Laillistettua metaboliaa, osa 2

Kirjoittaja: Asiantuntija

Pyynnöstä tuntemattomana pysyttelevä asiantuntija jatkaa professori Richard Feinmanin valistusmateriaalin penkomista. Tässä osa 1, jossa pienen johdannon jälkeen saimme tietää miten hiilihydraatit varastoidaan ja käytetään elimistön tarpeisiin. Tässä kirjoitussarjan toisessa osassa perehdytään ravintorasvojen aineenvaihduntaan ja ketogeenisen ruokavalion etuihin.

Rasvahappojen hajottaminen ja varastointi

Kuten glukoosin aineenvaihdunnassa, rasvahappojen synteesi ja hajottaminen ovat myös insuliinin ja glukagonin hallinnassa. Kuvio 3 esittää rasvojen E-muotoisen molekyylirakenteen. E:n varret ovat rasvahappoja, ja pystyrunko on varret yhdistävä glyseroli. Rasvojen kemiallinen nimi on tri-asyyli-glyseroli (TAG), eli kolme rasvahappoa ja yksi glyserolimolekyyli (”asyyli” on hapon adjektiivinen muoto).

Rasva voidaan hajottaa vapaiksi rasvahapoiksi ja glyseroliksi; prosessi on nimeltään lipolyysi (”lipo”, joka tarkoittaa ”rasvaa”, ”-lysis” tarkoittaa ”hajottamista”). Rasvahapot ovat suurelta osin hiilivetyjä (pitkät hiiliketjut ja vety yhdistyneenä hiileen), aivan kuten bensiini ja vastaavat polttoaineet. Kemiallisesti ne vaativat samankaltaista reaktiota (oksidaatio), mutta koska haluamme sen tapahtuvan huoneenlämpötilassa ilman sytytystulppaa, meidän on kehitettävä hienostunut mekanismi.

Rasvan varastointi käsittää TAG:n muodostumisen rasvahapoista ja glyserolista (synteesi). Adiposyytit (rasvasolut) toistavat synteesi-lipolyysi sykliä, jota säätelevät insuliini ja glukagoni samalla tavalla kuin glykogeenin synteesiä ja de-polymerisointia. Insuliini lisää TAG:n varastointia ja glukagoni kiihdyttää rasvahappojen tuotantoa TAG:sta (ja edelleen päästämistä verenkiertoon).

Kuvio 3: Rasvan (triasyyliglyserolin, TAG) rakenne. Tyypillisissä rasvahapoissa on noin 20 hiiliatomia. Rasvasolut ylläpitävät loputonta sykliä; hajottavat ja syntetisoivat TAG:n rasvahapoista ja glyserolista.

Hiilihydraattien ruokarajoitus ja ketoosi

Muodostuva kuva on prosessi, jota pääasiassa säätelevät ravinnon hiilihydraatit. Glukoosin tarjonta säätelee hormoneja, pääasiassa insuliinia ja glukagonia. Rasvalla on pitkälti passiivinen rooli aineenvaihdunnassa, koska se syntetisoidaan ja hajotetaan hiilihydraattien vaikutuksesta. Painonpudotuksessa hiilihydraattirajoitus on strategia, joka seuraa tästä ajatuksesta.

Aineenvaihdunnallisesti hiilihydraattien väheneminen on ajurina nälkäpaastoon sopeutumisessa, ei niinkään kokonaiskalorien väheneminen. Kalorien kokonaismäärä on tietysti osa kokonaisuutta, mutta ravinnon hiilihydraatti on pääohjaaja. Hiilihydraattien, suoraan ja hormonien välityksellä, sanotaan olevan katalyyttisiä: ollessaan itse polttoaineena, se lisäksi stimuloi muiden ravintoaineiden sijoittamista joko varastoitavaksi tai energiantuotantoon. (Vanhassa oppikirjallisuudessa sanottiin, että rasva oli ruuti ja hiilihydraatti oli sytytin.)

Vähähiilihydraattinen ruokavalio välttää kehon proteiinikuormasta syömisen, koska ruokavalioon sisältyy proteiinia. Ajatuksena on siis se, että keho noudattaa paastoon sopivaa vastetta, mutta välttyy lihasmassan menetykseltä. Tällaisia ​​ruokavalioita kutsuttiin perinteisesti ”proteiinia säästäväksi paastoiksi”, tai kuten fysiologian pioneeri George Cahill totesi, ”Atkinsin dieetti on korkean kaloripitoisuuden paasto.” Käytännössä vähähiilihydraattiset dieetit sisältävät yleensä runsaasti rasvaa (varsinkin verrattuna perinteisiin suosituksiin), ja ne on tapana lyhentää LCHF (low carb high fat).


Kuvio 4: Metabolinen toiminta ja ketoosi. Kaksi polttoainetta (CHO ja Fat), jotka toimitetaan verenkiertoon joko ravinnosta tai varastoista, ovat lähtöaineita oksidaatiossa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Kolmas polttoaine, ketoaineet, voidaan syntetisoida rasvahapoista, kun veren glukoosi on alhainen. Glukoosia voidaan varastoida glykogeeninä tai muuntaa rasvaksi, mutta aineenvaihdunnan keskeinen piirre on se, että rasvaa ei voi muuntaa glukoosiksi. Proteiini voi toimia glukoosin lähteenä, mutta nälkäpaastossa ainut proteiinin lähde on kehon ”kierrätys”proteiini, ja tässä kontekstissa ketoaineet ovat ”proteiinia säästäviä” ja ne voidaan polttaa soluissa vaihtoehtoisena polttoaineena (korvaten glukoosia), pitäen tarpeen glukoosin uudistuotannolle GNG niin pienenä kuin mahdollista.

Kun ruokaa ei ole tarjolla, evoluutio on kehittänyt mekanismin proteiinien säästämiseksi käyttämällä epäsuorasti rasvaa. Vaikka aivot ja keskushermosto eivät voi käyttää pitkäketjuisia rasvahappoja, voidaan osa maksan rasvametaboliasta kanavoida ketoaineiden luomiseen, jotka ovat lyhyitä molekyylejä, joita aivot ja hermosto voivat käyttää, samoin kuin myös muut solut. Ketoaineet tarjoavat vaihtoehtoisen polttoaineen glukoosille ja vähentävät tarvetta proteiinin käyttämiseksi glukoneogeneesiin. Ketoaineet beta-hydroksibutyraatti (BHB) ja asetoasetaatti ovat neljän hiilen yhdisteitä, jotka voivat korvata glukoosin tarvetta monissa kudoksissa.

Normaaleissa olosuhteissa aivot tarvitsevat noin 130 g glukoosia päivässä. Muutama päivä ketoosissa ja paastossa, ja tämä glukoosin tarve puoliintuu. Ketogeneesin aloitussignaali on alentunut hiilihydraatti ravinnossa, ja siihen liittyvä insuliinin väheneminen ja glukagonin lisääntyminen. Tämä tarkoittaa, että rasvan hajottamista (lipolyysiä) ei estetä, kun Insuliinitaso putoaa ja vapaat rasvahapot vapautuvat verenkiertoon ja osa kulkeutuu maksaan. Hyvin suuret rasvahappopitoisuudet maksassa johtavat ketoaineiden tuotantoon, ja samaan aikaan stimuloidaan glukoneogeneesiä. Tämä johtaa samanaikaisiin ketoaineiden synteesiin ja glukoosin uudistuotantoon, glukoneogeneesiin.

Kuva 5: Metabolisten komponenttien vuorovaikutus. Varastorasva (TAG) voi toimittaa rasvahappoja polttoaineeksi, mutta näistä voi myös tulla ketoaineita. Jotta asiat eivät pääse valloilleen (liikaa rasvojen hajottamista, liikaa ketoaineita), ketoaineet stimuloivat insuliinia sen verran, että se toimii estävänä paluukytkimenä. Tällaisen syklin polku on esitetty kuviossa 6.

Ketoaineiden tuotannon säätely

Laajaa kiinnostusta ketogeenisiin ruokavalioihin on herännyt hiljattain, ja niiden arvo voi olla vielä aliarvioitu. Tämä johtuu siitä, että olemme oppineet ketoaineenvaihdunnasta vain kahdessa kontekstissa: nälkäpaastossa, jossa ketoaineet ovat ystäviämme, ja hoitamattomassa tyypin 1 diabeteksessa, jossa ketoasidoosista tulee todellinen uhka – koska ketoaineet ovat happoja ja asidoosi (liian paljon happoa veressä) voi olla hengenvaarallista. Ennen insuliinin keksimistä ketoasidoosi oli potentiaalinen kuolinsyy tyypin 1 diabetesta sairastaville. Syynä siihen, että ketogeeninen ruokavalio ei aiheuta riskiä ei-diabeetikoille, on se, että ketoaineet itse stimuloivat insuliinin eritystä, joka tukahduttaa lipolyysin eli rasvahappojen lähteen, vähentäen vapaita rasvahappoja veressä ja sammuttaen ketoaineiden synteesin.

Toisin sanoen, on olemassa negatiivinen takaisinkytkentä. Jos nälkäpaastoon tai vähän hiilihydraattia sisältävään ruokavalioon liittyy veren glukoosipitoisuuden heikkeneminen, haima tunnistaa sen ja glukagoni hormoni erittyy (ja insuliini samalla vähenee). Glukagoni stimuloi rasvahappojen hajottamista ja vapauttamista verenkiertoon, ja insuliinin negatiivinen ohjaus helpottaa, kun insuliinitasot laskevat. Tämä johtaa vapaiden rasvahappojen tuotannon lisääntymiseen. Maksaan virtaa nyt rasvahappoja, joita voidaan käyttää ketoaineiden synteesiin. Täten luodaan vaihtoehtoinen polttoaine aivoille, jos glukoosi veressä pysyy todella alhaisena. Jos ketoainepitoisuus alkaa nousta liian korkeaksi, ketoaineet itse stimuloivat haimaa erittämään insuliinia, jonka määrä alkaa kohota. Glukagonin eritys estyy ja nämä kaksi hormonimuutosta yhteisvaikutukseltaan sammuttavat lipolyysin. Kuvion 5 laaja sininen viiva esittää ketoosin stimulaation ja säätelyn sykliä.

Kuva 6: Ketoosin pitäminen hallinnassa. Ketogeneesiä säätelee takaisinkytkentäsilmukka (vaaleansiniset nuolet kuvassa): matala glukoosipitoisuus ➛ insuliinin putoaminen ➛ lipolyysi nousee ➛ korkeat rasvahapot ➛ ketoaineet ➛ insuliini lisääntyy ➛ lipolyysi estyy ➛ alentuneet vapaat rasvahapot ➛ ketogeneesi sulkeutuu ➛ solut alkavat käyttää glukoosia➛ glukoosi laskee ➛ insuliini putoaa jne. Johtopäätös on se, että ketogeeninen ruokavalio ei voi aiheuttaa ketoasidoosia.

Kuviot 5 ja 6 esittävät, kuinka tämä järjestelmä toimii, mutta on tärkeää ymmärtää, että tämä prosessi ei ole mikään flipperikone. Todellisuudessa kaikki tapahtuu samanaikaisesti: TAG valmistetaan ja hajotetaan jatkuvasti, ja solujen pinnan reseptorit havaitsevat glukoosin ja hormonit. Siinä on kaikki elementit vakaaksi tilaksi – muutokset toteutetaan takaisinkytkennällä, ja biologia pyrkii pitämään kaiken muuttumattomana. Siksi yksi suklaapatukka ei ehkä ”potkaise sinua pois ketoosista”, ja siksi sinun täytyy tehdä jotain radikaalia laihtuaksesi (muuttaaksesi tasapainotilan).

Johtopäätös

Elävät organismit ovat vakaassa tilassa, jossa ne tuottavat energiaa polttamalla ruokaa. Niillä on kehittyneet mekanismit, joilla ylläpidetään enemmän tai vähemmän vakio veren glukoositaso (kts. Kuva alla). Kun elintarvikkeita ei ole, monet organismit voivat siirtyä uuteen tilaan, jossa ne käyttävät varastoitua rasvaa polttoaineena, tuottavat glukoneogeneesin avulla jatkuvasti glukoosia (pääasiassa proteiinista) ja tarjoavat proteiinia säästävää vaihtoehtoista polttoainetta ketoaineina. Vakaan tilan pääkontrolli tapahtuu nautitun hiilihydraatin kautta (ja välillisesti insuliinilla ja muilla hormoneilla), ja tätä voidaan käyttää terveyshyödyn tavoitteluun saavuttamalla paastoamisen edut, kun samalla säästetään kehon proteiineja.

Kuva 7: Yhteenveto aineenvaihdunnasta. Ruokavalion kaksi pääpolttoainetta, hiilihydraatit ja rasvat, sekä rasvojen hajotustuotteet ketoaineet (joiden tuotanto käynnistyy hiilihydraattien rajoituksen kautta), voidaan hapettaa energiaksi (oranssit nuolet). Rasvahappo-TAG-sykliä ja glukoosi-glykogeenisykliä säätelevät insuliini (joka estää hajottamista ja suosii varastointia) ja glukagoni (joka suosii hajottamista). Insuliini itse säätelee glukagonia.

Richard David Feinman, Ph.D., on solubiologian professori New Yorkin osavaltion yliopiston lääketieteellisessä keskuksessa Brooklynissa, jossa hän on ollut edelläkävijä ravitsemuksen sisällyttämisessä biokemian opetussuunnitelmaan. Rochesterin yliopiston ja Oregonin yliopistosta valmistunut tohtori Feinman on julkaissut lukuisia tieteellisiä ja kansantajuisia kirjoituksia. Hän on perustaja ja entinen päätoimittaja (2004–2009) Nutrition & Metabolism lehdessä. Hän tutkii parhaillaan ketogeenisen ruokavalion soveltuvuutta syöpähoitoon.

Muita metaboliaan liittyviä kirjoituksia Feinmanin omassa blogissa:

https://feinmantheother.com/2012/02/02/648/

https://feinmantheother.com/2017/04/01/calories-in-calories-out-substrate-cycles-and-diesel-engines/

 

1 kommentti artikkeliin “Laillistettua metaboliaa, osa 2”

  1. Paluuviite: Laillistettua metaboliaa, osa 3 - Turpaduunari

Olisi kiva kuulla kommenttisi!