[LadyTA]

Metabolic Effects of the Very-Low-Carbohydrate Diets: Misunderstood "Villains" of Human Metabolism
Anssi H Manninen1
(Метаболические эффекты очень низкоуглеводных диет: неправильно понятые «злодеи» метаболизма человека)
При очень низком потреблении углеводов регулируемое и контролируемое производство кетоновых тел вызывает безвредное физиологическое состояние, известное как диетический кетоз. Кетоновые тела поступают из печени в другие ткани (например, головной мозг) для использования в качестве топлива; Это экономит метаболизм глюкозы через механизм, подобный сбережению глюкозы окислением жирных кислот в качестве альтернативного топлива. По сравнению с глюкозой, кетоновые тела на самом деле являются очень хорошим респираторным топливом. Действительно, нет четких требований к пищевым углеводам для взрослых людей. Интересно, что эффекты метаболизма кетоновых тел говорят о том, что мягкий кетоз может предлагать терапевтический потенциал во множестве различных общих и редких болезненных состояний. Кроме того, недавнее знаковое исследование показало, что диета с очень низким содержанием углеводов привела к значительному снижению жировой массы и сопутствующему увеличению мышечной массы тела у мужчин с нормальным весом. Вопреки распространенному мнению, инсулин не нужен для усвоения и использования глюкозы у человека. Наконец, как мышечный жир, так и углевод горят в пламени аминокислот.
Введение
По данным Комитета по питанию Американской кардиологической ассоциации (AHA): «Некоторые популярные диеты с высоким содержанием белка / низким содержанием углеводов ограничивают количество углеводов до 10-20 г / день, что составляет одну пятую от минимальной 100 г / сут, что необходимо для предотвращения потери Мышечной ткани [St Jeor ST, Howard BV, Prewitt E, et al. Dietary protein and weight reduction: A statement for health care professionals from the Nutrition Committee of the Council on Nutrition, Physical Activity, and Metabolism of the American Heart Association. Circulation. 2001;104:1869–1874. doi: 10.1161/hc4001.096152. [PubMed] [Cross Ref]] ». Ясно, что это неверное утверждение, так как катаболизм мышечной массы тела снижается кетоновыми телами (возможно, за счет подавления активности дегидрогеназы 2-оксокислот с разветвленной цепью), что и, вероятно, объясняет сохранение мышечной ткани при изкоуглеводных диетах. К сожалению, ведущий учебник по спортивной физиологии также утверждает, что «низкоуглеводная диета создает почву для значительной потери мышечной ткани, поскольку организм рекрутирует аминокислоты из мышц для поддержания глюкозы в крови посредством глюконеогенеза» [McArdle WD, Katch FI, Katch VL. Exercise Physiology: Energy, Nutrition and Human Performance. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins; 2001. ]. Сейчас, безусловно, хороший момент, чтобы скорректировать эти неверные утверждения.
Кетоновые тела являются важным топливом
Гормональные изменения, связанные с низким содержанием углеводов, включают снижение уровня циркулирующего инсулина и повышение уровня глюкагона. Это активирует фосфоенолпируват карбоксикиназу, 1,6-бифосфатазу фруктозы и 6-фосфатазу глюкозы, а также ингибирует пируваткиназу, 6-фосфофрукто-1-киназу и глюкокиназу. Эти изменения действительно способствуют глюконеогенезу.
Однако организм ограничивает использование глюкозы, чтобы уменьшить потребность в глюконеогенезе. В печени в сытом состоянии ацетил СоА, образующийся при β-окислении жирных кислот, окисляется до CO2 и H2O в цикле лимонной кислоты. Однако, когда скорость мобилизации жирных кислот из жировой ткани ускоряется, как, например, при очень низком потреблении углеводов, печень превращает ацетил СоА в кетоновые тела: ацетоацетат и 3-гидроксибутират. Печень не может использовать кетоновые тела, поскольку в ней отсутствует митохондриальный фермент сукцинил СоА: 3-кетокислотная СоА-трансфераза, необходимая для активации ацетоацетата в ацетоацетил СоА [Goodridge AG, Sul HS. Lipid metabolism – Synthesis and oxidation. In: Stipanuk MH, editor. Biochemical and Physiological Aspects of Human Nutrition. Philadelphia, PA: W.B. Saunders Company; 2000. pp. 305–350.]. Поэтому кетоновые тела переходят из печени в другие ткани организма (например, головной мозг) для использования в качестве топлива; Это экономит метаболизм глюкозы через механизм, подобный сбережению глюкозы окислением жирных кислот в качестве альтернативного топлива. Действительно, использование кетоновых тел заменяет большую часть глюкозы, требуемой мозгом. Не все аминокислоты углерода будут давать глюкозу; В среднем для синтеза 1 г глюкозы требуется 1,6 г аминокислот [Watford M, Goodridge AG. Regulation of fuel utilization. In: Stipanuk MH, editor. Biochemical and Physiological Aspects of Human Nutrition. Philadelphia, PA: W.B. Saunders Company; 2000. pp. 384–407.]. Таким образом, чтобы мозг получал глюкозу со скоростью 110-120 г / день, потребовалось бы расщепление от 160 до 200 г белка (около 1 кг мышечной ткани). Это явно нежелательно, и организм ограничивает использование глюкозы, чтобы уменьшить потребность в глюконеогенезе и таким образом сохранить мышечную ткань. По сравнению с глюкозой, кетоновые тела являются очень хорошим респираторным топливом.

В то время как 100 г глюкозы генерирует 8,7 кг АТФ, 100 г 3-гидроксибутирата могут давать 10,5 кг АТФ, а 100 г ацетоацетата - 9,4 кг АТФ [Salway JG. Metabolism at a Glance. Oxford: Blackwell Science; 1999.]. Мозг будет использовать кетоновые тела всякий раз, когда они им предоставляются (т. Е. Когда уровень кетоновых тел повышается). Транспортер гематоэнцефалического барьера для кетоновых тел индуцируется во время голодания или очень низкого потребления углеводов, что также способствует протеканию кетоновых тел [Fernstrom JD, Fernstrom MH. Nutrition and the brain. In: Gibney MJ, Macdonald IA, Roche HM, editor. Nutrition & Metabolism. Oxford, UK: Blackwell Science; 2003. pp. 145–167.]. Этот транспортер имеет Km, превышающий концентрации циркулирующих кетоновых тел, которые возникают во время голодания или очень низкого потребления углеводов, и Vmax, который превышает потребности в энергии [Fernstrom JD, Fernstrom MH. Nutrition and the brain. In: Gibney MJ, Macdonald IA, Roche HM, editor. Nutrition & Metabolism. Oxford, UK: Blackwell Science; 2003. pp. 145–167.]. Поэтому доставка кетонового тела в мозг никогда не будет ограничена этим транспортером. Однако, использование некоторого количества глюкозы организмом представляется обязательным и обеспечивается путем печеночного глюконеогенеза. Наконец, из-за инактивации пируватдегидрогеназы (по низкой концентрации инсулина) глюкоза, которая используется тканями за пределами мозга, в основном лишь частично расщепляется до пирувата и лактата, которые затем могут рециркулироваться в глюконеогенезе печени [Frayn KN, Akanji AO. Intergration of metabolism 3: Macronutrients. In: Gibney MJ, Macdonald IA, Roche HM, editor. Nutrition & Metabolism. Oxford, UK: Blackwell Science; 2003. pp. 74–95.]. Таким образом, эритроциты, например, которым необходима глюкоза, не истощают количество глюкозы. Интересно, что Volek et al. Недавно сообщили, что диета с очень низким содержанием углеводов привела к значительному снижению жировой массы и сопутствующему увеличению мышечной массы тела у мужчин с нормальным весом [Volek JS, Sharman MJ, Love DM, et al. Body composition and hormonal responses to a carbohydrate-restricted diet. Metabolism. 2002;51:864–870. doi: 10.1053/meta.2002.32037. [PubMed] [Cross Ref]].Они предположили, что повышенные концентрации β-гидроксибутирата могли играть незначительную роль в предотвращении катаболизма нежировой ткани, но, вероятно, были задействованы другие анаболические гормоны (например, гормон роста).
Диабетический кетоацидоз против диетического кетоза
Пациенты с диабетом знают, что обнаружение в моче кетоновых тел является сигналом опасности, что их диабет плохо контролируется. Действительно, при тяжелом неконтролируемом диабете, если кетоновые тела вырабатываются в массивных сверхнормальных количествах, они связаны с кетоацидозом [Salway JG. Metabolism at a Glance. Oxford: Blackwell Science; 1999. ]. В этом опасном для жизни осложнении сахарного диабета кислоты 3-гидроксимасляная кислота и ацетоуксусная кислота быстро производятся, вызывая высокие концентрации протонов, которые переполняют кислотную буферную систему организма. Однако при очень низком потреблении углеводов регулируемое и контролируемое производство кетоновых тел вызывает безвредное физиологическое состояние, известное как диетический кетоз. При кетозе pH крови остается буферным в пределах нормы [Salway JG. Metabolism at a Glance. Oxford: Blackwell Science; 1999. ]. Кетоновые тела оказывают влияние на секрецию инсулина и глюкагона, которые потенциально способствуют контролю скорости их собственного образования из-за антилиполитических и липолитических гормонов, соответственно [Zammit VA. Handbook of Physiology – Section 7: The Endocrine System – Volume II : The Endocrine Pancreas and Regulation of Metabolism. Oxford: Oxford University Press; 2001. Regulation of ketogenesis in liver; pp. 659–673.]. Кетоны также оказывают прямое ингибирующее действие на липолиз в жировой ткани [Björntorp P. Effect of ketone bodies on lipolysis in adipose tissue in vitro. J Lipid Res. 1966;7:621–626. [PubMed]].
Интересно, что эффекты метаболизма кетоновых тел говорят о том, что мягкий кетоз может предлагать терапевтический потенциал в самых разных общих и редких болезненных состояниях [Veech RL. 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 Leukot Essent Fatty Acids. 2004;70:309–19. doi: 10.1016/j.plefa.2003.09.007. [PubMed] [Cross Ref]]. Большие категории заболеваний, для которых кетоны могут иметь терапевтический эффект, это: 1) заболевания субстратной недостаточности или резистентности к инсулину; 2) заболевания, вызванные повреждением свободными радикалами; И 3) заболевание, являющееся следствием гипоксии [Veech RL. 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 Leukot Essent Fatty Acids. 2004;70:309–19. doi: 10.1016/j.plefa.2003.09.007. [PubMed] [Cross Ref]].
Нет четких требований к диетическим углеводам для взрослых людей
Хотя некоторые исследованиях предполагают, что предварительно тренированные мышечные запасы гликогена определяют способность к длительной физической нагрузке [Burke LM. Nutrition for training and competition. In: Hargreaves M, Hawley J, editor. Physiological Bases of Sports Performance. Australia: Mc-Graw-Hill Australia; 2003. pp. 152–182.], нет четких требований к пищевым углеводам для взрослых людей [Westman EC. Is dietary carbohydrate essential for human nutrition? Am J Clin Nutr. 2002;75:951–954. [PubMed]]. Текущие рекомендации по углеводам основаны на 1) предотвращении кетоза и 2) обеспечении глюкозы сверх минимальных потребностей. Однако ясно, что кетоз не является вредным [Feinman RD, Makowske M. Metabolic syndrome and low-carbohydrate ketogenic diets in the medical school biochemistry curriculum. Metab Synd Relat Disord. 2003;1:189–197. doi: 10.1089/154041903322716660. [PubMed] [Cross Ref]
Veech RL, Chance B, Kashiwaya Y, et al. Ketone bodies: therapeutic uses. IUBMB Life. 2001;51:241–247. [PubMed]
Sato K, Kashiwaya Y, Keon CA, et al. Insulin, ketone bodies, and mitochondrial energy transduction. FASEB J. 1995;9:651–658. [PubMed]], за исключением высоких уровней, наблюдаемых при диабете типа 1. Кроме того, никогда не была продемонстрирована потребность в обеспечении глюкозы выше минимальных потребностей [Feinman RD, Makowske M. Metabolic syndrome and low-carbohydrate ketogenic diets in the medical school biochemistry curriculum. Metab Synd Relat Disord. 2003;1:189–197. doi: 10.1089/154041903322716660. [PubMed] [Cross Ref]]. Действительно, Национальный исследовательский совет не установил рекомендуемую диетическую норму (RDA) для углеводов, вероятно потому, что человеческий организм может адаптироваться к диете без углеводов и производить глюкозу, в которой он нуждается. Тем не менее, некоторые диетологи утверждают, что углеводы являются важным питательным веществом. Например, Макдональд утверждал, что здоровые, умеренно активные взрослые люди ежедневно потребляют по крайней мере 200 г углеводов для поддержания нормального метаболизма мозга и мышечной функции [Macdonald IA. Carbohydrate as a nutrient in adults: range of acceptable intakes. Eur J Clin Nutr. 1999;53:S101–106. doi: 10.1038/sj.ejcn.1600750. [PubMed] [Cross Ref]]. Однако автор не представил никаких доказательств, подтверждающих эту рекомендацию. Низкоуглеводные диеты избегались из-за высокой жирности диет и «предсказанной» ассоциированной гиперхолестеринемии. Однако сывороточные липиды обычно улучшаются с низкоуглеводной диетой, особенно с измерением уровня триглицеридов и ЛПВП. Резко контрастируют высокоуглеводные диеты, которые снижают уровень холестерина липопротеинов высокой плотности (HDL) и повышают уровень триглицеридов, усугубляют метаболические проявления синдрома резистентности к инсулину [Willett WC. Reduced-carbohydrate diets: no roll in weight management? Ann Intern Med. 2004;140:836–837. [PubMed]]. Наконец, все жиры повышают уровень холестерина ЛПВП. Относительная активность классов жирных кислот в повышении холестерина ЛПВП [Ginsberg HN, Karmally W. Nutrition, lipids, and cardiovascular disease. In: Stipanuk MH, editor. Biochemical and Physiological Aspects of Human Nutrition. Philadelphia, PA: W.B. Saunders Company; 2000. pp. 917–944.]. Таким образом, очевидно, что замена общего жира (любого распределения жирных кислот) углеводами приводит к значительному снижению холестерина ЛПВП . Действительно, недавние исследования потребления углеводов и его связь с развитием сердечно-сосудистых заболеваний и сахарного диабета 2 типа были довольно показательными, и свидетельствуют о том, что увеличение потребления углеводов связано с увеличением риска развития обоих состояний [Aljada A, Mohanty P, Dandona P. Lipids, carbohydrates, and heart disease. Metab Synd and Relat Disord. 2003;1:185–188. doi: 10.1089/154041903322716651. [PubMed] [Cross Ref]].
Инсулин не нужен для поглощения глюкозы и использования у людей
Вопреки распространенному мнению, поддерживаемому ведущими учебниками по физиологии и биохимии, во всех клеточных мембранах всегда имеется достаточная популяция переносчиков глюкозы, чтобы обеспечить достаточное поглощение глюкозы, чтобы удовлетворить дыхание клетки даже при отсутствии инсулина [Sonksen PH. Insulin, growth hormone and sport. J Endocrinol. 2001;170:13–25. doi: 10.1677/joe.0.1700013. [PubMed] [Cross Ref]]. Инсулин может и действительно увеличивает количество этих транспортеров в некоторых клетках, но поглощение глюкозы действительно никогда не зависит от инсулина. Даже в условиях экстремального кетоацидоза нет значительного мембранного барьера для поглощения глюкозы - блок происходит «ниже по течению» в метаболическом пути, где избыток кетонов конкурентно блокирует метаболиты глюкозы, входящие в цикл лимонной кислоты. Таким образом, инсулин не нужен для поглощения глюкозы и ее использования у человека [Sonksen PH. Insulin, growth hormone and sport. J Endocrinol. 2001;170:13–25. doi: 10.1677/joe.0.1700013. [PubMed] [Cross Ref]]. Фактически, этот процесс представляется общим для всех полярных (водорастворимых) субстратов, поскольку транспортеры являются механизмом, посредством которого они транспортируются через сильно неполярные (липидные) клеточные мембраны. Когда инсулин вводят людям с диабетом, которые голодают, концентрация глюкозы в крови падает. Обычно считается, что это происходит потому, что инсулин увеличивает поглощение глюкозы в тканях. Однако это не так, и это всего лишь еще одна легенда метаболизма, возникающая из данных о крысах in vitro. Было показано, что инсулин в концентрациях, которые находятся в пределах нормального физиологического диапазона, снижает уровень глюкозы в крови за счет ингибирования продукции глюкозы в печени [Sonksen PH. Insulin, growth hormone and sport. J Endocrinol. 2001;170:13–25. doi: 10.1677/joe.0.1700013. [PubMed] [Cross Ref]].
Жиры сгорают в углеводном пламени, правильно?
Утверждается, что углеводы служат в качестве основания для катаболизма жира («жиры сгорают в углеводном пламени»). Однако, как указывали Robergs and Roberts [Robergs RA, Roberts SO. Fundamental Principles of Exercise Physiology for Fitness, Performance, and Health. New York: McGraw-Hill; 2000. ], это неверное утверждение. В скелетных мышцах жир, безусловно, не горит в углеводном пламени, так как скелетные мышцы не имеют достаточного количества ферментов для превращения гликолитических промежуточных продуктов в молекулы, которые могут транспортироваться в митохондрии в дополнение к промежуточным продуктам цикла лимонной кислоты. Кроме того, получение ацетоацила КоА, субстрата образования кетонового тела, может происходить только в печени и, таким образом, не относится к метаболизму скелетных мышц. Человеческая скелетная мышца может окислять по меньшей мере семь аминокислот: лейцин, изолейцин, валин, глутамат, аспарагин, аспартат и аланин. Однако из этих аминокислот окисление только аминокислот с разветвленной цепью (лейцин, изолейцин и валин), по-видимому, увеличивается во время катаболических состояний, таких как физические упражнения.
Когда концентрация гликогена в мышцах и концентрация глюкозы в крови низкие, включение углеродных скелетов из аминокислот в цикл лимонной кислоты важно для поддержания концентраций промежуточных продуктов и, следовательно, для высокой скорости митохондриального дыхания. Таким образом, и мышечный жир, и углевод горят в пламени аминокислоты. Как обсуждалось Robergs and Roberts [Robergs RA, Roberts SO. Fundamental Principles of Exercise Physiology for Fitness, Performance, and Health. New York: McGraw-Hill; 2000. ], катаболизм аминокислот во время физических упражнений важен по трем причинам: 1) для свободной энергии во время тренировки, чтобы подпитывать мышечное сокращение; 2) увеличить концентрации промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты и, следовательно, поддержать катаболизм углеводов и липидов; И 3) служить в качестве глюконеогенных предшественников. Также утверждалось, что углеводы являются единственным субстратом для макроэлементов, запасенная энергия которого генерирует АТФ неаэробически. Однако это не так, поскольку в нескольких исследованиях показано, что катаболизм аминокислот также является источником анаэробного производства энергии [Hochachka PW, Dressendorfer RH. Succinate accumulation in man during exercise. Eur J Appl Physiol. 1976;35:235–242. doi: 10.1007/BF00423282. [PubMed] [Cross Ref]], например, аспартат может быть ферментирован до сукцината или пропионата [Di Pasquale MG. Amino Acids and Proteins for the Athletes: The Anabolic Edge. Boca Raton, FL: CRC Press; 1997. ]. Интересно, что Ivy et al. [Ivy JL, Res PT, Sprague RC, Widzer MO. Effect of a carbohydrate-protein supplement on endurance performance during exercise of varying intensity. Int J Sport Nutr Exerc Metab. 2003;13:382–95. [PubMed]] и Saunders et al. [Saunders MJ, Kane MD, Todd MK. Effects of a carbohydrate-protein beverage on cycling endurance and muscle damage. Med Sci Sports Exerc. 2004;36:1233–8. doi: 10.1249/01.MSS.0000132377.66177.9F. [PubMed] [Cross Ref]], сообщил, что добавление белка к углеводной добавке повышает выносливость выше, чем при использовании только углеводов.