6 курс / Диетология и нутрициология / Понять-Кетоз-рус

ПОНЯТЬ КЕТОЗ

Крис Ирвин, бакалавр биологии и физкультуты наук, магистр нутрициологии и физкультуры

Источник: https://ketogenic.com/overview/understanding-ketosis/

Пришло время глубже изучить кетоз и понять, каков механизм этого особого метаболического состояния и почему он важен.

Чтобы получить наиболее четкое представление о кетозе и кетогенной диете, важно разобраться в физиологии, стоящей за этой диетой. Как вы помните из статьи «Что такое кетогенная диета?», цель диеты – вызвать кетоз путем увеличения количества кетонов, производимых организмом. Ключевой этап понимания диеты – изучение вопроса о том, что такое кетоз, кто такие кетоны и что они делают.

“Нормальный” Метаболизм

Изучение основ различных метаболических процессов организма поможет вам лучше понять кетоз. В нормальных физиологических условиях, наиболее распространенных в наше время, основным источником энергии для нашего тела является глюкоза. После того, как углеводы попали внутрь, они расщепляются на глюкозу и в этом виде высвобождаются в кровоток.

Это приводит к выделению инсулина поджелудочной железой. Инсулин не только замедляет окисление жиров, но также работает как ключик для клеток, позволяя глюкозе попасть из кровотока внутрь клетки с помощью транспортеров глюкозы (GLUT). Количество инсулина, требуемое для этой операции, для всех неодинаково и зависит от чувствительности человека к инсулину. После того, как молекула глюкозы оказалась внутри клетки, она подвергается гликолизу, метаболическому процессу, при котором выделяются пируваты и энергия в форме аденозинтрифосфатов (АТФ).

Пируват – конечный продукт гликолиза – транспортируется в митохондрии, где он превращается в ацетил-КоА с помощью пируватдегидрогеназы.

Ацетил-КоА затем вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, или цикл Кребса) для производства дополнительной энергии с помощью транспортной цепи электронов. Поскольку глюкоза метаболизируется в энергию довольно быстро, и время ее хранения ее ограничено, организм запасает другие энергетические субстраты, такие, как жиры, - они накапливаются в виде триглицеридов, поскольку возможность нашего тела хранить жиры практически не ограничена. Когда организм перестает получать достаточно углеводов, он адаптируется: начинает использовать гликоген (запас углеводов) и доступные аминокислоты, а также мобилизует запас жирных кислот (жиров), т.е. начинает их сжигать в процессе окисления и производства энергии. Когда процесс окисления жирных кислот идет с достаточно высокой интенсивностью, печень производит кетоновые тела.

Что такое кетоновые тела (кетоны)?

Кетоны представляют собой органические соединения, которые образуются в печени в условиях низкого уровня глюкозы в крови, снижения производства инсулина и усиления процесса окисления жирных кислот. Кетонами принято называть три разновидности молекул: бета-гидроксибутираты, ацетоацетаты и ацетон. Ацетоацетат (АцАц) и бета-гидрогсибутираты (БГБ) – это основные кетоновые тела, используемые в нашей метаболической системе. Ацетон быстро выводится через легкие и мочу. Однако ацетон не бесполезен: он может служить в качестве подщелачивающего агента, препятствующего развитию ацидоза. На молекулярном уровне БГБ, если быть точным, не является кетоновым телом, так как в его составе нет карбоновой кислоты, однако, для наших целей мы будем называть его кетоновым телом благодаря его функции в метаболическом процессе.

Когда организм производит кетоны?

Важно заметить, что есть несколько условий, при которых организм будет производить кетоновые тела. Более развернутую информацию о видах кетоза см. в статье «Какие типы кетоза существуют?». Здесь я хотел бы повторить, что производство кетонов происходит вследствие бета-окисления (расщепления жирных кислот). Следует иметь в виду, что жир, требуемый для этого процесса, может быть получен как из жировых запасов организма (триглицериды), так и из потребляемого с пищей жира. Это означает (в целях моей статьи), что мы сосредоточимся главным образом на таких вещах, приводящих к производству кетонов, как голодание и изменение рациона питания.

Голодание

Триглицериды - это жирные кислоты, состоящие из трех молекул жирных кислот и одной молекулы глицерина

В условиях дефицита топлива, например, при голодании, глюкагон (еще один гормон, выделяемый поджелудочной железой, который подавляет выделение инсулина) активирует гормон-чувствительную липазу (ГЧЛ) для инициирования процесса, называемого липолизом (мобилизация запасов триглицеридов). В процессе липолиза триглицериды (которые организм хранит в виде запасов жира) расщепляются на свободные жирные кислоты (СЖК) и глицерин, которые, в свою очередь, поступают в кровоток. СЖК транспортируются через кровь и используются для производства АТФ (энергии) многими органами, особенно сердцем, скелетными мышцами и печенью. Глицерин доставляется в печень и используется для глюконеогенеза (эндогенное производство глюкозы). По мере того, как понижается уровень глюкозы в крови, дальнейшие гормональные ответы, такие, как катехоламин и кортизол, вызывают дополнительную мобилизацию свободных жирных кислот.

Как только жирные кислоты попадают в клетку, они ацилируют кофермент А и связываются с молекулой карнитина для того, чтобы попасть внутрь митохондрии, где и будет происходить процесс бета-окисления. Бета-окисление СЖК приводит к производству ацетилированного кофермента А (ацетил-КоА), который затем вступает в цикл Кребса, в результате чего вырабатывается энергия. Когда ацетил-КоА накапливается в печени, его можно использовать для производства кетоновых тел. Этот процесс до определенной степени может происходить в течение ночного сна (человек не принимает пищу на протяжении 10-14 часов), и усиливается, если продолжить воздержание от пищи.

Изменение рациона питания

Когда мы снижаем потребление углеводов и увеличиваем потребление жира с пищей, организм также может начать производить кетоны. Это случается потому, что организму требуется топливо в условиях ограничения поступления углеводов. Вы заставляете организм переваривать и метаболизировать жиры, вместо того, чтобы отправлять их на хранение в жировые складки. Такая стимуляция процесса окисления жирных кислот ведет к выработке кетонов.

Каким образом производятся кетоновые тела?

Это довольно непростой механизм, вынуждающий на сложный научный текст, так что, если вас не интересует биохимия, можете смело пропустить этот раздел. Кетоны производятся в процессе так называемого кетогенеза, который начинается с бета-окисления жирных кислот. Таким образом, для запуска этого механизма необходимо достаточное количество жирных кислот, или, лучше сказать, необходимо иметь достаточную потребность в жирных кислотах. Такая ситуация случается в периоды низкого уровня глюкозы в крови. Когда доступность глюкозы снижается, наш организм начинает использовать гликоген (запас углеводов) в попытке повысить сахар в крови. Наш организм имеет ограниченный запас гликогена, и это означает, что как только гликоген закончится, ему нужно искать иной источник энергии. И вот тут-то на сцену выходят свободные жирные кислоты. Они либо используются различными тканями, либо направляются в печень для окисления.

Когда из цикла изъят оксалоацетат, ацетил-КоА не может вступить в цикл Кребса. Вместо этого он начинает участвовать в формировании кетоновых тел

Имейте в виду, что, несмотря на это, организм по разным причинам все еще делает попытки синтезировать глюкозу путем глюконеогенеза. Один из путей – использование оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты), промежуточного соединения в цикле Кребса. Это приводит к угасанию цикла Кребса в печени, вплоть до временной его дезактивации. Если вы помните, обычно, когда жирные кислоты подвергаются бета-окислению, они участвуют в ЦТК, однако, при теперешних условиях это невозможно. В результате в печени накапливается ацетил-КоА, который можно использовать для кетогенеза. Процесс протекает следующим образом: две молекулы ацетил-КоА превращаются в форму ацетоацетил-КоА. Затем к молекуле ацетоацетила-КоА присоединяется еще одна молекула ацетоацетила-КоА, что приводит к образованию бета-гидрокси-бета-метилглутарила-СоА, после чего последний расщепляется на ацетоуксусную кислоту и ацетил-КоА. Ацетоуксусная кислота далее может быть выведена из печени либо превратиться в БГБ (бета-гидроксибутират).

В печени отсутствуют специальные ферменты (а именно сукцинил-КоА-ацето-ацетат-КоА-трансферазы), с помощью которых она могла бы использовать кетоны, поэтому печень выводит кетоновые тела в кровоток, который, в свою очередь, несет их к периферийным тканям, называемым экстрагепатическим (т.е. вне печени). Повышение концентрации кетоновых тел в крови (0.5 – 10.0 ммоль) приводит к метаболическому состоянию, называемому «кетоз».

Что такое кетоз?

Кетоз – это метаболическое состояние, при котором концентрация кетоновых тел в крови достигает 0.5 ммоль и выше, по сравнению с обычным значением от 0 до 0.1 ммоль. Это состояние обычно сопровождается понижением уровня сахара в крови, понижением уровня инсулина, а также повышенным окислением жирных кислот; все эти факторы играют решающую роль в количественном производстве кетоновых тел. Прежде мы упоминали, что это состояние достигается, с разной степенью интенсивности, голоданием или изменением рациона питания. Также оно может быть вызвано потреблением кетоновых добавок, а кроме того – определенными заболеваниями. Об этом подробнее можно узнать в статье о разных типах кетоза: Какие типы кетоза существуют?

Как организм использует кетоны?

Процесс использования кетонов для производства энергии называется кетолиз (расщепление кетоновых тел), и он происходит в митохондриях экстрагепатических органов. Как только кетоновые тела достигли органов-мишеней, они транспортируются в клетки этих органов с помощью особых транспортеров – монокарбоксилатов (англ. аббревиатура –МСТ, не путать с маслом МСТ - middle chain triglycerides). Монокарбоксилаты в отношении кетонов выполняют ту же роль, что и транспортер GLUT для глюкозы. Как только кетоны попали в клетку, они метаболизируются с помощью ряда ферментов, в результате чего производится энергия. Если в клетку попали БГБ, то, прежде чем их можно будет использовать для выработки энергии они должны быть конвертированы обратно в ацетоацетат. Сердце, почки, центральная нервная система и скелетные мышцы используют эти ферменты наиболее активно, и именно в них метаболизируются основная часть кетонов (2).

Способность организма эффективно использовать кетоновые тела называют кето-адаптацией, и этот термин довольно противоречив. Период адаптации может зависеть от необходимости отрегулировать уровень ферментов, нужных организму для метаболизма кетоновых тел. Однако исследования показали, что некоторые ткани, например, мышцы, используют для выработки энергии свободные жирные кислоты, оставляя собственно кетоновые тела для мозга, поскольку ткани мозга не способны работать на свободных жирных кислотах (3).

С другой стороны, монокарбоксилаты в тканях мозга могут быстро адаптироваться к повышенному использованию кетоновых тел. Фактически, использование кетонов мозгам пропорционально производству кетонов до значений 12 ммоль (4). Метаболизм глюкозы в тканях мозга снижается по мере повышения концентрации глюкозы, и это дает нам основания полагать, что кетоновые тела предпочтительнее для мозга в качестве источника энергии (5).

Весь процесс кетогенеза отображен на рисунке ниже.

Зачем нам кетоз?

Как представляется из описания метаболизма кетоновых тел, процесс производства и использования кетонов довольно сложен по сравнению с метаболизмом глюкозы, поэтому иногда возникает вопрос: зачем человеку оставлена эта уникальная физиологическая способность? Ответ, думается, заключается в том, что возможность вырабатывать кетоны и переходить на альтернативное топливо необходима для нашего выживания, особенно в условиях недостатка пищи. Поскольку кетоновые тела растворимы в воде, они не только обладают способностью легче транспортироваться, но также они легче метаболизируются, а это критически важно для периодов голода и недостатка энергетических источников. Водорастворимость кетоновых тел позволяет мозгу использовать их в этих сложных условиях, что существенно для выживания.

Состояние кетоза также может принести целый спектр положительных влияний на состояние здоровья. Кроме очевидных вещей, таких, как снижение и стабилизация уровня глюкозы в крови, улучшение липидного профиля, снижение воспаления и улучшение мозговой деятельности, есть и другие, вполне типичные, следствия кетоза. Кетоз не только доказал свою эффективность в снижении веса (6,7,8), но также может положительно влиять на спортивные результаты, помогает в успешном лечении эпилепсии, болезни Паркинсона, Альцгеймера, сердечно-сосудистых заболеваниях, различных метаболических нарушениях и даже онкологии (9)!

Кето-заключение

• Существует три типа кетоновых тел: бета-гидроксибутираты, ацетоацетаты и ацетон.

• Кетоны – это дополнительный источник энергии, они производятся в результате усиления процесса окисления жирных кислот в печени.

• Kетоны используются различными тканями и органами.

• Голодание и ограничение потребления углеводов приводят к снижению показателей инсулина и глюкозы в крови, а также повышением метаболизма жирных кислот и концентрации кетоновых тел.

Ссылки

1. Cahill, G. J. (1976). Starvation in man. (Кахил Джи. Джей. (1976). Голодание и человек.)Clinics in endocrinology and metabolism, 5(2), 397-415.

2. Laffel, L. (1999). Ketone bodies: a review of physiology, pathophysiology and application of monitoring to diabetes. (Лафель Л. (1999). Кетоновые тела: обзор физиологии, патофизиологии и практики наблюдений при диабете). Diabetes/metabolism research and reviews, 15(6), 412-426.

3. Owen O. E., Reichard G. A., Jr. (1971). Human forearm metabolism during progressive starvation (Оуэн О.И., Ричард Джи.А., д-р (1971). Вспомогательный метаболизм человека при прогрессивном голодании). J. Clin. Invest. 50 1536–1545. 10.1172/JCI106639

4. Cunnane S., Nugent S., Roy M., Courchesne-Loyer A., Croteau E., Tremblay S., et al. (2011). Brain fuel metabolism, aging, and Alzheimer’s disease. (Куннэн С., Ньюджент С., Рой М., Куршесну-Лойер А., Крото Е., Трембли С. и др. (2011). Энергетический метаболизм мозга, старение и болезнь Альцгеймера). Nutrition 27 3–20. 10.1016/j.nut.2010.07.021

5. Hasselbalch S. G., Knudsen G. M., Jakobsen J., Hageman L. P., Holm S., Paulson O. B. (1995). Blood-brain barrier permeability of glucose and ketone bodies during short-term starvation in humans. (Хассельбах С.Джи., Нудсен Джи.М., Джейкосбен Джей., Хейгман Л.П., Холм С., Паулсон О.Б. (1995). Преодоление гематоэнцефалического барьера глюкозой и кетоновыми телами при краткосрочном голодании человека). Am. J. Physiol. 268(6 Pt 1), E1161–E1166.

6. Paoli, Antonio. "Ketogenic diet for obesity: friend or foe?." (Паоли Антонио. Кетогенная диета при ожирение: друг или враг?)  International journal of environmental research and public health2 (2014): 2092-2107.

7. Bueno, N. B., de Melo, I. S. V., de Oliveira, S. L., & da Rocha Ataide, T. (2013). (Буено Н.В., де Мело И.С.В., де Оливейра С.Л. и да Роша Атайде Т. (2013). Сравнение диет с очень низким содержанием углеводов и низкожировых диет при долгосрочном похудении: мета-анализ рандомизированных контролируемых исследований). Very-low-carbohydrate ketogenic diet v. low-fat diet for long-term weight loss: a meta-analysis of randomized controlled trials. British Journal of Nutrition, 110(07), 1178-1187.

8. Westman, E. C. (1999). A review of very low carbohydrate diets for weight loss. (Уэстман Е.С. (1999). Обзор диет с крайне низким содержанием углеводов в целях снижения веса).  JCOM-WAYNE PA-, 6, 36-40.

9. Veech, R. L. (2004). The therapeutic implications of ketone bodies: the effects of ketone bodies in pathological conditions: ketosis, ketogenic diet, redox states, insulin resistance, and mitochondrial metabolism. Prostaglandins, leukotrienes and essential fatty acids, 70(3), 309-319. (Вич Р.Л. (2004). Терапевтические аспекты кетоновых тел: влияние кетоновых тел в патологических условиях: кетоз, кетогенная диета, окислительно-восстановительные реакции, инсулинрезистентность и митохондриальный метаболизм).

12