, помидоры и грибы
• Овсяные хлопья с йогуртом в греческом стиле и некоторыми фруктами

• Лосось с брокколи и сладкий картофель
• Жаркое движения с овощами, тофу или курицей, кешью для полезных жиров и коричневый рис для подачи
• Стейк из филе с салатом из листовой зелени (например, руккола и шпинат), авокадо, помидорами и огурцами и киноа служить для углеводной части.

Качество белка и соотношение белка и углеводов при диете с высоким содержанием жиров влияет на энергетический баланс и микробиоту кишечника у мышей C57BL / 6J

Цитирование: McAllan L, Skuse P, Cotter PD, Connor PO, Cryan JF, Ross RP, et al. (2014) Качество белка и соотношение белка и углеводов в рационе с высоким содержанием жиров влияет на энергетический баланс и микробиоту кишечника у мышей C57BL / 6J. PLoS ONE 9 (2):
e88904.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904

Редактор: Дарси Йоханнсен, Pennington Biomed Research Center, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 23 июля 2013 г .; Одобрена: 13 января 2014 г .; Опубликован: 10 февраля 2014 г.

Авторские права: © 2014 McAllan et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: KN поддерживается программой Teagasc Vision по борьбе с ожирением, которая также профинансировала работу, подробно описанную в этой рукописи. LM поддерживается стипендией Teagasc PhD Walsh Fellowship. HMR поддерживается SFI PI (11 / PI / 1119). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Пол Д. Коттер является членом редакционного совета PLOS ONE. Авторы также заявляют, что это не влияет на их приверженность всем политикам PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Широко признано, что уровни ожирения и связанных с ним клинических состояний, таких как диабет, инсульт, гиперлипидемия и сердечно-сосудистые заболевания, растут во всем мире [1]. Важно отметить, что развитие ожирения увеличивает заданное значение, при котором масса тела, а точнее телесный жир, защищается, что затрудняет его обращение вспять [2], [3]. Таким образом, существует повышенный исследовательский интерес к разработке эффективных методов лечения этого заболевания.

Молочные белки, принадлежащие фракции сыворотки (побочный продукт производства сыра), все чаще тестируются на предмет их потенциального действия против ожирения, особенно на их способность снижать массу тела, связанную с диетой с высоким содержанием жиров (HFD), и набор жировой массы [ 4] — [6]. Shi et al., [7] показали, что замена 5%, 50% или 100% энергии, получаемой из казеинового белка в рационе, на изолят сывороточного белка, обогащенный лактопероксидазой и лактоферрином (WPI), вызывает пропорциональное подавление массы тела. прирост у мышей, получавших HFD.Ранее мы продемонстрировали, что связанное с WPI снижение массы тела и увеличения жировой массы у мышей, получавших HFD, сопровождалось нормализацией потребления энергии и полным или частичным изменением экспрессии генов, связанных с энергетическим балансом, в жировой ткани и гипоталамусе [8 ]. Хотя эти данные предполагают, что сывороточные белки оказывают специфическое влияние на энергетический баланс, такие эффекты, по-видимому, видоизменяются составом макроэлементов в рационе [9]. В последнем исследовании было показано, что увеличение соотношения липидов и углеводов в рационе, богатом сывороточным белком, значительно снижает потребление энергии и прибавку в весе у крыс.В совокупности эти данные предполагают, что качество протеина и состав макроэлементов являются важными детерминантами энергетического баланса.

Интересно, что диета также является важным фактором в определении состава кишечной микробиоты [10], [11], а специфические сигнатуры кишечной микробиоты связаны с фенотипами ожирения у животных и людей [12] — [14]. Примечательно, что исследования показали, что определенные сывороточные белки обладают антимикробной активностью [15] — [17], и что сам процесс пищеварения способствует образованию мощных антимикробных пептидов сывороточного происхождения, таких как катализируемый пепсином лактоферрин в лактоферрицин [18].Исследование Sprong et al., [19] продемонстрировало, что по сравнению с казеином потребление сывороточного протеина увеличивает уровни лактобацилл и бифидобактерий на модели колита у крыс. Однако в более недавнем исследовании было обнаружено, что потребление сывороточного протеина не влияет на состав кишечной микробиоты у мышей, получавших HFD в течение 7 или 13 недель [20]. Несколько ключевых вопросов без ответа: Могут ли сывороточные белки специфически влиять на состав микробиоты кишечника, связанный с длительным кормлением с высоким содержанием жиров, и будут ли какие-либо изменения относиться к энергетическому балансу? Могут ли изменения соотношения белков и углеводов в HFD по-разному влиять на профиль кишечной микробиоты и энергетический баланс на изменения качества белка?

Чтобы оценить специфические эффекты WPI на вышеуказанные параметры, мы подвергали самцов мышей C57BL / 6J 21 неделе либо диеты с низким содержанием жира (LFD) с 20% казеина кДж, либо HFD с 20% казеина кДж или WPI.Кроме того, используя две дополнительные группы диеты HFD с 30 или 40% кДж WPI, мы оценили влияние увеличения соотношения белков и углеводов (P / C) в пределах HFD на интересующие параметры. Наши данные показывают, что WPI оказывает специфическое влияние на энергетический баланс и микробиоту кишечника, в то время как увеличение соотношения P / C в HFD приводит к резким изменениям в энергетическом балансе, составе тела, метаболическом здоровье и составе микробиоты кишечника.

Материалы и методы

Заявление об этике

Все исследования с участием мышей были лицензированы в соответствии с Законом о жестоком обращении с животными 1876 года и получили этическое одобрение Комитета по этике животных Университетского колледжа Корка (№ 2011/005).

Животные

Самцов мышей C57BL / 6J в возрасте 3–4 недель (Harlan, Oxon, UK) помещали в группы по 5 на клетку (Исследование 1) или по 4 на клетку (Исследование 2) в индивидуально вентилируемых клетках и акклиматизировали в течение четырех недель в свет ( 06: 00–18: 00), контролируемая температура (21 ± 1 ° C) и влажность (45–65%), свободный доступ к воде и диета с низким содержанием жиров (LFD; 10% кДж жира и 20% кДж казеина; # D12450, Research Dets; Нью-Брансуик, Нью-Джерси, США).

Протокол эксперимента

Два исследования были выполнены для оценки того, как полученное из WPI содержание энергии в HFD (исследование 1) или LFD (исследование 2) влияет на параметры, связанные с энергетическим балансом, у мышей в течение 21 недели (исследование 1) или 7 недель (исследование 2).

Исследование 1. После периода акклиматизации группы с подобранным по весу диетами поддерживались на LFD или были переведены на HFD (45% кДж жира и 20% кДж казеина; # D12451) или HFD с WPI (Alacen ^tm 895 NZMP, Новая Зеландия) при энергосодержании 20% кДж (HFD-20% WPI), 30% кДж (HFD-30% WPI) или 40% кДж (HFD-40% WPI) (Таблица S1) (n = 10 ) в общей сложности 21 неделя. Вес тела измеряли еженедельно. Потребление энергии у мышей, содержащихся в группе, измеряли путем взвешивания кормушки каждую неделю до 16 недели.В течение 17–20 недель потребление энергии и метаболическую активность у отдельных мышей измеряли с использованием клеток TSE Phenomaster (TSE systems, Бад-Хомбург, Германия). После этого анализа и перед повторным размещением мышей в домашних клетках у отдельных мышей собирали фекальные гранулы для исследования микробного состава с помощью пиросеквенирования и последующего биоинформатического анализа. В конце экспериментального периода мышей не кормили в течение 6 часов, и состав тела измеряли с помощью Bruker minispec LF50H (Bruker optics, Эттлинген, Германия).Затем мышей анестезировали кетамином (65 мг / кг веса тела) и ксилазином (13 мг / кг веса тела). Кровь собирали у анестезированных мышей в пробирки с EDTA-вакуумом (BD, США) и обрабатывали апротинином (конечная концентрация 500000 KIU / л; Sigma, Ирландия) и дипротином A (конечная концентрация 0,1 мМ; Sigma, Ирландия) для защиты пептидов плазмы от протеолитического воздействия. деградация. Плазму выделяли из крови центрифугированием при 2000 об / мин при 4 ° C в течение 15 минут. Мышей умерщвляли путем смещения шейных позвонков, и представляющие интерес ткани вскрывали и быстро замораживали в жидком азоте (печень, жир и желудок) или на сухом льду (мозг).Образцы плазмы и ткани хранили при -80 ° C до анализа.

Исследование 2: Мышам сопоставимого веса давали в течение 7 недель либо LFD, либо LFD с WPI, заменяющим казеиновый белок (LFD-WPI; 10% кДж жира и 20% кДж WPI) (n = 8). Вес тела измеряли еженедельно. Потребление энергии и метаболическую активность у отдельных мышей измеряли в течение 5 и 6 недель с помощью системы TSE Phenomaster. После анализа мышей, как и прежде, снова поместили в домашние клетки, и эксперимент завершили в конце 7 недели.

Анализ параметров обмена веществ

Клетки TSE Phenomaster включают в себя систему непрямой калориметрии открытого цикла с газоанализаторами для измерения потребления кислорода (мл / ч / кг) (VO ₂ ) и производства CO ₂ (мл / ч / кг) (VCO _{). 2} ). Клетки также содержали высокоточные сенсорные корзины для кормления для точного измерения потребления пищи (г), при этом еда определялась как потребление более 0,01 г. Система многомерного инфракрасного луча позволяла измерять двигательную активность, которая определялась как общее количество разрывов инфракрасного луча по осям X и Y.Мышей содержали поодиночке в клетках TSE Phenomaster в общей сложности на 3 дня, при этом данные собирали в течение последних 24 часов после 2-дневной акклиматизации к новой среде клетки. Период акклиматизации был установлен на основании данных нашего предыдущего исследования [8]. Выработка тепла (ккал / ч / кг) у отдельных мышей была рассчитана с использованием уравнения Вейра (3,941 × VO ₂ + 1,106 × VCO ₂ ) [21]), и это было преобразовано в кДж / ч / кг с использованием 1 ккал. = 4,184 кДж. Коэффициент респираторного обмена (RER) был рассчитан с помощью VCO ₂ / VO ₂ .Потребление энергии было рассчитано на основе измерений потребления пищи с использованием содержания энергии в рационах, предоставленных производителем.

Извлечение микробной ДНК, амплификация и высокопроизводительное секвенирование ДНК

Полную метагеномную ДНК экстрагировали из отдельных образцов фекалий с использованием мини-набора QIamp DNA Stool (Qiagen, Hilden, Германия) после дополнительной стадии взбивания шариков. Бактериальный состав определяли секвенированием ампликонов 16s рРНК (область V4-V5; длина 408nt), полученных с помощью отдельной реакции ПЦР для каждого образца (в трех экземплярах) с использованием универсальных праймеров 16S, где прямой праймер (5′-AYTGGGYDTAAAGNG) с прикрепленные теги молекулярных идентификаторов между последовательностью адаптера 454 и последовательностью специфичного для мишени праймера и обратного праймера V5 (5′-CCGTCAATTYYTTTRAGTTT) [22] использовали вместе с Biomix Red (Biomix Red (Биолайн, Лондон, Великобритания)).ДНК-матрицу амплифицировали в следующих условиях ПЦР в общей сложности 35 циклов: 94 ° C в течение 2 минут и 1 минуты соответственно (инициализация и денатурация), 56 ° C в течение 60 секунд (отжиг) и 72 ° C в течение 60 секунд ( удлинение), за которым следует стадия окончательного удлинения в течение 2 минут. Реакции отрицательного контроля с водой для ПЦР вместо ДНК-матрицы использовали для подтверждения отсутствия загрязнения. Ампликоны объединяли и очищали с использованием системы очистки AMPure XP (Beckman and Coulter, Takeley, UK) и концентрацию ДНК определяли с помощью флуороспектрометра NANODROP 3300 (Thermo Scientific, США) в сочетании с набором для анализа дцДНК Quant-it ™ Picogreen® (Invitrogen , Пейсли, Великобритания).Затем равные объемы каждого образца объединяли и подвергали стадии окончательной очистки и количественного определения. Ампликоны секвенировали на собственном оборудовании на платформе Roche GS FLX Titanium.

Биоинформатика

Необработанные чтения секвенирования были «очищены от шума» с использованием традиционных методов, реализованных в конвейере пиросеквенирования (RDP) Ribosomal Database Project, с исключением неоднозначных оснований, неточных совпадений праймеров и считываний короче 150 п.н. Обрезанные файлы FASTA были затем обработаны методом BLAST для ранее опубликованной базы данных, специфичной для 16S, с использованием параметров по умолчанию.Затем полученные файлы были проанализированы с помощью программного пакета MEGAN, который назначает операции чтения таксономиям Национального центра биотехнологической информации (NCBI) с помощью алгоритма наименьшего общего предка. Результаты были отфильтрованы перед построением дерева и суммированием с использованием битовых оценок из MEGAN, где использовалась отсекаемая битовая оценка 86 [23], [24]. Программный пакет QIIME был использован для кластеризации считанных последовательностей в операционные таксономические единицы (OTU) [25]. Химерные ОТЕ были удалены с помощью программы ChimeraSlayer [26], а филогенетические деревья построены с помощью инструмента FastTreeMP [27].Значения бета-разнообразия были рассчитаны на основе Брея Кертиса, взвешенных и невзвешенных расстояний UniFrac, а программа просмотра KING использовалась для визуализации полученных графиков PCoA [28], [29]. Считанные последовательности были депонированы в Европейский нуклеотидный архив (EHA) под номером доступа PRJEB4636.

Анализ плазмы

Колориметрические анализы использовали для измерения уровней глюкозы в плазме (Calibochem, Дармштадт, Германия), триацилглицерина (TAG; Wako Chemicals, Ричмонд, VI, США) и неэтерифицированных жирных кислот (NEFA; Abcam, Кембридж, Великобритания).Имеющиеся в продаже наборы ELISA использовали для анализа уровней инсулина, лептина в плазме (Crystal Chem, Downers Grove, IL, USA), глюкагоноподобного пептида 1 (GLP-1; Millipore, St. Charles, MO, USA) и кортикостерона (Enzo Науки о жизни, Фармингдейл, Нью-Йорк, США). Модель оценки гомеостаза инсулинорезистентности (HOMA-IR) определялась по формуле: инсулин плазмы натощак (мкЕ / мл) × глюкоза плазмы натощак (ммоль / л) / 22,5 [30]. Для измерения уровней аминокислот в плазме образцы сначала депротеинизировали путем смешивания с равными объемами 24% (мас. / Об.) Трихлоруксусной кислоты.Затем образцы оставляли на 10 минут перед центрифугированием при 14400 × g (Microcentaur, MSE, UK) в течение 10 минут. Супернатанты смешивали с 0,2 M натрийцитратным буфером, pH 2,2, и концентрацию аминокислот в плазме определяли количественно с использованием анализатора аминокислот Jeol JLC-500 / V (Jeol Ltd., Garden city, UK), оснащенного Jeol Na ^{+. Высокопроизводительная катионообменная колонка} .

Анализ ТАГ печени

Общие липиды из образцов печени (примерно 50 мг) экстрагировали, как описано ранее [8], с использованием метода экстракции Фолча [31].Вкратце, общие липиды экстрагировали с использованием 2 × 1 (об. / Об.) Раствора хлороформ: метанол, в который добавляли 0,88% раствор NaCl перед центрифугированием при 2000 об / мин и 4 ° C в течение 30 минут. Аликвоты органической фазы собирали, сушили и повторно суспендировали в реагенте LabAssay TAG (Wako Chemicals, Richmond, VI, USA) для измерения уровней TAG с использованием набора LabAssay TAG в соответствии с протоколом производителя.

Анализ ПЦР в реальном времени

Суммарную РНК

выделяли из тканей с использованием наборов RNeasy mini (печень и желудок) или RNeasy lipid mini (жировая и гипоталамус) (Qiagen, Hilden, Германия) в соответствии с инструкциями производителей.РНК обрабатывали ДНКазой (Qiagen, Hilden, Германия) во время выделения РНК, чтобы исключить любое возможное загрязнение геномной ДНК. Обратную транскрипцию 1 мкг РНК проводили с использованием случайных гексамерных праймеров 2,5 нг / мкл (Bioline, Лондон, Великобритания), 0,5 мМ dNTP (Promega, Мэдисон, VI, США), 2 ед / мкл ингибитора РНКазы (Promega, Madison, VI. , США) и систему первой стойки Superscript II (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) в соответствии с инструкциями производителя. Экспрессию генов измеряли с помощью системы Roche Lightcycler 480 (Rotkreuz, Швейцария) путем амплификации 1 мкл комплементарной ДНК с использованием набора Lightcycler SYBR Green I Mastermix (Roche, Penzberg, Германия) и 2.5 мкМ специфичных для генов праймеров (оперон Eurofins MWG, Эберсберг, Германия) в общем реакционном объеме 10 мкл. Используемые последовательности праймеров перечислены в таблице S2. Условия ПЦР были; 10 минут при 95 ° C, затем 50 циклов при 95 ° C в течение 10 секунд, 58–65 ° C в течение 5 секунд и 72 ° C в течение 15 секунд. Подлинность продуктов ПЦР определяли анализом кривой плавления и автоматическим секвенированием. Точку пересечения (Cp) сигналов флуоресценции использовали для расчета экспрессии целевого гена с помощью 2 ^{— ΔΔCp} , после нормализации по отношению к гену домашнего хозяйства в соответствии с ΔΔCp = ΔCp целевым геном — геном домашнего хозяйства ΔCp.Используемые гены домашнего хозяйства: β-актин (печень, желудок и гипоталамус), YWHAZ (печень и гипоталамус), 18-S (жировая ткань) и глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH) (жировая ткань и желудок). Показана относительная экспрессия гена по сравнению с группой LFD.

Статистический анализ

Данные выражены как среднее значение ± стандартная ошибка среднего (SEM). Различия между экспериментальными диетическими группами анализировали с помощью однофакторного или двустороннего дисперсионного анализа с последующими попарными сравнениями с использованием апостериорных тестов tukey или bonferroni соответственно.Траектории веса тела анализировали с помощью двустороннего дисперсионного анализа с повторными измерениями с использованием апостериорных тестов Bonferroni . Непараметрические данные сравнивали с помощью дисперсионного анализа Крускала-Уоллиса с последующими парными сравнениями Dunn ‘ s . Уровни значимости были установлены на P ≤0,05, и статистический анализ был выполнен с использованием призмы Graphpad (версия 5.04; Сан-Диего, Калифорния, США) и Minitab (версия 15; Государственный колледж, Пенсильвания, США).

Результаты

Включение WPI или увеличение соотношения P / C в HFD изменяет состав тела и аминокислоты плазмы

Рис.1A-B демонстрирует, что прирост массы тела мышей, получавших HFD-20% WPI, был аналогичен контрольным HFD. Однако было замечено, что потребление WPI оказывает специфическое влияние на состав тела, при этом мыши, получавшие HFD-20% WPI, имели повышенную безжировую массу (%) ( P < 0,05) и тенденцию к снижению жировой массы ( %) ( P = 0,08) по сравнению с контрольной группой HFD. Увеличение содержания энергии, полученной из WPI, в HFD до 40% и пропорциональное снижение содержания энергии в углеводах привело к значительному снижению прироста массы тела по сравнению со всеми другими группами HFD-WPI ( P <0.001), с наблюдаемыми значениями, аналогичными наблюдаемым для группы LFD. Это сопровождалось значительным снижением массы тела и увеличением уровня мышечной массы у мышей, получавших HFD-40% WPI, по сравнению с контрольной группой HFD и другими группами диет WPI ( P < 0,001), в то время как состав тела HFD-30% WPI группа не отличалась от группы HFD-20% WPI (рис. 1C).

Рис. 1. Влияние изолята сывороточного белка и соотношения белков и углеводов на массу и состав тела.

(A) показывает траектории массы тела мышей в течение 21 недели лечения диетой с низким содержанием жиров (LFD) 10% кДж, диетой с высоким содержанием жиров 45% кДж (HFD) или HFD с 20, 30 или 40% кДж. изолят сывороточного протеина (WPI).Также показаны прибавка массы тела (B) и состав тела (C) мышей после 21 недели на экспериментальных диетах. Данные представляют собой средние значения ± S.E.M. (n = 10 в группе). Группы, у которых нет общей буквы, значительно различаются при P < 0,05.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904.g001

Сравнение профилей аминокислот в плазме, включая те, которые могут влиять на мышечную и жировую массу, выявило влияние WPI и отношения P / C (Таблица 1 ).Специфические эффекты WPI наблюдались на глутаминовой кислоте, аспарагиновой кислоте и глицине, которые либо уменьшались (глутаминовая кислота и аспарагиновая кислота), либо увеличивались (глицин) по сравнению с мышами, получавшими HFD ( P < 0,05) (Таблица 1). Изменения в соотношении макроэлементов в HFD-40% WPI, снижение уровней гистидина, фенилаланина, серина и треонина в плазме по сравнению с самым низким соотношением P / C (20% WPI) ( P < 0,01) (Таблица 1).

WPI-обогащенный HFD нормализовал потребление энергии, одновременно увеличивая соотношение P / C, усиливая метаболизм

Накопленное потребление энергии (МДж) для диетических групп (2 клетки / группа, все с n = 5 мышами), измеренное в течение первых 16 недель, не различалось между группами LFD, HFD и HFD-20% WPI (24.73 ± 2,70 против 27,69 ± 1,54 против 29,40 ± 0,31 соответственно). Напротив, данные, собранные путем индивидуального содержания мышей в клетках TSE Phenomaster в течение 17-20 недель, продемонстрировали, что потребление энергии в группах HFD-WPI было больше, чем в контрольной группе HFD во время как светлой, так и темной фаз ( P < 0,05), будучи аналогичным группе LFD (рис. 2A). Увеличение соотношения P / C не оказало значительного влияния на совокупное потребление энергии (МДж) у мышей, получавших HFD, вплоть до 16 недели (20% WPI, 29.40 ± 0,31 против 30% WPI, 30,01 ± 0,62 против 40% WPI, 26,71 ± 0,15). Измерения потребления энергии из клеток TSE Phenomaster подтвердили эти данные (рис. 2A). Также не было значительного влияния на количество приемов пищи или размер приема пищи от изменения соотношения P / C (т.е. между группами WPI; рис. 2B – C).

Рис. 2. Влияние изолята сывороточного протеина и соотношения белков и углеводов на потребление энергии.

Потребление энергии (A) и поведение при приеме пищи (размер и количество приемов пищи) (B – C) измеряли с использованием клеток TSE Phenomaster на 17–20 неделе для мышей на диете с низким содержанием жира 10% кДж (LFD) или 45%. диета с высоким содержанием жиров (HFD) или HFD с содержанием изолята сывороточного протеина 20, 30 или 40% кДж (WPI).Экспериментальные данные, полученные от отдельных мышей с 9-минутными интервалами в течение 24 часов, показаны как средние значения ± стандартная ошибка среднего (n = 8–10 на группу) для светлой и темной фаз. В светлой и темной фазах группы, которые не имеют общей буквы, значительно различаются при P < 0,05.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904.g002

Диета HFD-20% WPI не повлияла на VO ₂ , выработку тепла, двигательную активность или коэффициент респираторного обмена (RER) по сравнению с Мышей, получавших HFD (рис.3A – D). Было обнаружено, что увеличение соотношения P / C влияет на расход энергии у мышей, получавших HFD-40% WPI, имеющих значительно повышенные уровни VO в темной фазе ₂ по сравнению с мышами, получавшими HFD-20 и 30% WPI ( P < 0,001) (Рис. 3A). Подобное изменение теплопродукции наблюдалось между группами, хотя данные были значимыми только между группами HFD-40% и HFD-30% WPI ( P < 0,05) (рис. 3B). Не было никакого влияния WPI или соотношения P / C на двигательную активность (рис. 3C). Значения RER во всех группах HFD были ниже, чем в группе LFD как в светлой, так и в темной фазе, что согласуется с повышенным метаболизмом жиров ( P <0.001) (Рис. 3D).

Рис. 3. Влияние изолята сывороточного белка и соотношения белков и углеводов на метаболическую активность.

Метаболическая активность измерялась с использованием клеток TSE Phenomaster на 17–20 неделе у мышей на диете с низким содержанием жиров (LFD) 10% кДж, диете с высоким содержанием жиров (HFD) 45% кДж или HFD с 20, 30 или 40% кДж. изолят сывороточного протеина (WPI). Экспериментальные данные для (A) потребления кислорода (VO ₂ ), (B) выработки тепла, (C) двигательной активности и (D) коэффициента дыхательного обмена (RER), собранные у отдельных мышей с 9-минутными интервалами в течение 24-часового периода. , показаны как средние значения ± SEM (n = 8–10 на группу) для светлой и темной фаз.В светлой и темной фазах группы, которые не имеют общей буквы, значительно различаются при P < 0,05.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904.g003

Исследование вышеуказанных параметров у мышей, получавших LFD с WPI или казеином в течение 7 недель (исследование 2), показало, что WPI не влияет на массу тела, энергию потребление, VO ₂ , двигательная активность или RER на фоне с низким содержанием жира (Рисунок S1A – D).

Увеличение соотношения белков и углеводов ослабляет неблагоприятное метаболическое воздействие HFD

Специфические эффекты WPI и соотношения P / C наблюдались на экспрессию генов, связанных с метаболизмом липидов, и на отложение липидов в тканях.Во-первых, снижение экспрессии мРНК синтазы жирных кислот эпидидимальной жировой ткани (FASN) при кормлении HFD было несколько ослаблено за счет заражения WPI ( P < 0,05), без дополнительных преимуществ увеличения соотношения P / C при экспрессии этого гена. (Рис. 4A). Примечательно, что экспрессия эпидидимальной мРНК ряда других генов была изменена соотношением P / C, в частности транспортером жирных кислот 1 (FATP1), бета-3-адренергическим рецептором (β3-AR), гамма-рецептором, активируемым пролифератором пероксисом (PPARγ ), разобщая белок 2 (UCP-2) и липопротеинлипазу (LPL) ( P ≤0.05) (Рис 4). В печени WPI специфически снижал уровни ТАГ (таблица 2) и экспрессию мРНК связывающего жирные кислоты белка 1 (FABP1) по сравнению с мышами, получавшими HFD (таблица 3). Наивысшее соотношение P / C (40% WPI) значительно снизило уровни мРНК кластера дифференцировки 36 (CD36) и PPARγ ( P < 0,05) (Таблица 3), резко снизило уровни ТАГ в печени по сравнению с кормлением 20/30% WPI. мышей (таблица 2), и нормализовали повышенные уровни TAG и NEFA в плазме, наблюдаемые при кормлении HFD ( P ≤0.05) (таблица 2). Наконец, уровень мРНК связанной с метаболизмом липидов карнитин-пальмитоилтрансферазы 1a-c (CPT1a-c), транспортного белка 5 жирных кислот (FATP5) и PPARα в представляющих интерес тканях не зависел от диетических проблем (таблицы 3-4). .

Рис. 4. Влияние изолята сывороточного белка и соотношения белков и углеводов на активность жировых клеток.

Экспрессию гена эпидидимальной жировой ткани исследовали на мышах через 21 неделю на диете с низким содержанием жиров (LFD) 10% кДж, диете с высоким содержанием жиров (HFD) 45% кДж или HFD с изолятом сывороточного белка 20, 30 или 40% кДж ( WPI).Относительная экспрессия мРНК показана для (A) синтазы жирных кислот (FASN), переносчика жирных кислот 1 (FATP1), кластера дифференцировки 36 (CD36), бета-3-адренергенного рецептора (β3-AR), разобщающего белка 2 (UCP-2). ), липопротеинлипаза (LPL) и карнитинпальмитолитрансфераза 1b (CPT1b), и (B) гамма-рецептор, активируемый пролифератором пероксисом (PPARγ), рецептор инсулина (IR), субстрат рецептора инсулина 1 (IRS-1), переносчик глюкозы 4 (GLUT4 ), 11β-гидроксистероиддегидрогеназа типа 1 (11β-HSD1), фактор некроза опухоли альфа (TNF-α) и кластер дифференцировки 68 (CD68).Данные представляют собой средние значения ± SEM (n = 9–10 на группу). Экспрессия гена показана относительно контрольной группы LFD, установленной на 1,00. Группы, у которых нет общей буквы, значительно различаются при P < 0,05.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904.g004

Таблица 2. Параметры тканевых липидов и уровни гормонов и метаболитов в плазме у мышей, получавших диету с низким содержанием жиров (LFD) 10% кДж и высоким содержанием 45% кДж жирная диета (HFD) или HFD с 20%, 30% или 40% кДж изолята сывороточного протеина (WPI) в течение 21 недели ¹ .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904.t002

Увеличение соотношения P / C снижает уровень глюкозы в плазме, особенно в группе 40% WPI ( P < 0,05) (Таблица 2). Параллельно снижались и значения HOMA-IR ( P < 0,05), но изменение концентрации инсулина в плазме не достигло статистической значимости (таблица 2). На клеточном уровне наивысшее соотношение P / C нормализовало вызванное HFD снижение экспрессии в жировой ткани рецептора инсулина (IR) и субстрата рецептора инсулина 1 (IRS-1) и частично предотвращало индуцированное HFD снижение переносчика глюкозы 4 ( GLUT4) (рис.4B) ( P < 0,001). В гипоталамусе WPI специфически увеличивал экспрессию мРНК IR ( P < 0,05), как и соотношение P / C, причем самое высокое соотношение P / C оказывало наибольшее влияние (Таблица 4). Экспрессия мРНК эпидидимальной жировой ткани воспалительных маркеров, а именно фактора некроза опухоли (TNF) -α и кластера дифференцировки (CD) 68, отвечала только на самое высокое соотношение P / C, что значительно снижало экспрессию обоих на фоне HF (рис. 4B) ( P < 0,001).В гипоталамусе, в то время как мРНК TNFα повышалась при кормлении HFD, ни WPI, ни соотношение P / C не влияли на его уровни, хотя наблюдалась тенденция к снижению самого высокого отношения P / C (40% WPI) (Таблица 4). Ни одна из диетических проблем не влияла на печеночный транспортер глюкозы 2 (GLUT2), экспрессию мРНК IRS-1 и TNF-α (Таблица 3) или экспрессию мРНК IRS-1 в гипоталамусе (Таблица 4).

Повышенная концентрация лептина в плазме в ответ на HFD была значительно снижена при приеме WPI с резким снижением, наблюдаемым при самом высоком соотношении P / C ( P < 0.001) (таблица 2). Тем не менее, гипоталамическая экспрессия генов, которые, как известно, реагируют на уровни лептина в плазме, не пострадала, в частности уровни мРНК рецептора лептина (ObR), проопиомеланокортина (POMC), нейропептида Y (NPY) и рецептора, стимулирующего секрецию гормона роста (GHS-R). (Таблица 4). Кроме того, экспрессия мРНК желудка для орексигенного гормона грелина существенно не различалась между всеми группами диетического лечения (1,00 ± 0,37, LFD против 1,11 ± 0,40, HFD против 0,73 ± 0,35, 20% -WPI против 0,29 ± 0,28. , 30% -WPI vs.1,07 ± 0,45, 40% -WPI). Уровни кортикостерона в плазме также повышались при кормлении HF, но не зависели от источника белка (WPI или казеин) или соотношения P / C (Таблица 2). Точно так же не было эффекта WPI на HFD-ассоциированное подавление адипозо-11β-гидроксистероиддегидрогеназы типа 1 (11βHSD1) (рис. 4B) или на индуцированное HFD увеличение глюкокортикоидного рецептора (GCCR) в гипоталамусе (таблица 4).

Включение WPI или увеличение соотношения P / C в HFD изменило состав кишечной микробиоты

Всего было сгенерировано 251 395 считываний последовательности V4 – V5 16s рРНК, что соответствует в среднем 50 279 считываний на группу рациона или 5 130 считываний на животное.Значения α-разнообразия были рассчитаны для биоразнообразия (индекс Шеннона), видового богатства (Chao1) и количества видов относительно численности в выборке (индекс разнообразия Симпсона). Когда значения α-разнообразия сравнивали по диетической группе, единственная наблюдаемая разница заключалась в значительно более высоком микробном богатстве (Chao1) в микробиоте HFD по сравнению с HFD-30% WPI ( P = 0,028). Анализ основных координат (на основе невзвешенных расстояний UniFrac) (рис. 5) данных последовательности выявил кластеризацию микробных популяций групп LFD, HFD и HFD-20% WPI, в то время как группы HFD-30% и 40% WPI сгруппированы в близкие кластеры. близость друг к другу и в отличие от групповых кластеров LFD, HFD и HFD-20% WPI.Действительно, диета LFD с казеином в качестве источника белка наиболее тесно связана с диетой HFD, содержащей казеиновый белок.

Рис. 5. Влияние изолята сывороточного белка и соотношения белков и углеводов на состав микробиоты кишечника.

Анализ главных координат (PCoA) невзвешенных расстояний Unifrac последовательностей 16srRNA, демонстрирующий, где последовательности группируются в зависимости от группы диеты. Данные были получены в результате анализа образцов фекалий, собранных у мышей, соблюдающих диету с низким содержанием жиров 10% кДж (LFD, Δ), диету с высоким содержанием жиров 45% кДж (HFD, ♦) или HFD с изолятом сывороточного белка 20% кДж (HFD-20%). WPI, ○), 30% кДж WPI (HFD-30% WPI,) или 40% кДж WPI (HFD-40% WPI, •) (n = 10).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088904.g005

Филогенетический анализ выявил несколько значительных сдвигов микробной популяции между контрольной группой HFD и группой WPI (Таблица 5). На уровне семьи во всех группах диеты WPI значительно увеличились доли Lactobacillaceae и значительно снизились доли Clostridiaceae по сравнению с контрольной группой HFD. Bifidobacteriaceae Популяции были увеличены в группах диеты HFD-20% WPI и HFD-30% WPI по сравнению с контролем HFD, в то время как, напротив, они были значительно ниже в группе HFD-40% WPI по сравнению с контролем HFD.Вышеупомянутые закономерности наблюдались также в отношении соответствующих родов ( Lactobacillus, Clostridium и Bifidobacterium соответственно) (Таблица 5). Также на уровне рода пропорции Rikenella были значительно выше в группе HFD-40% WPI по сравнению с группами HFD-20/30% WPI, тогда как доли Peptostreptococcus были значительно выше в группе HFD-40% WPI, чем в любой другой группе диеты (Таблица 5). Конкретное сравнение микробиоты HFD-20% WPI и контроля HFD было сочтено особенно важным, учитывая, что происходящие здесь изменения отражали изменения, вызванные именно присутствием в рационе сывороточного протеина, а не казеина, а не просто изменениями в рационе. соотношение P / C в рационе.В дополнение к упомянутым выше изменениям в популяциях Lactobacillus , Clostridium и Bifidobacterium (и связанных семейств), также было отмечено, что доли Desulfovibrio и Mucisprillum (род HFD) были увеличены. -20% WPI по сравнению с контрольными животными HFD.

Обсуждение

Ключевые результаты этого исследования заключаются в том, что WPI оказывает специфическое влияние на потребление энергии, вызванное HFD, метаболическое здоровье и состав микробиоты кишечника.Кроме того, за исключением потребления энергии, увеличение соотношения P / C за счет увеличения содержания WPI в рационе резко изменило вышеуказанные параметры.

Потребление энергии

Суммарное потребление энергии, измеренное до 16 недели, существенно не различается между мышами, получавшими LFD и HFD. Хотя это согласуется с данными, опубликованными в другом месте [20], также было показано, что высокочастотное кормление увеличивает или снижает потребление энергии у грызунов [32], [33]. Различия между представленными данными могут относиться к различиям в составе рациона, включая источник / состав жира, или могут быть из-за различий во вкусовых качествах LFD, использованного в качестве контроля [33], [34].

В этом исследовании было выявлено несоответствие в потреблении энергии у мышей, получавших HFD, в зависимости от условий содержания (одиночного или группового содержания). В отличие от среды группового птичника до 16 недели, мыши, получавшие HFD, когда их индивидуально содержали в метаболических клетках в течение 17-20 недель, демонстрировали гипофагический ответ по сравнению с мышами, получавшими LFD. Возможно, что эти различия могут быть связаны с точностью метода, используемого для измерения потребления пищи в группе по сравнению с мышами, содержащимися в отдельном помещении, хотя, если бы это было ошибкой из-за методологии, то это, вероятно, повлияло бы на все диетические группы в равной степени, а не просто группа HFD.С другой стороны, различные поведенческие реакции могут быть результатом социальной изоляции, которая, как было показано, снижает потребление энергии и повышает уровень кортикостерона в плазме [35], [36]. Тем не менее, социально изолированные мыши адаптируются к новой среде и потребляют такое же количество пищи, что и предварительно адаптированные мыши в индивидуальном помещении, через 6 часов после стресса новизны, но, что интересно, через 24 часа их потребление пищи снова значительно снижается в новой среде, что свидетельствует о том, что стресс социальной изоляции может длиться до 24 часов [36].Мы показали, что группа, содержащая мышей на LFD в изолированном помещении, адаптируется к новой среде и продолжает потреблять аналогичное количество пищи на 2-й и 3-й день в новом месте [8] и, следовательно, использовали временную точку 3-го дня для измерения потребления энергии. в этом исследовании. Было показано, что грызуны на HFD проявляют повышенную тревогу [37] и имеют чрезмерно активную ось гипоталамус-гипофиз-надпочечники [38], [39], что приводит к повышению уровня кортикостерона в плазме, как показано здесь. Это могло бы объяснить, почему мыши, получавшие HFD, более восприимчивы к стрессовым стимулам с более выраженным снижением потребления энергии по сравнению с аналогами, получавшими LFD, подвергавшимися таким же уровням стресса [40] — [42].Следовательно, на фоне HFD вполне возможно, что стрессовые реакции, вызванные социальной изоляцией, могли иметь большее влияние на потребление энергии с эффектами, продолжающимися до 3-дневного периода проживания, как использовалось в этом исследовании. Учитывая открытие, что сывороточные белки, такие как лактоферрин и α-лактальбумин, и сам нативный сывороточный белок снижают стресс [43] — [47], возможно, что замена казеинового белка на эквивалентное содержание WPI вызвала нормализацию потребления энергии у людей, получающих HFD. мышей, воздействуя на определенный механизм (ы), связанный с пищевым поведением, при этом повышение биоактивных веществ, полученных из белка WPI, не имеет дальнейшего эффекта.Этот эффект WPI на потребление энергии оказался специфичным для нейроэндокринного состояния, вызванного HFD, потому что мыши на LFD с WPI показали такое же потребление энергии, что и контрольные группы, получавшие казеиновую диету. Поскольку ни WPI, ни увеличение соотношения P / C не влияли на уровни кортикостерона в плазме, экспрессию 11β-HSD1 в жировой ткани или гипоталамическую экспрессию GCCR у мышей, получавших HFD, возможно, что WPI мог повлиять на другие центральные механизмы, опосредующие стрессовые реакции, не исследованные в этом исследовании. [48] ​​- [50] либо самостоятельно, либо в сочетании с ключевыми механизмами, регулирующими энергетический баланс.Учитывая, что лептин уменьшает размер и количество еды [51] — [53], а WPI снижает индуцированное HFD повышение уровня лептина в плазме, возможно, что биоактивные вещества, полученные из WPI, могли специфически влиять на циркадный ритм продукции и / или действия лептина в организме. нейроэндокринное состояние мышей, получавших HFD, в социально изолированной среде. Кроме того, снижение количества аминокислот в плазме, связанное с потреблением WPI (см. Ниже), также могло выступать в качестве возможного центрального триггера для увеличения потребления энергии в группах WPI по сравнению с контролем HFD в среде одного дома.

Было показано, что кормление

HFD вызывает прибавку в весе у крыс до продолжительности испытательного периода продолжительностью 76 недель, при этом прибавка массы тела животного реагирует на изменения содержания жира в рационе, вводимые в различные моменты времени [54]. Lin et al., [32] продемонстрировали, что мыши, находящиеся на HFD в течение 19 недель, чувствительны к внутрицеребровентрикулярному введению лептина. Эти данные предполагают, что механизмы, связанные с энергетическим балансом, способны реагировать на энергетические проблемы даже после длительного приема большого количества жиров.Высокое потребление белка в HFD подавляет потребление энергии [55], [56], хотя и не постоянно [4], [57], и в нашем исследовании соотношение P / C не повлияло на потребление энергии в любой среде обитания. Это может быть результатом количества или состава макроэлементов, используемых в тестируемых рационах. Действительно, данные испытаний на людях показали, что увеличение содержания белка в рационе (с 10/15% до 30%) снижает потребление энергии только при постоянном содержании углеводов [58], [59]. Это еще раз подчеркивает важность разработки соответствующих экспериментальных диет с правильным составом макроэлементов для выявления влияния исследуемого диетического компонента, связанного с энергетическим балансом.

Метаболическое здоровье

Замена казеинового белка эквивалентным содержанием энергии WPI (т.е. 20%) не изменяла специфически метаболическую активность, выработку тепла или двигательную активность у мышей, получавших HFD или LFD. Напротив, Acheson et al., [60] показали, что сыворотка обладает более сильным термическим эффектом, чем казеин или соя у людей. Эти различия в данных могут быть связаны с тем фактом, что в последнем исследовании изучалась только острая постпрандиальная реакция на определенную пробную еду, или это может быть связано с тем, как разные виды (люди по сравнению с мышами) переваривают и метаболизируют пищевые белки.Shetzer и др., обнаружили, что мыши, потребляющие питьевую воду с добавками HFD и WPI, имеют повышенное потребление кислорода по сравнению с мышами, пьющими воду без добавок [4]. В этом случае повышенная метаболическая активность могла возникнуть из-за повышенного потребления белка (белков из диеты и из воды с добавлением WPI). Фактически, это подтверждается данными, представленными здесь, которые показывают, что увеличение соотношения P / C привело к увеличению расхода энергии (VO ₂ и выработка тепла) и двигательной активности темной фазы, что предположительно является результатом повышенного катаболизма потребляемого пищевого белка. , в сочетании с термическими эффектами WPI по сравнению с казеином [60] и / или из-за увеличения отложения безжировой массы с содержанием WPI [61] — [63].Интересно, что Zhang et al. [64] показали, что у мышей, получавших HFD и получавших питьевую воду с добавлением лейцина, снизились уровни аспарагиновой кислоты, глутаминовой кислоты и фенилаланина в плазме натощак, а также увеличилось VO ₂ и уменьшилось ожирение по сравнению с контрольной группой HFD. Учитывая влияние лейцина на индуцированную WPI мышечную гипертрофию [65], [66] и его уникальную способность регулировать трансляцию синтеза белка [67], возможно, что повышенное содержание лейцина, обычно обнаруживаемое в диетах WPI, могло увеличиваться. синтез мышечного белка путем направления других аминокислот в сторону синтеза и / или катаболизма белка [68], [69], при этом необходимая энергия была получена, возможно, из катаболизма жира [70].В соответствии с последним предположением, мы обнаружили увеличение безжировой массы и тенденцию к снижению жировой массы за счет снижения уровней в плазме нескольких аминокислот, но не лейцина, когда казеиновый белок в HFD был заменен на WPI или когда P / Коэффициент C в HFD был увеличен.

Прием

WPI, по-видимому, вызывает тенденцию к снижению жировой массы, и в печени это проявляется в специфическом для WPI снижении уровней ТАГ, которое сопровождается подавлением экспрессии мРНК FABP1, как и ранее [4], [ 6], [71], [72].В эпидидимальной жировой ткани WPI предотвращал индуцированную HFD экспрессию гена FASN, хотя недавнее исследование показало, что WPI не влияет на вес эпидидимальной ткани у мышей, получавших HFD, а вместо этого вызывает снижение веса подкожных жировых подушечек [20] . Эти данные предполагают, что WPI влияет на клеточную активность в печени и в определенных депо жировой ткани. Хотя было высказано предположение, что сывороточный белок может способствовать усилению клиренса хиломикрона после приема пищи за счет изменения экспрессии / активности LPL [73], [74], здесь мы не обнаружили специфического влияния WPI на экспрессию LPL или уровни ТАГ в плазме, но мы это сделали. наблюдают, что потребление самого высокого соотношения P / C (40% -WPI) привело к увеличению экспрессии мРНК LPL жировой ткани, что сопровождалось значительным снижением уровней ТАГ в плазме и полным обращением генов, участвующих в накоплении липидов (PPARγ), транспорт жирных кислот (FATP1) и липолиз (β3-AR).Учитывая, что кормление HF / ожирение подавляет экспрессию мРНК β3-AR [75], наши данные предполагают повышенный липолиз адипоцитов и снижение накопления жирового TAG у мышей, получавших HFD-40% WPI. Тем не менее, эндогенный путь β-окисления, связанный с CPT1b, и путь, связанный с UCP-2, в придатковой жировой ткани, по-видимому, не затрагиваются (CTP1b) или подавляются (UCP-2) за счет повышения отношения P / C. Эти данные повышают вероятность того, что свободные жирные кислоты, образующиеся в результате потенциально повышенной доступности β3-AR в жировой ткани, могли быть перенаправлены для использования другими физиологическими процессами, активными в группе HFD-40%, что, возможно, привело к повышенной метаболической активности. (VO ₂ ) наблюдали у животных.Также стоит отметить, что WPI, как было показано, увеличивает экскрецию фекального жира по сравнению с казеином [5], что, возможно, также способствовало снижению TAG в плазме и NEFA, наблюдаемому здесь при потреблении диеты с самым высоким соотношением P / C (HFD-40% WPI).

Учитывая связь между ожирением, вызванным HFD, слабым воспалением и инсулинорезистентностью [76], [77], можно утверждать, что резкое снижение жировой массы, наблюдаемое при самом высоком соотношении P / C, может лежать в основе воздействия на маркеры воспаления. в жировой ткани (TNFα и CD68) и гипоталамусе (TNFα), наряду с одновременными изменениями экспрессии генов, участвующих в передаче сигналов инсулина (IR, IRS-1 и GLUT4 в жировой ткани, IRS-1 в печени и IR в гипоталамусе). ) и снижение уровня глюкозы в плазме у этих мышей.Об улучшении чувствительности к инсулину с помощью WPI сообщалось ранее [9], [78], но наши данные предполагают, что только повышенное соотношение P / C в HFD способствует одновременному улучшению экспрессии генов, связанных с сигнальным путем инсулина, особенно в жировой ткани. с пониженными значениями HOMA-IR.

Состав кишечной микробиоты