← Все статьи
биохимия

Глюкоза vs кетоны

Кристина Оз · 14 минут чтения

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

  1. Гликолиз. В цитоплазме клетки глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата. Это даёт всего 2 АТФ, зато быстро и без кислорода.
  2. Вход в митохондрию. Пируват превращается в ацетил-КоА с помощью фермента пируватдегидрогеназы.
  3. 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.

  1. Кетогенез. Когда инсулин низкий, печень превращает избыток ацетил-КоА в ацетоацетат, а затем в β-гидроксибутират (βHB). Ключевой фермент здесь HMG-CoA-синтаза 2.
  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.
  3. Использование. Мозг, сердце, мышцы, почки забирают βHB, превращают обратно в ацетил-КоА и сжигают в цикле Кребса.
Установлено

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.

Инсулин — переключатель режимов

Жировая ткань
Печень
Мышцы
Мозг
Нажмите на кнопки, чтобы увидеть, как меняется работа органов при разном уровне инсулина.

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.

Механизм

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.

Механизм

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).

Установлено

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

ГлюкозаКетоны (βHB)
Откуда берётсяУглеводы еды, гликоген, синтез в печениЖир из еды и жировой ткани, через печень
Когда доминируетИнсулин высокийИнсулин низкий
СкоростьБыстрая энергия, работает без кислородаТолько в митохондриях, нужен кислород
Кто без неё не можетЭритроциты, частично мозгНикто, но мозг и сердце используют охотно
Побочные эффекты избыткаГликирование, окислительный стрессПри отсутствии инсулина возможен кетоацидоз
Сигнальная рольЧерез инсулин: рост, запасаниеHDAC, 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.
Шкала кетонов в крови 0 0,5 3 8 10 12+ ммоль/л пищевой кетоз длительное голодание кетоацидоз только когда инсулина почти нет типично на белково-жировом питании: 0,5–1,5
Установлено

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.

Установлено

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.

Гипотеза

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

  1. Cahill G. Fuel metabolism in starvation. Annual Review of Nutrition, 2006.
  2. Owen O. et al. Brain metabolism during fasting. Journal of Clinical Investigation, 1967.
  3. Veech R. The therapeutic implications of ketone bodies. Prostaglandins, Leukotrienes and Essential Fatty Acids, 2004.
  4. Sato K. et al. Insulin, ketone bodies, and mitochondrial energy transduction. FASEB Journal, 1995.
  5. Shimazu T. et al. Suppression of oxidative stress by β-hydroxybutyrate, an endogenous histone deacetylase inhibitor. Science, 2013.
  6. Youm Y. et al. The ketone metabolite β-hydroxybutyrate blocks NLRP3 inflammasome-mediated inflammatory disease. Nature Medicine, 2015.
  7. Brownlee M. The pathobiology of diabetic complications: a unifying mechanism. Diabetes, 2005.
  8. Institute of Medicine. Dietary Reference Intakes for Energy, Carbohydrate, Fiber, Fat, Fatty Acids, Cholesterol, Protein, and Amino Acids, 2005.
  9. Freinkel N. Banting Lecture: Of pregnancy and progeny. Diabetes, 1980.