כיצד פועלת התזונה

כיצד פועלת התזונה?

מנגנונים מולקולריים של תזונה ומחלות

התזונה היא אחד מגורמי הסיכון החשובים ביותר לכל סוגי המחלות. כיצד משפיע המזון על בריאותנו? במאמר זה ברצוננו לשפוך אור על כמה מנגנונים בסיסיים אשר באמצעותם משפיעה התזונה על חילוף החומרים בגופנו.

אנו עשויים ממזון

זה אולי נשמע קלישאתי, אבל זה נכון: אוכל הוא החיים. מזון ומרכיביו הם התשתית למבנה גופנו ולחילוף החומרים שלו. בלי מזון אין התפתחות, אין צמיחה, אין חום, אין תנועה, אין רבייה ואין קוגניציה.

בהשוואה לגורמי סיכון אחרים כגון עישון, חוסר פעילות גופנית או קרינת UV, התזונה היא גורם מורכב יותר. אנו צורכים סוגי מזון רבים, וכל פריט מזון עשוי מאלפי חומרים אשר משפיעים על גופנו. נוסף על כך, החומרים האלה לא פועלים בנפרד בדרך כלל, אלא בתרכובות שלכל אחת מהן יש השפעות ספציפיות משלה.

אפשר לחלק את מרכיבי המזון לשתי קבוצות: מאקרונוטריינטים ומיקרונוטריינטים.

מאקרונוטריינטים ופעולותיהם

למאקרונוטריינטים כמו חלבונים, פחמימות ושומנים יש מכנה משותף: הם מספקים לאורגניזם אנרגיה. מיקרונוטריינטים כמו מינרלים או ויטמינים ממלאים תפקיד תומך יותר בחילוף החומרים, כלומר משמשים כקופקטורים או כקואנזימים1.

פחמימות הן מקור האנרגיה העיקרי של גופנו. הן נחוצות לסינתזה של DNA  ו-RNA, ובסינרגיה עם חלבונים ושומנים, יוצרות גליקופרוטאינים וגליקוליפידים אשר מסייעים לתקשורת התאית ולמעבר אותות1.

חלבונים גם מספקים אנרגיה לגוף וגם מתפקדים כחומרי הבניין של הגוף. בתור אנזימים, הם גם משמשים כ"כלים" מולקולריים בחילוף החומרים שלנו, ולכן הם הכרחיים לכל תגובה ביוכימית. חלבונים מסוימים הם גם נוגדנים, אלמנטים חיוניים במערכת החיסון. חלבונים מבניים יוצרים את מבנה הרקמות ואת כל המורפולוגיה של גופנו. מיוזין ואקטין, שני חלבונים חשובים, דרושים לבניית השרירים ולכן ליכולת התנועה של הגוף. חלבונים נחוצים גם להובלה של מולקולות כמון חמצן או ברזל, ומשתתפים בתהליך קרישת הדם, הדרוש לעצירת דימום1.

שומנים, או חומצות שומן, הם מצבורי האנרגיה של גופנו. נוסף על כך, הם הכרחיים לספיגת ויטמינים מסיסים בשומן כגון ויטמיני E,  D, K, ו-A. הם חלק ממרכיבי קרום התא ומעטה המיאלין, ומספקים ריפוד לאברי הגוף1. ישנם סוגים רבים של חומצות שומן הנחלקים לשלוש קבוצות עיקריות: חומצות שומן רוויות, חומצות שומן חד בלתי רוויות, כגון אומגה 9 וחומצות שומן רב בלתי רוויות – אומגה 6 ואומגה 3. חומצת השומן אומגה 3 נחוצה לתפקודו של קרום התא ולסינתזה של פרוסטגלנדינים אנטי-דלקתיים3,1.

מיקרונוטריינטים ותפקידם בחילוף החומרים

מיקרונוטריינטים, כגון ויטמינים, מינרלים או פיטוכימיקלים, הם חומרים שמגיעים מהמזון, אך לא מספקים אנרגיה לגוף. הם ממלאים תפקיד בתגובות אנאבוליות וקטבוליות בחילוף החומרים. ישנם אלפים של מיקרונוטריינטים, לכן במאמר זה נוכל להזכיר רק כמה מהם ובכך להדגים רק כמה מתפקודיהם הרבים.

יוד, לדוגמה, הוא יסוד כימי הדרוש לסינתזה של הורמונים המופרשים על ידי בלוטת התריס, כגון תירוקסין ותריודוטירונין1.

ברזל הוא יסוד קורט חיוני, הנחוץ בתהליך ההמטופויזיס. הוא המרכיב העיקרי של קופקטור הם בהמוגלובין ובמיוגלובין, ולכן הוא דרוש להובלת חמצן. הוא גם מרכיב חשוב של אנזימים רבים, ומשתתף בשרשרת מעבר אלקטרונים במיטוכונדריה בעת ייצור 1ATP.

ויטמין K ממלא תפקיד מרכזי בהפעלת קרישת הדם, ומעורב במטבוליזם של העצם2,1.

מה קורה לגוף כשיש עודף או מחסור?

כפי שניתן לראות, למאקרונוטריינטים ולמיקרונוטריינטים יש תפקידים רבים מאוד, ולכן מחסור או עודף בהם עלולים להפריע לחילוף החומרים.

לדוגמה: רעב, כלומר מחסור במאקרונוטריינטים ובמיקרונוטריינטים, גורם לכיחשון (cachexia) ובסופו של דבר למוות. בילדים, תת-תזונה עלול להוביל לעיכוב גדילה.

בקנה מידה קטן יותר, תת-תזונה גורם לעייפות, אפתיה ודיכאון, ניוון שרירים, עיכוב בהגלדת פצעים, עלייה בסיכון לדלקות וירידה בתפוקת הלב.

מצבים שכיחים המיוחסים למחסור במיקרונוטריינטים הם, לדוגמה, אנמיה (שנגרמת בין השאר ממחסור בברזל, ויטמין B12, חומצה פולית), אוסטאופורוזיס (סידן, ויטמין D ועוד), זפקת או תת-תריסיות (יוד), התנוונות סאב-אקוטית של חוט השדרה (ויטמין B12, חומצה פולית), ספינה ביפידיה (חומצה פולית), התכווצויות שרירים (מגנזיום) והפרעות במערכת החיסונית (ויטמינים A, D, E; אבץ, ברזל, סלניום)5. גם מחסור בפיטוכימיקלים כמו פוליפנולים עלול להשפיע לרעה על הבריאות, ובזה נדון בהמשך.

מאידך, עודפים ברכיבי תזונה גורמים להשמנה, שמעלה את הסיכון למחלות לב וכלי דם, לסרטן ולבעיות רפואיות נוספות. צריכה עודפת של חומר מסוים, כגון חומצות שומן טרנס6, ארסן7, קדמיום8 או אלקלואידים פירוליזידינים9 גורמים להפרעות בתהליכים מטבוליים ולבעיות בריאותיות.

בחלקים הבאים נדון לעומק במנגנונים המושפעים ממזונות או סוגי תזונה שונים. לדוגמה, מעבר אותות ותקשורת תאית באמצעות הורמונים, דלקתיות וסטרס חמצוני. על שני מנגנונים חשובים נוספים, אפיגנטיקה והמיקרוביום האנושי המשפיעים בעיקר על מערכת החיסון, פירטנו בשני מאמרים אחרים הנמצאים באתר.

כיצד צריכה עודפת גורמת להפרעות מטבוליות והורמונליות?

עודף מזון גורם להשמנה10. היסטורית, זה מונח שמתאר נוכחות של כמות גדולה של רקמת שומן לבן. אצל אדם במצב של השמנה, תאי השומן מפרישים כמות רבה של חומצות שומן כתוצאה מליפוליזיס מוגבר הנובע מפעילות יתר במערכת העצבים הסימפתטית11. חומצות שומן חופשיות אלה גורמות לסטרס חמצוני ברקמות שונות, המוביל לאי-תפקוד של קולטני האינסולין, לתנגודת לאינסולין ולהיפרגליקמיה. חומצות שומן חופשיות אף מפחיתות את ניצול הגלוקוז בשרירים, דבר שמגביר את ההיפרגליקמיה12. אינסולין אמור להיות הורמון פרואתרוגני, המעודד התפתחות של מחלת לב וכלי דם14,13.

הקשר בין תזונה עודפת ומצבי בריאות שונים
הקשר בין תזונה עודפת, השמנה, עקה חמצונית (oxidative stress) ומצבים בריאותיים שונים הוא סבוך ומורכב למדי, האיור מתמקד בהיבטים המרכזיים ומתבסס על איור מתוך מאמר סקירה מאת Bee Ling Tan et al (2018)

כיצד תזונה גורמת לסרטן?

רקמת השומן מפרישה גם אדיפוקינים, המעודדים סרטן על ידי גירוי פקטור גדילה דמוי אינסולין 1 (1-IGF) והורמוני גדילה אחרים, המגבירים את התרבות והתמיינות התאים כתוצאה ממפלי אותות מיטוגניים ואנטי-אפופטוטיים16,15. 1-IGF מגביר גם היווצרות של כלי דם חדשים המעודדת סרטן17. הורמון הלפטין, אחד האדיפוקינים הנחקרים ביותר, ידוע בתכונותיו המיטוגניות, האנטי-אפופטוטיות והפרו-דלקתיות, כולן מעורבות בהתפתחות גידולים סרטניים18. לא רק רקמת שומן לבן מעודדת סרטן, אלא גם רכיבי מזון מסרטנים כמו רעלני פטריות (מיקוטוקסינים), למשל. אפלטוקסין ממזון המזוהם בעובש מתווסף ל-DNA, ובכך מעודד התפתחות של סרטן הכבד19. התרכובת Benzo[a]pyrene מצויה בעיקר בבשר צלוי20. גם המטבוליטים שלה מפריעים ל-DNA ומעודדים מוטציות וסרטן21. חוסר איזון בין אוקסידנטים לאנטיאוקסידנטים במזון עלול אף הוא למלא תפקיד בהיווצרות סרטן22, ועל כך נרחיב בפסקה הבאה.

באמצעות אילו מנגנונים גורם המזון לדלקת?

אוקסידנטים ואנטיאוקסידנטים מעורבים גם בתהליך הדלקתי, מנגנון מחלה נוסף המושפע מהתזונה. דלקת היא תגובה של התא לפציעה, והיא מתאפיינת בזרימת דם מוגברת, בחדירת לויקוציטים ובייצור מקומי של מתווכי דלקת שמטרתם לתקן את הרקמה שניזוקה23. זה המנגנון שעומד בבסיס מחלות כגון הפרעות מטבוליות, כבד שומני לא אלכוהולי, סוכרת ומחלות לב וכלי דם24.

ושוב תזונה עודפת, הגורמת בין השאר להשמנה, היא אחד הגורמים החשובים ביותר למצבים דלקתיים בגוף. רקמת שומן לבן, או ליתר דיוק מצבורי שומן סביב האיברים הפנימיים, מפרישים אדיפוקינים שמגרים ייצור של ציטוקינים כגון TNF-alpha, IL-1 ו-IL-6, אשר עלולים לגרום לדלקות מפושטות26,25. זה מנגנון נוסף שבו רקמת השומן גורמת לאי-תפקוד של תאי בטא בלבלב, להיפרגליקמיה ובסופו של דבר לסוכרת27.

לעומת זאת, מאזן אנרגיה שלילי, כמו למשל הגבלת צריכת הקלוריות, מפחית דלקתיות28.

דלקות תורמות גם להתפתחות טרשת עורקים על ידי פגיעה בתפקוד האנדותל וגרימת נזק לכלי הדם. נוסף על האדיפוקינים ועל השפעת תאי השומן על מערכת הרנין-אנגיוטנסין-אלדוסטרון29, גורם מעודד דלקת נוסף הוא סטרס חמצוני.

סטרס חמצוני הוא מצב מטבולי המתאפיין בחוסר איזון בין סוגי חמצן ריאקטיבי (ROS) לבין מולקולות אנטיאוקסידנטיות שנוגדות את הרדיקלים החופשיים. רדיקלים חופשיים עלולים לפגוע בכל מרכיבי התא, כולל חלבונים, ליפידים ו-DNA, ולכן עודף ROS הגורם לסטרס חמצוני מעורב ברוב המחלות, החל מסרטן31,30 ומחלות לב וכלי דם32, וכלה בהפרעות נוירולוגיות33 ופסיכיאטריות34. חמצון דנ"א על ידי ROS הוא אחד הגורמים העיקריים למוטציות שמעודדות סרטן35.

מולקולות פרו-אוקסידנטיות הן תוצר לוואי של הפקת אנרגיה בתהליך הנשימה התאית, אולם יש להן גם מקורות חיצוניים, כגון עישון, מתכות כבדות וחומרי הדברה36. התזונה יכולה להשפיע על ייצור מולקולות פרו-אוקסידנטיות ואנטיאוקסידנטיות. לדוגמה, צריכה מוגברת של חומצות שומן רוויות מעלה את הסטרס החמצוני, בעוד שחומצות שומן בלתי רוויות מתפקדות יותר כאנטיאוקסידנטים37.

פוליפנולים המצויים בפירות, ירקות, שוקולד מריר, תה, קפה ויין, מתפקדים כאנטיאוקסידנטים או מגבירים ביטויים של גנים אנטיאוקסידנטיים, ובכך נוגדים דלקות39,38.

לסיכום, המזון בונה את גופנו, ומרכיביו מזינים את חילוף החומרים שלנו. המזון משפיע על ה-DNA,  על כל מערכות גופנו ועל בריאותנו. מאמר זה דן רק על קצה המזלג במנגנוני המחלה הבסיסיים ובאינטראקציות שהתזונה משפיעה עליהן. נעמיק בהם עוד יותר במאמרי ההמשך על תזונה ומחלות.

לקריאת יתר הכתבות בסדרה

הכתבה תורגמה ע"י עטר אברמסון מתוך סדרת הכתבות The Power of Nutrition שבאתר הארגון הבינלאומי- PAN International. למאמר המקורי >> לחצו כאן.

  1. Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL, Gatto GJ. Biochemistry. 8th ed. New York: WH Freeman; 2015.
  2. Palermo A, Tuccinardi D, D’Onofrio L, et al. Vitamin K and osteoporosis: Myth or reality? Metab Clin Exp. 2017;70:57-71. doi:1016/j.metabol.2017.01.032
  3. Endo J, Arita M. Cardioprotective mechanism of omega-3 polyunsaturated fatty acids. J Cardiol. 2016;67(1):22-27. doi:1016/j.jjcc.2015.08.002
  4. Joshi MS, Ferguson TB, Johnson FK, Johnson RA, Parthasarathy S, Lancaster JR. Receptor-mediated activation of nitric oxide synthesis by arginine in endothelial cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2007;104(24):9982-9987. doi:1073/pnas.0506824104
  5. Calder PC. Feeding the immune system. Proc Nutr Soc. 2013;72(3):299-309. doi:10.1017/S0029665113001286
  6. Brouwer IA, Wanders AJ, Katan MB. Trans fatty acids and cardiovascular health: research completed? Eur J Clin Nutr. 2013;67(5):541-547. doi:10.1038/ejcn.2013.43
  7. Kuo C-C, Howard BV, Umans JG, et al. Arsenic Exposure, Arsenic Metabolism, and Incident Diabetes in the Strong Heart Study. Diabetes Care. 2015;38(4):620-627. doi:10.2337/dc14-1641
  8. Huang Y, He C, Shen C, et al. Toxicity of cadmium and its health risks from leafy vegetable consumption. Food Funct. 2017;8(4):1373-1401. doi:10.1039/c6fo01580h
  9. Habs M, Binder K, Krauss S, et al. A Balanced Risk-Benefit Analysis to Determine Human Risks Associated with Pyrrolizidine Alkaloids (PA)-The Case of Tea and Herbal Infusions. Nutrients. 2017;9(7). doi:10.3390/nu9070717
  10. Spiegelman BM, Flier JS. Obesity and the regulation of energy balance. Cell. 2001;104(4):531-543.
  11. Redinger RN. The Pathophysiology of Obesity and Its Clinical Manifestations. Gastroenterol Hepatol (N Y). 2007;3(11):856-863.
  12. Pan DA, Lillioja S, Kriketos AD, et al. Skeletal muscle triglyceride levels are inversely related to insulin action. Diabetes. 1997;46(6):983-988.
  13. Després JP, Lamarche B, Mauriège P, et al. Hyperinsulinemia as an independent risk factor for ischemic heart disease. N Engl J Med. 1996;334(15):952-957. doi:10.1056/NEJM199604113341504
  14. Madonna R, Pandolfi A, Massaro M, Consoli A, De Caterina R. Insulin enhances vascular cell adhesion molecule-1 expression in human cultured endothelial cells through a pro-atherogenic pathway mediated by p38 mitogen-activated protein-kinase. Diabetologia. 2004;47(3):532-536. doi:10.1007/s00125-004-1330-x
  15. Orrù S, Nigro E, Mandola A, et al. A Functional Interplay between IGF-1 and Adiponectin. Int J Mol Sci. 2017;18(10). doi:10.3390/ijms18102145
  16. Anisimov VN, Bartke A. The key role of growth hormone-insulin-IGF-1 signaling in aging and cancer. Crit Rev Oncol Hematol. 2013;87(3):201-223. doi:10.1016/j.critrevonc.2013.01.005
  17. Renehan AG, Frystyk J, Flyvbjerg A. Obesity and cancer risk: the role of the insulin-IGF axis. Trends Endocrinol Metab. 2006;17(8):328-336. doi:10.1016/j.tem.2006.08.006
  18. Lee CH, Woo YC, Wang Y, Yeung CY, Xu A, Lam KSL. Obesity, adipokines and cancer: an update. Clin Endocrinol (Oxf). 2015;83(2):147-156. doi:10.1111/cen.12667
  19. Kew MC. Aflatoxins as a cause of hepatocellular carcinoma. J Gastrointestin Liver Dis. 2013;22(3):305-310.
  20. Lee BM, Shim GA. Dietary exposure estimation of benzo[a]pyrene and cancer risk assessment. J Toxicol Environ Health Part A. 2007;70(15-16):1391-1394. doi:10.1080/15287390701434182
  21. Volk DE, Thiviyanathan V, Rice JS, et al. Solution structure of a cis-opened (10R)-N6-deoxyadenosine adduct of (9S,10R)-9,10-epoxy-7,8,9,10-tetrahydrobenzo[a]pyrene in a DNA duplex. Biochemistry. 2003;42(6):1410-1420. doi:10.1021/bi026745u
  22. Sharma A, Kaur M, Katnoria JK, Nagpal AK. Polyphenols in Food: Cancer Prevention and Apoptosis Induction. Curr Med Chem. 2018;25(36):4740-4757. doi:10.2174/0929867324666171006144208
  23. Calder PC, Ahluwalia N, Albers R, et al. A consideration of biomarkers to be used for evaluation of inflammation in human nutritional studies. Br J Nutr. 2013;109 Suppl 1:S1-34. doi:10.1017/S0007114512005119
  24. Hotamisligil GS. Inflammation and metabolic disorders. Nature. 2006;444(7121):860-867. doi:10.1038/nature05485
  25. Lafontan M. Fat cells: afferent and efferent messages define new approaches to treat obesity. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2005;45:119-146. doi:10.1146/annurev.pharmtox.45.120403.095843
  26. Calabro P, Yeh ET. Obesity, inflammation, and vascular disease: the role of the adipose tissue as an endocrine organ. Subcell Biochem. 2007;42:63-91.
  27. Kershaw EE, Flier JS. Adipose tissue as an endocrine organ. J Clin Endocrinol Metab. 2004;89(6):2548-2556. doi:10.1210/jc.2004-0395
  28. Fontana L, Meyer TE, Klein S, Holloszy JO. Long-term calorie restriction is highly effective in reducing the risk for atherosclerosis in humans. Proc Natl Acad Sci USA. 2004;101(17):6659-6663. doi:10.1073/pnas.0308291101
  29. Engeli S, Schling P, Gorzelniak K, et al. The adipose-tissue renin-angiotensin-aldosterone system: role in the metabolic syndrome? Int J Biochem Cell Biol. 2003;35(6):807-825.
  30. Halliwell B. Oxidative stress and cancer: have we moved forward? Biochemical Journal. 2007;401(1):1-11. doi:10.1042/BJ20061131
  31. Carini F, Mazzola M, Rappa F, et al. Colorectal Carcinogenesis: Role of Oxidative Stress and Antioxidants. Anticancer Res. 2017;37(9):4759-4766. doi:10.21873/anticanres.11882
  32. Siti HN, Kamisah Y, Kamsiah J. The role of oxidative stress, antioxidants and vascular inflammation in cardiovascular disease (a review). Vascul Pharmacol. 2015;71:40-56. doi:10.1016/j.vph.2015.03.005
  33. Niedzielska E, Smaga I, Gawlik M, et al. Oxidative Stress in Neurodegenerative Diseases. Mol Neurobiol. 2016;53(6):4094-4125. doi:10.1007/s12035-015-9337-5
  34. Jiménez-Fernández S, Gurpegui M, Díaz-Atienza F, Pérez-Costillas L, Gerstenberg M, Correll CU. Oxidative stress and antioxidant parameters in patients with major depressive disorder compared to healthy controls before and after antidepressant treatment: results from a meta-analysis. J Clin Psychiatry. 2015;76(12):1658-1667. doi:10.4088/JCP.14r09179
  35. Kawanishi S, Ohnishi S, Ma N, Hiraku Y, Murata M. Crosstalk between DNA Damage and Inflammation in the Multiple Steps of Carcinogenesis. Int J Mol Sci. 2017;18(8). doi:10.3390/ijms18081808
  36. Phaniendra A, Jestadi DB, Periyasamy L. Free Radicals: Properties, Sources, Targets, and Their Implication in Various Diseases. Indian J Clin Biochem. 2015;30(1):11-26. doi:10.1007/s12291-014-0446-0
  37. Vetrani C, Costabile G, Di Marino L, Rivellese AA. Nutrition and oxidative stress: a systematic review of human studies. International Journal of Food Sciences and Nutrition. 2013;64(3):312-326. doi:10.3109/09637486.2012.738651
  38. Scalbert A, Manach C, Morand C, Rémésy C, Jiménez L. Dietary polyphenols and the prevention of diseases. Crit Rev Food Sci Nutr. 2005;45(4):287-306. doi:10.1080/1040869059096
  39. Landberg R, Sun Q, Rimm EB, et al. Selected dietary flavonoids are associated with markers of inflammation and endothelial dysfunction in U.S. women. J Nutr. 2011;141(4):618-625. doi:10.3945/jn.110.133843
  40. Chun OK, Chung S-J, Claycombe KJ, Song WO. Serum C-reactive protein concentrations are inversely associated with dietary flavonoid intake in U.S. adults. J Nutr. 2008;138(4):753-760. doi:10.1093/jn/138.4.753

עוד תכנים שעשויים לעניין אותך