Глюкоза vs кетоны
Каждая клетка нашего тела постоянно производит энергию. Источников топлива у неё два основных: глюкоза и жиры, а из жиров печень делает кетоны. От того, на чём мы работаем большую часть времени, зависит многое: уровень инсулина, окислительный стресс, воспаление и, возможно, скорость старения.
Энергия клетки в двух словах
Всё, что мы едим, в итоге служит одной цели: зарядить молекулу АТФ. Это универсальная «батарейка» клетки. Почти весь АТФ производится в митохондриях, маленьких энергетических станциях внутри клеток.
В митохондрии работает цикл Кребса. На входе у него одна молекула: ацетил-КоА. Неважно, откуда она пришла, из глюкозы или из жира. Разница в том, какой путь проходит топливо до этой точки и что происходит по дороге.
Путь глюкозы
- Гликолиз. В цитоплазме клетки глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата. Это даёт всего 2 АТФ, зато быстро и без кислорода.
- Вход в митохондрию. Пируват превращается в ацетил-КоА с помощью фермента пируватдегидрогеназы.
- Цикл Кребса и дыхательная цепь. Здесь вырабатывается основная энергия. В сумме из одной молекулы глюкозы получается около 30–32 АТФ.
Глюкоза хороша для быстрых нагрузок: спринт, тяжёлая тренировка. Эритроциты вообще не имеют митохондрий и живут только на глюкозе. Поэтому организм поддерживает её уровень в крови всегда, даже если мы не едим углеводов.
Путь жиров и кетонов
Жирные кислоты расщепляются в митохондриях на ацетил-КоА путём бета-окисления. Так работает сердце, мышцы в покое, печень. Но жирные кислоты плохо проходят в мозг. Для мозга печень делает особое топливо.
- Кетогенез. Когда инсулин низкий, печень превращает избыток ацетил-КоА в ацетоацетат, а затем в β-гидроксибутират (βHB). Ключевой фермент здесь HMG-CoA-синтаза 2.
- Экспорт. Сама печень кетоны не использует: у неё нет фермента SCOT, который нужен для их расщепления. Всё, что она делает, отправляется в кровь для других органов.
- Использование. Мозг, сердце, мышцы, почки забирают βHB, превращают обратно в ацетил-КоА и сжигают в цикле Кребса.
В классических исследованиях голодания Джорджа Кэхилла мозг человека получал из кетонов до 60–70% своей энергии. Оставшуюся глюкозу печень производит сама из глицерина, аминокислот и лактата. Этот процесс называется глюконеогенезом.
Отсюда важный вывод: незаменимых углеводов не существует. Есть незаменимые аминокислоты и незаменимые жирные кислоты, а глюкозу тело умеет синтезировать. Это признаёт и Институт медицины США в своих нормах потребления.
Инсулин — главный переключатель
Какое топливо будет основным, решает гормон инсулин. Он работает как переключатель между режимами «запасать» и «сжигать».
- Инсулин высокий (после углеводной еды): клетки забирают глюкозу, жир запасается, распад жира и кетогенез заблокированы.
- Инсулин низкий (мало углеводов или голод): жировая ткань отдаёт жирные кислоты, печень делает кетоны, организм работает на жире.
Большинство людей в современном мире почти всё время живут в первом режиме. Еда с углеводами пять-шесть раз в день держит инсулин повышенным, и ко второму режиму тело доступа почти не имеет. Метаболическая гибкость теряется.
Почему кетоны называют «чистым» топливом
Здесь начинается самое интересное. Окисление любого топлива в митохондриях сопровождается утечкой электронов. Из них образуются активные формы кислорода, свободные радикалы. В малых количествах это нормальные сигналы, в больших повреждают ДНК, белки и мембраны. Это окислительный стресс.
Эффективность. Биохимик Ричард Вич показал, что при сжигании кетонов митохондрии работают в более «выгодном» режиме: энергия, запасаемая в каждой молекуле АТФ, выше, а утечка электронов в дыхательной цепи меньше. В опытах на изолированном сердце крысы добавление кетонов увеличивало работу сердца примерно на четверть при меньшем расходе кислорода.
βHB как сигнальная молекула. β-гидроксибутират не только топливо. Он ингибирует ферменты HDAC и тем самым включает гены антиоксидантной защиты, в том числе FOXO3a и металлотионеин (Шимазу и соавторы, Science, 2013). Он также блокирует NLRP3-инфламмасому, один из главных механизмов хронического воспаления (Юм и соавторы, Nature Medicine, 2015).
Цена высокой глюкозы. Когда глюкозы в клетке слишком много, запускаются несколько повреждающих путей: гликирование белков, полиоловый путь, активация протеинкиназы C, гексозаминовый путь. Майкл Браунли описал их как единый механизм осложнений диабета: все они запускаются избыточной выработкой свободных радикалов в митохондриях на фоне высокой глюкозы.
Сравнение двух топлив
| Глюкоза | Кетоны (βHB) | |
|---|---|---|
| Откуда берётся | Углеводы еды, гликоген, синтез в печени | Жир из еды и жировой ткани, через печень |
| Когда доминирует | Инсулин высокий | Инсулин низкий |
| Скорость | Быстрая энергия, работает без кислорода | Только в митохондриях, нужен кислород |
| Кто без неё не может | Эритроциты, частично мозг | Никто, но мозг и сердце используют охотно |
| Побочные эффекты избытка | Гликирование, окислительный стресс | При отсутствии инсулина возможен кетоацидоз |
| Сигнальная роль | Через инсулин: рост, запасание | HDAC, NLRP3, рецептор HCAR2: защита, меньше воспаления |
Пищевой кетоз и кетоацидоз — не путать
Слово «кетоны» многих пугает, потому что врачи ассоциируют его с диабетическим кетоацидозом. Это два разных состояния.
- Пищевой кетоз: βHB в крови 0,5–3 ммоль/л. Инсулин есть, он низкий, но работает как тормоз и не даёт кетонам подняться слишком высоко. Кровь остаётся нормально кислотной.
- Кетоацидоз: кетоны поднимаются до 10 ммоль/л и выше, кровь закисляется. Это случается только тогда, когда инсулина в теле почти нет совсем. У здорового человека с работающей поджелудочной железой пищевой кетоз в кетоацидоз не переходит.
Беременность и кормление. У беременных кетоны при голодании поднимаются быстрее обычного, физиологи называют это «ускоренным голоданием». Описаны и редкие случаи кетоацидоза у кормящих женщин на очень низкоуглеводном питании. Поэтому в эти периоды мы особенно внимательны к достаточному количеству еды. Подробно разберём на странице про беременность.
Что происходит при переходе
Перестройка с одного топлива на другое занимает время. В первые дни запасы гликогена уходят, а вместе с ними вода. Низкий инсулин заставляет почки выводить больше натрия, а за ним калий и магний. Отсюда «кето-грипп»: усталость, головная боль, слабость. Это не отравление кетонами, а в первую очередь нехватка электролитов, и соль с водой обычно быстро помогают.
Полная адаптация, когда мышцы привыкают жечь жир, а мозг кетоны, занимает от нескольких недель до пары месяцев.
Физиологическая инсулинорезистентность. На низкоуглеводном питании мышцы начинают «беречь» глюкозу для мозга и эритроцитов и меньше её забирают. Глюкоза натощак может быть немного выше, чем раньше, а стандартный глюкозотолерантный тест покажет плохой результат, если перед ним не съесть углеводы в течение нескольких дней. Это не болезнь, а адаптация, но о ней стоит знать перед анализами.
Итог. Что мы выбираем
Глюкоза не враг. Это быстрое топливо, необходимое для отдельных клеток и интенсивных нагрузок, и тело всегда обеспечит её само. Проблема современного рациона в том, что мы живём на ней постоянно и в избытке.
Мы выбираем жир и кетоны как основное топливо, а глюкозу как дополнительное. Так, как, по всей видимости, работал наш организм большую часть своей истории.
Открытый вопрос. Механизмы снижения окислительного стресса и воспаления показаны в клетках и на животных. Насколько они замедляют старение человека за десятилетия, прямо пока никто не измерил.
Ключевые источники
- Cahill G. Fuel metabolism in starvation. Annual Review of Nutrition, 2006.
- Owen O. et al. Brain metabolism during fasting. Journal of Clinical Investigation, 1967.
- Veech R. The therapeutic implications of ketone bodies. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids, 2004.
- Sato K. et al. Insulin, ketone bodies, and mitochondrial energy transduction. FASEB Journal, 1995.
- Shimazu T. et al. Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate, an endogenous histone deacetylase inhibitor. Science, 2013.
- Youm Y. et al. The ketone metabolite β-hydroxybutyrate blocks NLRP3 inflammasome-mediated inflammatory disease. Nature Medicine, 2015.
- Brownlee M. The pathobiology of diabetic complications: a unifying mechanism. Diabetes, 2005.
- Institute of Medicine. Dietary Reference Intakes for Energy, Carbohydrate, Fiber, Fat, Fatty Acids, Cholesterol, Protein, and Amino Acids, 2005.
- Freinkel N. Banting Lecture: Of pregnancy and progeny. Diabetes, 1980.