Re: 고단백질 식사(황제 다이어트) 대사의 이해!!

[문형철]

J Obes Metab Syndr

. 2020 Jul 23;29(3):166–173. doi: 10.7570/jomes20028

Clinical Evidence and Mechanisms of High-Protein Diet-Induced Weight Loss

Jaecheol Moon 1, Gwanpyo Koh 1,2,*

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PMCID: PMC7539343  PMID: 32699189

Abstract

Several clinical trials have found that consuming more protein than the recommended dietary allowance not only reduces body weight (BW), but also enhances body composition by decreasing fat mass while preserving fat-free mass (FFM) in both low-calorie and standard-calorie diets. Fairly long-term clinical trials of 6–12 months reported that a high-protein diet (HPD) provides weight-loss effects and can prevent weight regain after weight loss. HPD has not been reported to have adverse effects on health in terms of bone density or renal function in healthy adults. Among gut-derived hormones, glucagon-like peptide-1, cholecystokinin, and peptide tyrosine-tyrosine reduce appetite, while ghrelin enhances appetite. HPD increases these anorexigenic hormone levels while decreasing orexigenic hormone levels, resulting in increased satiety signaling and, eventually, reduced food intake. Additionally, elevated diet-induced thermogenesis (DIT), increased blood amino acid concentration, increased hepatic gluconeogenesis, and increased ketogenesis caused by higher dietary protein contribute to increased satiety. The mechanism by which HPD increases energy expenditure involves two aspects: first, proteins have a markedly higher DIT than carbohydrates and fats. Second, protein intake prevents a decrease in FFM, which helps maintain resting energy expenditure despite weight loss. In conclusion, HPD is an effective and safe tool for weight reduction that can prevent obesity and obesity-related diseases. However, long-term clinical trials spanning more than 12 months should be conducted to further substantiate HPD effects.

요약

여러 임상 연구에서 권장 식이 섭취량보다 더 많은 단백질을 섭취하는 것이

체중(BW)을 감소시킬 뿐만 아니라

저칼로리 및 표준 칼로리 식이에서 지방량을 감소시키며

지방 무지방량(FFM)을 유지함으로써 체성분을 개선한다는 것이 확인되었습니다.

6~12개월의 비교적 장기 임상 연구에서는

고단백 식이(HPD)가 체중 감량 효과를 제공하며 체중 감량 후 체중 재증가를 예방할 수 있다는 결과가

보고되었습니다.

HPD는

건강한 성인에서 골밀도나 신장 기능에 대한 건강상의 부작용이 보고되지 않았습니다.

장에서 유래한 호르몬 중

글루카곤 유사 펩티드-1(GLP-1), 콜레시스토키닌(CCK), 티로신-티로신 펩티드(PTT)는

식욕을 억제하며,

그렐린은 식욕을 촉진합니다.

HPD는

이러한 식욕 억제 호르몬 수치를 증가시키고

식욕 촉진 호르몬 수치를 감소시켜 포만감 신호를 강화하며,

결국 음식 섭취량을 감소시킵니다.

또한,

식이 유발 열생성(DIT) 증가,

혈중 아미노산 농도 증가,

간 글루코네오게네시스 증가,

식이 단백질 섭취 증가로 인한 케토제네시스 증가가

포만감 증가에 기여합니다.

식이 유발 열생성(DIT)은 식사 후 열로 소모되는 에너지로, 총 일일 에너지 소비량(EE)의 5–15%를 차지합니다. DIT의 결함이 비만에 취약성을 유발할 수 있다는 흥미로운 가능성에 대한 연구가 오랫동안 진행되어 왔습니다. 그러나 증거는 모순됩니다. DIT는 일반적으로 열을 측정하지 않는 간접 칼로리 측정법으로 측정됩니다. 가스 교환을 통해 간접 칼로리측정은 식후 총 에너지 소비량(EE)을 측정하며, 이는 갈색 지방 조직(BAT)에서 생성된 열 에너지와 영양소 처리 및 저장 과정에서 필요한 에너지로 구성됩니다. 우리는 간접 칼로리측정이 DIT를 신뢰성 있게 측정하는지 확인하기 위해 적외선 열화상법을 활용해 열생성을 독립적으로 평가했습니다. BAT의 열생성 활동은 추위와 식사에 의해 자극되었으며, 이는 에너지 생산의 병행 증가를 유발했습니다. BAT 열생성에 대한 이러한 자극 효과는 글루코코르티코이드에 의해 억제되었습니다. 그러나 글루코코르티코이드는 BAT 열생성이 감소한 상태에서도 식후 EE를 증가시켰으며, 지방 합성을 자극했습니다. EE의 증가와 지방 생성의 증가 사이에는 유의미한 상관관계가 있었습니다. 에너지(열)는 파괴될 수 없기 때문에(열역학 제1법칙), 식사 후 열로 소실될 에너지(열)는 저장으로 전환됩니다. 식후 EE는 열로 손실된 에너지(진정한 DIT)와 저장된 화학 에너지의 합입니다. 간접 칼로리 측정법은 DIT를 신뢰성 있게 측정하지 못합니다. 간접 칼로리 측정법으로 추정된 DIT는 에너지 균형의 친구나 적이 될 수 있습니다. 가스 교환에서 유래한 DIT가 열로 소실된 에너지만을 반영한다는 가정은 비만에서 DIT의 역할에 대한 상반된 결과를 설명하는 잘못된 가정일 가능성이 높습니다.

HPD가 에너지 소비를 증가시키는 메커니즘은 두 가지 측면으로 나뉩니다.

첫째,

단백질은 탄수화물과 지방에 비해 DIT가 현저히 높습니다.

둘째,

단백질 섭취는 체지방량(FFM)의 감소를 방지하여 체중 감소에도 불구하고

휴식 시 에너지 소비를 유지하는 데 도움을 줍니다.

결론적으로, HPD는 비만과 비만 관련 질환을 예방할 수 있는 효과적이고 안전한 체중 감량 도구입니다. 그러나 HPD의 효과를 더욱 확증하기 위해 12개월 이상의 장기 임상 시험이 필요합니다.

Keywords: High protein diet, Weight loss, Obesity, Satiation

INTRODUCTION

Preval‎ence of obesity around the world have increased rapidly in recent years. This phenomenon poses serious health risks because obesity can progressively cause a wide range of diseases such metabolic syndrome, non-alcoholic fatty liver disease, type 2 diabetes, and cardiovascular diseases.1 To resolve obesity, a negative energy balance, in which energy expenditure is greater than energy intake, must be encouraged. This can be achieved via an energy-restricted diet.2 However, an energy-restricted diet carries the risk of post-loss weight regain because it increases hunger and decreases fullness. Furthermore, weight loss through an energy-restricted diet reduces fat mass and fat-free mass (FFM), which hinders a continuous negative energy balance. To overcome this, lowering energy intake while maintaining fullness and FFM is crucial, and a high-protein, energy-restricted diet is one important strategy.3,4 In this review article, we examine the clinical evidence for the weight-loss effects and side effects of high-protein diet (HPD) and introduce various mechanisms through which HPD increases satiety and induces weight loss while preserving FFM.

CLINICAL OUTCOMES WITH HPD

Protein is a component of the human body, a source of energy, and an essential nutrient that facilitates growth and development. The recommended dietary allowance of protein to avoid protein deficiency in adults is 0.80 g/kg body weight (BW)/day, which translates to about 48–56 g/day and about 10%–15% of the total daily energy expenditure.5 To date, many clinical trials have attempted to regulate BW through high protein consumption more than the recommended dietary allowance (Table 1).

서론

전 세계적으로 비만 유병률은 최근 몇 년간 급속히 증가했습니다. 이 현상은 비만이 대사증후군, 비알코올성 지방간 질환, 제2형 당뇨병, 심혈관 질환 등 다양한 질환을 유발할 수 있기 때문에 심각한 건강 위험을 초래합니다.1 비만을 해결하기 위해서는 에너지 소비가 에너지 섭취보다 큰 에너지 결핍 상태를 유도해야 합니다.이는 에너지 제한 식단을 통해 달성될 수 있습니다.2 그러나 에너지 제한 식단은 배고픔을 증가시키고 포만감을 감소시켜 체중 감량 후 재발 위험을 동반합니다.

또한 에너지 제한 식단을 통한 체중 감량은

지방량과 지방 무지방량(FFM)을 감소시켜

지속적인 에너지 결핍 상태를 유지하는 데 방해가 됩니다.

이를 극복하기 위해

포만감을 유지하면서 에너지 섭취를 줄이는 것이 중요하며,

고단백 에너지 제한 식이요법은 중요한 전략 중 하나입니다.3,4

이 리뷰 논문에서는 고단백 식이요법(HPD)의 체중 감량 효과와 부작용에 대한 임상적 증거를 검토하고, HPD가 포만감을 증가시키고 체지방량을 유지하면서 체중 감소를 유도하는 다양한 메커니즘을 소개합니다.

HPD의 임상적 결과

단백질은

인체의 구성 요소이자 에너지의 원천이며,

성장과 발달을 촉진하는 필수 영양소입니다.

성인의 단백질 결핍을 방지하기 위한 권장 섭취량은

체중(BW)당 0.80g/일이며,

이는 약 48–56g/일 및 총 일일 에너지 소비량의 약 10%–15%에 해당합니다.5

현재까지 많은 임상 연구에서

권장 섭취량보다 높은 단백질 섭취를 통해 체중을 조절하려는 시도가 이루어져 왔습니다(표 1).

Table 1.

Summary of studies on HPD

VariableWycherley et al. (2012)4Santesso et al. (2012)6Skov et al. (1999)7Weigle et al. (2005)8Westerterp- Plantenga et al. (2004)9Lejeune et al. (2005)10Clifton et al. (2008)11Layman et al. (2009)12

Remark	Controlled, energy-restricted diet	Controlled, nonenergy-restricted diet	Ad libitum diet				Weight regain after initial weight loss was assessed
Study design	Meta-analysis	Meta-analysis	Randomized parallel	Single-arm trial	Randomized parallel	Randomized parallel	Randomized parallel	Randomized parallel
Protein quantity (% of total energy)
HPD	27–35	16–45	25	30	18	18	34	30
Control diet	16–21	5–23	12	-	15	15	17	15
Number	1,063	1,577	65	19	148	113	79	130
Duration (mo)	≥1	≥1	6	3	4	7	15	12
Body weight (kg)	–0.79 (–1.50 to –0.08)	–0.36 (–0.56 to –0.17)	–3.7 (–6.2 to –1.3)	–4.9± 0.5	NS	–2.9	NS	NS
BMI (kg/m2)	-	–0.37 (–0.56 to 0.19)	-	-	–0.9 –1.0	-	-
Waist circumference (cm)	-	–0.43 (–0.69 to –0.16)	-	-	–3.0 –1.7	-	-
Fat mass (kg)	–0.87 (–1.26 to –0.48)	-	–3.3 (–5.5 to –1.1)	–3.7± 0.4	–3.4	–2.6	NS	–1.7
FFM (kg)	0.43 (0.09 to 0.78)	-	-	-	NS	NS	-	NS
REE (kJ/day)	595.5 (67.0 to 1,124.1)	-	-	NS	NS	-	-	-
SBP (mmHg)	–0.21 (–0.32 to –0.09)	–0.21 (–0.32 to –0.09)	-	-	-	-	-	-
DBP (mmHg)	–0.18 (–0.29 to –0.06)	–0.18 (–0.29 to –0.06)	-	-	-	-	-	-
TC (mg/dL)	NS	NS	-	-	-	-	-	-
Triglycerides (mg/dL)	–20.3 (–29.2 to –10.6)	–45.1 (–69.0 to –21.2)	-	-	–16.6	-	NS	-
HDL-C (mg/dL)	NS	9.6 (2.7 to 16.9)	-	-	-	-	NS	-
LDL-C (mg/dL)	NS	NS	-	-	-	-	NS	-
Fasting glucose (mg/dL)	NS	NS	-	NS	NS	NS	NS	-
Fasting insulin (μIU/mL)	NS	–0.03 (–0.05 to –0.01)	-	NS	NS	NS	-	-
HbA1c (%)	-	NS	-	-	-	-	-	-
FFA (μmol/L)	-	-	-	NS	NS	NS	NS	-
C-reactive protein (mmol/L)	-	NS	-	-	-	-	-	-
Comment					52% Less weight regain, only consisting of FFM	64% Less weight regain, only consisting of FFM	Protein intake was directly related to weight loss and change. Lipids, glucose, insulin, and C-reactive protein all improved with weight loss.	For completers, the mean weight loss was 23% greater for HPD group. HPD group showed sustained favorable effects on serum triglycerides and HDL-C.

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Values are presented as mean (95% confidence interval) or mean± standard deviation.

HPD, high-protein diet; NS, not significant; BMI, body mass index; FFM, fat-free mass; REE, resting energy expenditure; SBP, systolic blood pressure; DBP, diastolic blood pressure; TC, total cholesterol; HDL-C, high-density lipoprotein cholesterol; LDL-C, low-density lipoprotein cholesterol; HbA1c, glycosylated hemoglobin; FFA, free fatty acids.

Wycherley et al.4 conducted a meta-analysis of 24 randomized controlled trials (RCTs) that compared HPD and standard-protein diet (SPD) with isocaloric, energy-restricted diets. Subjects in the HPD group consumed 1.07–1.60 g protein/kg BW/day (27%–35% of total energy intake consumed as protein), and subjects in the SPD group consumed 0.55–0.88 g/kg BW/day (16%–21% of total energy intake consumed as protein), with the two groups having a difference less than 1,250 kJ/day in total energy intake. A total of 1,063 participants were enrolled, and the mean (±standard deviation) diet duration was 12.1±9.3 weeks. Compared with subjects in the SPD group, those in the HPD group showed a significant reduction in BW (–0.79 kg; 95% confidence interval [CI], –1.50 to –0.08 kg), fat mass (–0.87 kg; 95% CI, –1.26 to –0.48 kg), and blood triglycerides (–20.3 mg/dL; 95% CI, –29.2 to –10.6 mg/dL) and a significant increase in FFM (0.43 kg; 95% CI, 0.09–0.78 kg) and resting energy expenditure (REE; 595.5 kJ/day; 95% CI, 67.0– 1,124.1 kJ/day). Santesso et al.6 conducted a meta-analysis of 74 RCTs with less than 5% difference in calorie intake between the two study groups regardless of energy restriction. Compared with subjects in the SPD group who consumed protein as 5%–23% of their daily total energy, subjects in the HPD group who consumed protein as 16%–45% of their daily total energy showed a significant decrease in BW (–0.36 kg; 95% CI, –0.56 to –0.17 kg), body mass index (–0.37 kg/m2; 95% CI, –0.56 to 0.19 kg/m2), waist circumference (–0.43 cm; 95% CI, –0.69 to –0.16 cm), and blood pressure (systolic: –0.21 mmHg; 95% CI, –0.32 to –0.09 mmHg and diastolic: –0.18 mmHg; 95% CI, –0.29 to –0.06 mmHg), but the degree of improvement was small.

Most clinical trials examining the effects of HPD used controlled diets, which were provided by the investigators. However, Skov et al.7 and Weigle et al.8 conducted clinical trials involving ad libitum diets. Skov et al.7 conducted a six-month randomized dietary intervention trial, where participants were divided into an HPD (protein as 25% of total energy intake, n=25), high-carbohydrate diet (protein as 12% of total energy intake, n=25), or control group (n=15), with fat intake set to 30% of total energy intake. Although the participants followed an ad libitum diet at designated restaurants, they were instructed to strictly adhere to the required diet composition. In contrast to other controlled feeding trials, the withdrawal rate was very low (<10%). After 6 months, participants in the high-protein group significantly lost BW (–3.7 kg; 95% CI, –6.2 to –1.3 kg) and fat mass (–3.3 kg; 95% CI, –5.5 to –1.1 kg) compared with those in the high-carbohydrate diet group. Similar results were observed in the study by Weigle et al.8 That study was a single-arm trial involving a weight-maintaining diet (15% protein, 35% fat, and 50% carbohydrate) for the first 2 weeks, an isocaloric HPD (30% protein, 20% fat, and 50% carbohydrate) for the next 2 weeks, and an ad libitum HPD (30% protein, 20% fat, and 50% carbohydrate) for the next 12 weeks. After HPD, satiety increased, while BW (–4.9± 0.5 kg) and fat mass (–3.7±0.4 kg) significantly decreased.

Some studies examined the effect of HPD on weight regain after weight loss. Westerterp-Plantenga et al.9 induced weight loss through a 4-week, very low-energy diet in 148 mildly obese participants, after which protein was additionally administered at 48.2 g/day for 3 months. The participants in the group given additional protein consumed 18% of their daily total energy as protein, while the control group consumed 15% of their daily total energy as protein. Participants in the protein group showed 50% less weight regain compared with control-group participants. Weight regain constituted FFM in the protein-group participants and fat mass in the controlgroup participants. Lejeune et al.10 also observed less weight regain in participants consuming 30 g/day of protein for 6 months (0.8 vs. 3.0 kg; P<0.05). Clifton et al.11 and Layman et al.12 compared HPD and high-carbohydrate diet for nine and 12 months, respectively, and they confirmed a correlation between protein intake and weight loss and between protein intake and fat-mass reduction, respectively.

In conclusion, many clinical trials have shown that consuming more protein than the recommended dietary allowance induces weight loss and improves body composition regardless of total energy intake. HPD was also observed to have long-term weight-loss effects and to prevent weight regain following initial weight loss.

Wycherley 등4은 등열량 에너지 제한 식이요법에서

HPD와 표준 단백질 식이요법(SPD)을 비교한

24개의 무작위 대조 시험(RCT)에 대한 메타분석을 수행했습니다.

HPD 그룹의 대상자는

체중(BW)당 1.07–1.60 g의 단백질을 하루에 섭취했으며(총 에너지 섭취량의 27%–35%가 단백질로 섭취됨),

SPD 그룹의 대상자는 0.55–0. 88g/kg 체중/일(총 에너지 섭취량의 16%–21%가 단백질로 섭취됨)을 섭취했으며,

두 그룹의 총 에너지 섭취량 차이는 1,250 kJ/일 미만이었습니다.

총 1,063명의 참가자가 등록되었으며, 평균(±표준편차) 식이 기간은 12.1±9.3주였습니다.SPD 그룹에 비해 HPD 그룹의 참가자는 체중(–0.79 kg; 95% 신뢰 구간 [CI], –1.50~–0.08 kg), 체지방량(–0.87 kg; 95% CI, –1.26~–0.48 kg), 혈중 트리글리세라이드(–20. 3 mg/dL; 95% CI, –29.2 to –10.6 mg/dL)에서 유의미한 감소를 보였으며, FFM (0.43 kg; 95% CI, 0.09–0.78 kg)과 휴식 시 에너지 소비량 (REE; 595. 5 kJ/일; 95% 신뢰구간, 67.0–1,124.1 kJ/일)이 관찰되었습니다. Santesso 등6은 에너지 제한 여부와 관계없이 두 연구 그룹 간의 칼로리 섭취량 차이가 5% 미만인 74개의 무작위 대조 시험(RCT)을 대상으로 메타분석을 수행했습니다. SPD 그룹에서 단백질을 일일 총 에너지의 5%–23%로 섭취한 대상자와 비교했을 때, HPD 그룹에서 단백질을 일일 총 에너지의 16%–45%로 섭취한 대상자는 체중(–0.36 kg; 95% 신뢰구간, –0.56––0.17 kg), 체질량 지수(–0. 37 kg/m2; 95% 신뢰구간, –0.56에서 0.19 kg/m2), 허리 둘레 (–0.43 cm; 95% 신뢰구간, –0.69에서 –0.16 cm), 혈압 (수축기: –0.21 mmHg; 95% 신뢰구간, –0.32에서 –0.09 mmHg 및 이완기:PED와 IGN 간의 연관성을 탐구하고 새로운 IGN 측정 기술을 개발하는 추가 연구는 비만과 당뇨병의 심각한 대사적 합병증을 예방하기 위한 새로운 영양학적 접근법을 식별하는 데 기여할 것입니다.

Skov 등7은 6개월간의 무작위 식이 개입 시험을 진행했으며, 참가자는 HPD 그룹(총 에너지 섭취량의 25%가 단백질, n=25), 고탄수화물 식이 그룹(총 에너지 섭취량의 12%가 단백질, n=25), 또는 대조군(n=15)으로 나누어졌으며, 지방 섭취량은 총 에너지 섭취량의 30%로 설정되었습니다. 참가자들은 지정된 식당에서 자유 섭취 식단을 따랐지만, 요구되는 식이 구성에 엄격히 준수하도록 지시받았습니다. 다른 통제된 식이 실험과 달리, 탈락률은 매우 낮았습니다 (<10%). 6개월 후, 고단백질 그룹의 참가자는 고탄수화물 식이 그룹에 비해 체중(–3.7 kg; 95% CI, –6.2~–1.3 kg)과 체지방량(–3.3 kg; 95% CI, –5.5~–1.1 kg)이 유의미하게 감소했습니다. Weigle 등8의 연구에서도 유사한 결과가 관찰되었습니다. 해당 연구는 첫 2주간 체중 유지 식이(단백질 15%, 지방 35%, 탄수화물 50%)를 실시한 후, 다음 2주간 등열량 고단백 식이(HPD, 단백질 30%, 지방 20%, 탄수화물 50%)를 실시한 단일군 시험이었습니다. 다음 2주 동안, 그리고 그 후 12주 동안 자유 섭취 HPD(단백질 30%, 지방 20%, 탄수화물 50%)를 섭취하도록 했습니다. HPD 후 포만감이 증가했으며, 체중(–4.9±0.5 kg)과 체지방량(–3.7±0.4 kg)은 유의미하게 감소했습니다.

일부 연구에서는 체중 감량 후 HPD의 체중 재증가에 대한 영향을 조사했습니다. Westerterp-Plantenga 등9은 148명의 경도 비만 참가자에게 4주간의 매우 저에너지 식이로 체중 감량을 유도한 후, 3개월 동안 하루 48.2g의 단백질을 추가로 투여했습니다. 단백질을 추가로 섭취한 그룹의 참가자는 하루 총 에너지의 18%를 단백질로 섭취했으며, 대조군은 하루 총 에너지의 15%를 단백질로 섭취했습니다. 단백질 그룹의 참가자는 대조군 참가자에 비해 체중 재증가가 50% 적었습니다. 단백질 그룹의 참가자에서 체중 재증가는 FFM으로, 대조군 참가자에서는 체지방량으로 구성되었습니다. Lejeune 등10은 6개월 동안 하루 30g의 단백질을 섭취한 참가자에서 체중 재증가가 덜 발생했음을 관찰했습니다(0.8 vs. 3.0 kg; P<0.05). Clifton 등11과 Layman 등12는 각각 9개월과 12개월 동안 고단백 식이요법(HPD)과 고탄수화물 식이요법을 비교했으며, 단백질 섭취량과 체중 감소, 단백질 섭취량과 체지방량 감소 사이에 각각 상관관계가 있음을 확인했습니다.

결론적으로, 많은 임상 연구에서 권장 식이 섭취량보다 많은 단백질을 섭취하면 총 에너지 섭취량과 무관하게 체중 감량과 체성분 개선 효과가 있음을 보여주었습니다. HPD는 초기 체중 감량 후 장기적인 체중 감량 효과와 체중 재증가 예방 효과도 관찰되었습니다.

POSSIBLE HARMFUL EFFECTS OF HPD

The benefits of HPD are well known, but there have been concerns that it may be harmful to the bones and kidneys. It has long been hypothesized that HPD increases the resorption of bones, which act as buffers, by increasing the acid load in the body,13 and some researchers argued that HPD increases risk for bone fracture and osteoporosis by accelerating bone resorption and urinary calcium excretion.14 However, a meta-analysis of 74 RCTs observed that subjects in the HPD group (16%–45% of total daily energy intake as protein) were not significantly different from low-protein-diet subjects (5%–23% of total daily energy intake as protein) with regard to bone mineral density of the lumbar spine and hips.6 Furthermore, low protein intake is generally considered a nutritional deficiency. In particular, it has been described as a factor affecting osteoporosis development in older adults.15 Hannan et al.16 reported that protein intake was negatively correlated with bone loss in their Framingham Osteoporosis Study, which prospectively examined 615 older adults over four years. There have also been concerns that HPD may deteriorate renal function by increasing the glomerular filtration rate (GFR) and inducing renal hypertrophy. However, Friedman et al.17 found no declining renal function in terms of various indicators such as GFR and albuminuria when studying the safety of HPD in 307 obese adults with normal renal function over two years (24 months). Nevertheless, they reported increased calcium level in urine with neither reduction in bone mineral density nor urolithiasis, calling for further studies. Knight et al.18 also reported no association of high protein intake with change in GFR in their prospective Nurses’ Health Study, which involved 1,624 females. They noted that GFR decreased by 1.69 mL/min per 1.73 m2 in participants with mild renal insufficiency (GFR 55–80 mL/min/ 1.73 m2) when protein intake was increased by 10 g. Overall, HPD does not lead to reduced bone mineral density. On the contrary, high protein intake can help prevent bone loss in older adults who are prone to nutritional deficiency. While HPD also does not affect renal function in healthy people, it can adversely affect renal function in people with kidney disease. There is not a clear definition of the upper limit of beneficial protein intake, but Millward19 reported in their study on energy-restricted HPD that up to 1.66 g/kg BW/ day does not pose a health hazard. Martens et al.20 and Bray et al.21 studied HPD with neutral or positive energy balance, and they reported that consuming an amount of protein that accounts for 25%–30% of the total daily energy intake for 10–12 weeks did not induce any adverse effects. However, more long-term clinical trials are required to identify a safe upper limit of HPD.

HPD의 잠재적 유해 효과

HPD의 이점은 잘 알려져 있지만, 뼈와 신장에 해로울 수 있다는 우려가 제기되어 왔습니다. HPD가 체내 산성 부하를 증가시켜 뼈의 흡수(뼈는 완충 역할을 합니다)를 증가시킨다는 가설이 오랫동안 제기되어 왔으며,13 일부 연구자들은 HPD가 뼈 흡수 가속화와 요로 칼슘 배설을 통해 골절 위험과 골다공증 위험을 증가시킨다고 주장했습니다. 14

그러나

74건의 무작위 대조 시험(RCT)을 분석한 메타분석 결과,

HPD 그룹(총 일일 에너지 섭취량의 16%–45%를 단백질로 섭취)과

저단백질 식이 그룹(총 일일 에너지 섭취량의 5%–23%를 단백질로 섭취) 사이에서

요추와 골반의 골밀도에서 유의미한 차이는 관찰되지 않았습니다.6

또한 저단백질 섭취는 일반적으로 영양 결핍으로 간주됩니다.

특히 노인에서 골다공증 발병에 영향을 미치는 요인으로 언급되어 왔습니다.15

Hannan 등16은 Framingham 골다공증 연구에서 4년간 615명의 노인 대상 전향적 연구에서 단백질 섭취량이 골 손실과 음의 상관관계를 보였다고 보고했습니다. HPD가 사구체 여과율(GFR) 증가와 신장 비대 유발을 통해 신장 기능을 악화시킬 수 있다는 우려도 제기되었습니다. 그러나 Friedman 등17은 정상 신장 기능을 가진 307명의 비만 성인에서 2년(24개월) 동안 HPD의 안전성을 연구한 결과, GFR 및 알부민뇨와 같은 다양한 지표에서 신장 기능 저하가 관찰되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 소변 칼슘 수치 증가가 보고되었으나 골밀도 감소나 요로 결석은 관찰되지 않았으며, 추가 연구가 필요하다고 강조했습니다. Knight 등18은 1,624명의 여성 대상 전향적 간호사 건강 연구에서 고단백 섭취와 GFR 변화 사이에 연관성이 없다고 보고했습니다. 그들은 경도 신장 기능 장애(GFR 55–80 mL/min/1.73 m2)를 가진 참가자에서 단백질 섭취량이 10g 증가할 때마다 GFR이 1.69 mL/min 감소했다고 지적했습니다. 전체적으로 HPD는 골밀도 감소로 이어지지 않습니다.

반면,

영양 결핍 위험이 높은 노인에서

고단백 섭취는 골 손실을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다.

HPD는 건강한 사람에서 신장 기능에 영향을 미치지 않지만,

신장 질환이 있는 사람에서는 신장 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

유익한 단백질 섭취량의 상한선에 대한 명확한 정의는 없지만, Millward19는 에너지 제한 HPD 연구에서 1.66 g/kg 체중/일 이하의 단백질 섭취는 건강 위험을 초래하지 않는다고 보고했습니다. Martens et al.20과 Bray et al.21은 중성 또는 긍정적 에너지 균형 하에서의 HPD를 연구했으며, 총 일일 에너지 섭취량의 25%–30%를 단백질로 섭취하는 것을 10–12주간 지속해도 부작용이 발생하지 않았다고 보고했습니다.

그러나

HPD의 안전한 상한선을 확인하기 위해서는

더 장기적인 임상 시험이 필요합니다.

MECHANISMS OF HPD-INDUCED WEIGHT LOSS

Dietary protein not only decreases BW by increasing satiety and energy expenditure, but also improves body composition by increasing FFM. Increased satiety from protein intake is associated with elevation of blood amino acid (AA) concentration, hunger-inhibiting hormones, diet-induced thermogenesis (DIT), and ketone body levels. While HPD induces a negative energy balance—a state of greater energy output than input—by increasing DIT and sleeping metabolic rate, low-protein diets promote a positive energy balance.22

HPD에 의한 체중 감소의 메커니즘

식이 단백질은

포만감을 증가시키고 에너지 소비를 증가시켜 체중을 감소시킬 뿐만 아니라,

근육량(FFM)을 증가시켜 체성분을 개선합니다.

단백질 섭취로 인한 포만감 증가는

혈중 아미노산(AA) 농도,

식욕 억제 호르몬,

식이 유발 열생성(DIT),

케톤체 수치 증가와 연관되어 있습니다.

HPD는

DIT와 수면 대사율을 증가시켜

에너지 소비가 에너지 섭취보다 많은 음의 에너지 균형을 유발하지만,

저단백질 식단은 양의 에너지 균형을 촉진합니다.22

Energy expenditure

HPD increases energy expenditure by increasing DIT and resting metabolism. Daily energy expenditure is divided into three elements: (1) sleeping metabolic rate or REE, (2) DIT or diet-induced energy expenditure, and (3) activity-induced energy expenditure. Protein intake generally affects DIT.2 DIT refers to the energy required for intestinal absorption of nutrients, early stages of nutrient metabolism, and nutrient storage. The total energy and protein percentage of a diet are the major determinants of DIT. In other words, DIT increases with increasing calories and protein content. DIT is known to be 0%–3% of total energy intake for fat, 5%–10% for carbohydrates, and 20%–30% for proteins.23

HPD also contributes to weight loss by preventing a decline in REE. Wycherley et al.4 performed a meta-analysis of 24 RCTs and found that, while subjects in both the HPD (1.25±0.17 g protein/ kg BW/day) and SPD (0.72±0.09 g protein/kg BW/day) groups had reduced REE, REE was higher in the HPD subjects (142 kcal/ day, 95% CI, 16–269 kcal/day). HPD is known to preserve REE by preventing lean mass loss.4

Once DIT is increased by HPD, satiety is also increased. The increased oxygen demand required to metabolize consumed protein also increases satiety.24 In a similar mechanism, people who live at high altitudes, where oxygen pressure is low, are lighter due to lower dietary intake.25

In general, dietary protein increases energy expenditure because it has a markedly higher DIT than fat and carbohydrates, and it preserves REE by preventing lean mass loss. Furthermore, increased DIT increases satiety, which also contributes to weight loss.

에너지 소비

HPD는 DIT와 휴식 대사율을 증가시켜 에너지 소비를 증가시킵니다.

일일 에너지 소비는

세 가지 요소로 나뉩니다:

(1) 수면 대사율 또는 REE,

(2) DIT 또는 식이 유발 에너지 소비,

(3) 활동 유발 에너지 소비.

단백질 섭취는

일반적으로 DIT에 영향을 미칩니다.2

DIT는

영양소의 장 흡수, 영양소 대사 초기 단계, 영양소 저장 등에 필요한 에너지를 의미합니다.

식이의 총 에너지와 단백질 비율은

DIT의 주요 결정 요인입니다.

즉, 칼로리와 단백질 함량이 증가할수록 DIT도 증가합니다.

DIT는

총 에너지 섭취량의 0%–3%로 지방,

5%–10%로 탄수화물,

20%–30%로 단백질에 해당됩니다.23

HPD는 REE의 감소 방지 통해 체중 감량에도 기여합니다. Wycherley 등4는 24개의 무작위 대조 시험(RCT)을 메타분석한 결과, HPD 그룹(1.25±0.17 g 단백질/kg 체중/일)과 SPD 그룹(0.72±0.09 g 단백질/kg 체중/일) 모두에서 REE가 감소했지만, HPD 그룹의 REE가 더 높았으며(142 kcal/일, 95% 신뢰구간, 16–269 kcal/일)이 더 높았습니다. HPD는 근육량 감소 방지 통해 REE를 유지하는 것으로 알려져 있습니다.4

HPD로 DIT가 증가하면 포만감도 증가합니다. 섭취한 단백질을 대사하기 위해 필요한 산소 수요 증가도 포만감을 높입니다.24 유사한 메커니즘으로, 산소 압력이 낮은 고지대에 사는 사람들은 식이 섭취량이 적어 체중이 가벼운 경향이 있습니다.25

일반적으로

식이 단백질은 지방과 탄수화물보다 DIT가 현저히 높아 에너지 소비를 증가시키며,

근육량 감소로 인한 REE 감소 방지 효과를 통해 REE를 유지합니다.

또한 증가한 DIT는 포만감을 증가시켜 체중 감소에 기여합니다.

Satiety hormones

To the best of our knowledge, Holt et al.26 were the first to show that dietary protein increases satiety. In their study, they rated satiety for 38 foods, and protein-rich food received the highest ratings, followed by carbohydrate-rich and fat-rich foods. They further reported that a food’s protein content was proportional to its satiety index score, while fat content was inversely proportional to satiety index score.

One of the important mechanisms of HPD-induced satiety involves elevation of the anorexigenic hormones glucagon-like peptide- 1 (GLP-1), cholecystokinin (CCK), and peptide tyrosine-tyrosine (PYY).27,28 Release of GLP-1, CCK, and PYY is stimulated by proteins that also stimulate the vagus nerve, thus reducing food intake.29 The enteroendocrine cells that secrete these anorexigenic hormones are situated at the luminal side of the gut. These cells detect nutrients in the gastrointestinal tract and release GLP-1, PYY, and CCK, which increase satiety and decrease food intake.30,31 Many clinical trials that compared the effects of HPD and SPD on the indices of appetite regulation and satiety found that HPD increased plasma PYY, GLP-1, and CCK levels, with a proportional increase in fullness and decrease in hunger sense.32,33

Ghrelin is an orexigenic hormone that induces food intake by increasing hunger, and its plasma concentration is decreased by protein intake.34 Bowen et al.35,36 found that liquid preloads containing protein rather than glucose significantly suppressed ghrelin release. In conclusion, dietary protein elevates GLP-1, CCK, and PYY levels, which are secreted in the gut and diminish appetite while also decreasing ghrelin levels, which increases appetite. Such changes in the release of satiety hormones constitute an important mechanism of HPD-induced weight loss.

포만감 호르몬

우리의 지식 범위 내에서 Holt 등26은 식이 단백질이 포만감을 증가시킨다는 것을 최초로 보여주었습니다. 그들의 연구에서 그들은 38가지 식품의 포만감을 평가했으며, 단백질 함량이 높은 식품이 가장 높은 평가를 받았고, 탄수화물 함량이 높은 식품과 지방 함량이 높은 식품이 그 뒤를 이었습니다. 그들은 또한 식품의 단백질 함량이 포만감 지수 점수와 비례하며, 지방 함량은 포만감 지수 점수와 역비례한다고 보고했습니다.

HPD에 의한 포만감의 중요한 메커니즘 중 하나는

식욕 억제 호르몬인 글루카곤 유사 펩티드-1(GLP-1), 콜레시스토키닌(CCK), 및

펩티드 티로신-티로신(PYY)의 분비 증가입니다.27,28

GLP-1, CCK, 및 PYY의 분비는

식욕 억제 호르몬을 분비하는 장내 내분비 세포인 장내 내분비 세포에 의해 자극되며,

이 세포는 식욕 억제 호르몬을 분비합니다. 29

이러한 식욕 억제 호르몬을 분비하는 장내 내분비 세포는

장의 내강 측에 위치해 있습니다.

이 세포들은 위장관에서 영양소를 감지하고

GLP-1, PYY, CCK를 분비하여 포만감을 증가시키고 식욕을 감소시킵니다.30,31

식욕 조절 및 포만감 지표에 대한 HPD와 SPD의 효과를 비교한 많은 임상 연구에서

HPD가 혈장 PYY, GLP-1, CCK 수치를 증가시키며,

이에 따라 포만감은 증가하고 배고픔 감각은 감소하는 것으로 나타났습니다.32,33

그렐린은 배고픔을 증가시켜 식욕을 자극하는 호르몬으로, 혈장 농도는 단백질 섭취로 감소합니다.34 Bowen 등35,36은 글루코스 대신 단백질을 함유한 액체 사전 섭취가 그렐린 분비를 유의미하게 억제한다는 것을 발견했습니다.

결론적으로,

식이 단백질은 장에서 분비되어 식욕을 감소시키는 GLP-1, CCK, PYY 수치를 증가시키며, 동

시에 식욕을 증가시키는 그렐린 수치를 감소시킵니다.

이러한 포만감 호르몬의 분비 변화는

HPD에 의한 체중 감량의 중요한 메커니즘을 구성합니다.

Aminostatic hypothesis

The aminostatic hypothesis, which proposes that elevated levels of plasma AAs increase satiety and, conversely, decrease the plasma AA that induces hunger, was first introduced in 1956.37 According to this hypothesis, surplus AAs not involved in the body’s protein synthesis stimulate the brain’s satiety signaling. Multiple studies reported that HPDs significantly increased plasma AA concentration38 and satiety24,39 compared with high-fat or high-carbohydrate diets. However, the aminostatic theory has recently lost support because fasting plasma AA levels are not associated with appetite, and increased plasma AA concentration following protein intake is not consistently associated with appetite.40 Future studies should more specifically examine the homeostatic mechanism that connects peripheral organs to the central nervous system, which might explain the aminostatic hypothesis.

아미노산 정적 가설

아미노산 정적 가설은 혈장 아미노산(AA) 농도가 증가하면 포만감을 증가시키고,

반대로 식욕을 유발하는 혈장 AA 농도를 감소시킨다는 가설로, 1956년에 처음 제안되었습니다.37 

이 가설에 따르면, 신체 단백질 합성에 참여하지 않는 과잉 AA는 뇌의 포만감 신호 전달을 자극합니다. 여러 연구에서 HPD가 고지방 또는 고탄수화물 식이요법과 비교해 혈장 AA 농도38 및 포만감24,39을 유의미하게 증가시켰다고 보고되었습니다. 그러나 아미노산 정적 이론은 최근 지지력을 잃고 있습니다. 왜냐하면 금식 시 혈장 아미노산 농도는 식욕과 관련이 없으며, 단백질 섭취 후 혈장 아미노산 농도 증가가 식욕과 일관되게 연관되지 않았기 때문입니다.40 향후 연구는 말초 기관과 중추 신경계를 연결하는 항상성 메커니즘을 더 구체적으로 조사해야 하며, 이는 아미노산 정적 가설을 설명할 수 있을 것입니다.

Gluconeogensis

Increased gluconeogenesis due to dietary protein is another mechanism of HPD-induced weight loss. With HPD, AAs remaining after protein synthesis are involved in an alternative pathway known as gluconeogenesis.41 HPD increases the expression‎ of phosphoenolpyruvate carboxykinase, an enzyme that initiates gluconeogenesis, and glucose-6-phosphatase, an enzyme involved in the final stages of gluconeogenesis. As such, the increased energy usage in gluconeogenesis increases energy expenditure, contributing to weight loss.42 Furthermore, the elevation of glucose as a result of gluconeogenesis and the subsequent elevation of hepatic glycogen synthesis because of increased glucose level are known to intensify the sense of satiety in the brain.42,43

글루코네오게네시스

식이 단백질에 의한 글루코네오게네시스 증가도

HPD에 의한 체중 감소의 또 다른 메커니즘입니다.

HPD에서 단백질 합성 후 남은 아미노산은 글루코네오게네시스라는 대체 경로에 참여합니다.41 HPD는 글루코네오게네시스를 시작하는 효소인 포스포엔올피루vate 카르복시키나제와 글루코네오게네시스의 최종 단계에 관여하는 효소인 글루코스-6-포스파타제의 발현을 증가시킵니다. 이로 인해 글루코네오게네시스에서의 에너지 소비 증가가 에너지 소모를 증가시켜 체중 감소에 기여합니다.42 

또한

글루코네오게네시스 결과로

증가한 글루코스 수치와 이에 따른 글루코스 수치 상승으로 인한 간 글리코겐 합성 증가가

뇌의 포만감을 강화한다는 것이 알려져 있습니다.42,43

Ketogenesis

Compared to a standard diet, high-protein and low-carbohydrate diets increase fasting blood β-hydroxybutyrate concentration. Elevated β-hydroxybutyrate concentration is known to directly increase satiety.44 Veldhorst et al.45 reported that, although carbohydrate-free HPD increased gluconeogenesis, the mechanism did not involve appetite; rather, they speculated that the elevated β-hydroxybutyrate level triggered satiety. On the other hand, some argue that HPD does not suppress appetite, but only prevents an appetite increase. In other words, one’s appetite remains the same with both energyrestricted HPD and the standard-energy medium-protein diet, but the high-protein content in HPD contributes to weight loss by preventing excessive food intake at the next meal even if the total energy intake was low.20,46

케토제네시스

표준 식이요법과 비교할 때 고단백 저탄수화물 식이요법은

공복 혈중 β-하이드록시부티레이트 농도를 증가시킵니다.

증가한 β-하이드록시부티레이트 농도는

포만감을 직접적으로 증가시키는 것으로 알려져 있습니다.44

Veldhorst 등45는 탄수화물이 없는 HPD가 글루코네오제네이스를 증가시켰지만, 이 메커니즘은 식욕과 관련이 없으며, 오히려 증가한 β-하이드록시부티레이트 수준이 포만감을 유발했다고 추측했습니다. 반면 일부 연구자들은 HPD가 식욕을 억제하지는 않지만 식욕 증가를 방지한다고 주장합니다. 즉, 에너지 제한 HPD와 표준 에너지 중간 단백질 식이요법 모두에서 식욕은 동일하지만, HPD의 고단백질 함량이 다음 식사 시 과도한 음식 섭취를 방지함으로써 체중 감소를 촉진한다는 것입니다.20,46

케톤체 d-β-하이드록시부티레이트(BHB)와 아세토아세테이트는 장기간 금식 중이나 “케토제닉” 식이요법 중 혈중 농도가 증가합니다. 케토제닉 식이요법으로 인한 체중 감소는 식욕 감소와 장 호르몬 수치 변화와 연관될 수 있지만, 이러한 변화가 혈중 케톤체 증가로 인해 발생하는지 여부는 알려지지 않았습니다. 본 연구는 외인성 케톤 에스터(KE)가 식욕에 미치는 영향을 조사했습니다. 방법 정상 체중을 가진 대상자(n = 15)는 밤새 금식 후, 부피, 맛, 농도, 색상이 일치하는 음료로 1.9 kcal/kg의 KE 또는 동등 칼로리의 데크스트로스(DEXT)를 섭취했습니다. 혈액 샘플은 BHB, 글루코스, 인슐린, 그렐린, 글루카곤 유사 펩티드 1(GLP-1), 티로신 티로신 펩티드(PYY)를 분석했으며, 식욕, 포만감, 식욕을 측정하기 위해 3단계 시각적 유사도 척도를 사용했습니다. 결과 KE 섭취는 60분 후 혈중 BHB 수치를 0.2에서 3.3 mM로 증가시켰습니다. DEXT 섭취는 30분에서 60분 사이에 혈장 포도당 수치를 증가시켰습니다. KE 섭취 후 2~4시간 후 혈장 인슐린, 그렐린, GLP-1, 및 PYY 수치는 DEXT 섭취에 비해 유의미하게 낮았습니다.그렐린 억제와 시간적으로 연관되어, KE 섭취 후 1.5시간 후 배고픔과 식욕이 DEXT 섭취와 비교해 유의미하게 억제되었습니다. 결론 혈중 케톤 수치 증가가 식욕을 직접 억제할 수 있으며, KE 음료는 혈장 그렐린 수치, 주관적 배고픔, 및 식욕을 감소시켰습니다.

CONCLUSION

Clinical trials with various designs have found that HPD induces weight loss and lowers cardiovascular disease risk factors such as blood triglycerides and blood pressure while preserving FFM. Such weight-loss effects of protein were observed in both energyrestricted and standard-energy diets and in long-term clinical trials with follow-up durations of 6–12 months. Contrary to some concerns, there is no evidence that HPD is harmful to the bones or kidneys. However, longer clinical trials that span more than one year are required to examine the effects and safety of HPD in more depth.

The mechanism underlying HPD-induced weight loss involves an increase in satiety and energy expenditure. Increased satiety is believed to be a result of elevated levels of anorexigenic hormones, decreased levels of orexigenic hormones, increased DIT, elevated plasma AA levels, increased hepatic gluconeogenesis, and increased ketogenesis from the higher protein intake. Protein is known to increase energy expenditure by having a markedly higher DIT than carbohydrates and fat, and increasing protein intake preserves REE by preventing FFM decrease (Fig. 1).

결론

다양한 설계의 임상 시험에서 HPD는 체지방량(FFM)을 유지하면서 체중 감소를 유도하고 혈중 트리글리세라이드와 혈압 등 심혈관 질환 위험 요소를 감소시키는 것으로 나타났습니다. 이러한 단백질의 체중 감량 효과는 에너지 제한 식이와 표준 에너지 식이 모두에서 관찰되었으며, 6~12개월의 추적 기간을 가진 장기 임상 시험에서도 확인되었습니다. 일부 우려와 달리, HPD가 뼈나 신장에 해로운 영향을 미친다는 증거는 없습니다. 그러나 HPD의 효과와 안전성을 더 깊이 조사하기 위해 1년 이상 지속되는 장기 임상 시험이 필요합니다.

HPD에 의한 체중 감량의 메커니즘은 포만감 증가와 에너지 소비 증가에 기인합니다. 포만감 증가는 식욕 억제 호르몬 수치 증가, 식욕 촉진 호르몬 수치 감소, DIT 증가, 혈장 아미노산(AA) 수치 증가, 간 글루코네오제네시스 증가, 고단백 섭취로 인한 케토제네시스 증가로 인해 발생한다고 추정됩니다. 단백질은 탄수화물과 지방보다 DIT가 현저히 높아 에너지 소비를 증가시키며, 단백질 섭취 증가로 FFM 감소(그림 1)를 방지하여 REE를 유지합니다.

Figure. 1.

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Schematic of the proposed high-protein diet-induced weight loss mechanism. ↑, increase; ↓, decrease; FFM, fat-free mass; DIT, diet-induced thermogenesis; GLP-1, glucagon-like peptide-1; CCK, cholecystokinin; PYY, peptide tyrosine-tyrosine; AA, amino acid; REE, resting energy expenditure.

In conclusion, HPD is a safe method for losing weight while preserving FFM; it is thought to also prevent obesity and obesity-related diseases, such as metabolic syndrome, non-alcoholic fatty liver disease, type 2 diabetes, and cardiovascular diseases.

ACKNOWLEDGMENTS

This work was supported by the 2020 education, research, and student guidance grant, funded by Jeju National University.

Footnotes

CONFLICTS OF INTEREST

The authors declare no conflict of interest.

AUTHOR CONTRIBUTIONS

Study concept and design: GK; acquisition of data: all authors; analysis and interpretation of data: all authors; drafting of the manuscript: JM; critical revision of the manuscript: GK; obtained funding: GK; administrative, technical, or material support: GK; and study supervision: GK.

REFERENCES

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