Кетогенная диета метаболически почти идентична полному голоданию; критическим фактором развития кетоза является именно количество углеводов в рационе, а не количество белка или жира.
В определённом смысле кетогенная диета идентична голоданию, за исключением того, что пища при этом потребляется. То есть метаболические эффекты и адаптации, наблюдаемые при голодании, практически идентичны тем, что наблюдаются на кетогенной диете. Главное отличие — белок и жир пищи на кетогенной диете замещают часть белка и жира, которые иначе мобилизовались бы из тканей тела при голодании.
Реакция организма на полное голодание изучена даже более подробно, чем собственно кетогенная диета, поэтому большая часть приводимых данных получена именно из исследований голодающих людей. За немногими исключениями (отдельно отмеченными в тексте), метаболические эффекты кетогенной диеты идентичны эффектам голодания.
Критическим аспектом развития кетоза является именно количество углеводов в рационе — ограничение углеводов воспроизводит реакцию, наблюдаемую при полном голодании. Количество белка и жира в этом отношении менее критично (подробнее — в главе 9).
Автор делит голодание на пять отдельных фаз:
| Фаза | Период | Основные процессы |
|---|---|---|
| 1 | Первые 8 часов | Организм ещё усваивает топливо из предыдущих приёмов пищи |
| — | ~10 часов после последнего углеводного приёма пищи | Около 50% общих энергозатрат покрывается свободными жирными кислотами (СЖК) |
| 2 | Первые 1–2 суток | Опора на СЖК и расщепление гликогена печени; гликоген печени истощается в течение 12–16 часов |
| 3 | Первая неделя | Резкое увеличение продукции глюкозы из белка и других субстратов (лактат, пируват, глицерол) — глюконеогенез; ткани, кроме мозга, снижают использование глюкозы; расщепление белка значительно возрастает |
| 4 (кетоз) | С 3–4 суток, далее весь период ограничения углеводов | Главная адаптация — рост использования кетонов мозгом |
| 5 | Со второй недели | Снижение расщепления белка и глюконеогенеза по мере развития основных белоксберегающих адаптаций кетоза |
Большинство основных адаптаций к кетозу начинают проявляться к третьему дню и продолжаются как минимум 3 недели. В первые 3 дня голодания глюкоза крови падает с нормального уровня 80–120 мг/дл (4,4–6,7 ммоль/л) до приблизительно 65–75 мг/дл (3,6–4,2 ммоль/л)* (*пометка переводчика — пересчёт в ммоль/л произведён по формуле мг/дл ÷ 18, в оригинале только мг/дл). Инсулин падает с 40–50 мкЕд/мл до 7–10 мкЕд/мл. Оба показателя остаются стабильными на протяжении всего голодания.
Автор подчёркивает: организм стремится поддерживать почти нормальный уровень глюкозы крови даже в условиях полного голодания. Распространённое мнение, что кетоз не наступит, пока глюкоза крови не упадёт до 50 мг/дл — неверно. Также неверно популярное представление о полном отсутствии инсулина на кетогенной диете.
Одно из отличий между голоданием и кетогенной диетой заключается в том, что лёгкий инсулиновый ответ на белок пищи поддерживает глюкозу крови на чуть более высоком уровне — приблизительно 80–85 мг/дл (4,4–4,7 ммоль/л) — вероятнее всего, за счёт конверсии части белка пищи в глюкозу в печени.
Одновременно со снижением инсулина и глюкозы при ограничении углеводов повышаются другие гормоны — глюкагон, соматотропин, адреналин и норадреналин; кортизол, напротив, может снижаться. Это увеличивает скорость расщепления жира, и уровни СЖК и кетонов в крови возрастают.
Хотя печень производит кетоны с максимальной скоростью уже к третьему дню, концентрация кетонов в крови продолжает расти, достигая плато примерно к третьей неделе. Снижение глюкозы крови и последующий рост СЖК и кетонов, по всей видимости, и служат сигналом для запуска адаптаций, рассматриваемых далее в главе.
Помимо роста СЖК и кетонов, происходят изменения в концентрациях некоторых аминокислот в крови: повышаются разветвлённые аминокислоты (что указывает на усиленный распад белка), снижается аланин (вероятно, за счёт усиленного захвата печенью, либо за счёт сниженного высвобождения из мышц). Повышается также уровень мочевины — продукта распада белка. Все эти данные указывают на усиленный распад белка на начальных стадиях голодания.
К третьему дню ограничения углеводов организм перестаёт использовать значимые количества глюкозы как топливо — практически вся небелковая энергия получается за счёт окисления жира, как напрямую через СЖК, так и опосредованно через кетоновые тела.
Краткосрочное и долгосрочное голодание различаются по динамике использования кетонов: в первые недели многие ткани (включая мышцы) активно используют кетоны, но после третьей недели почти полностью переходят на СЖК — чтобы «оставить» кетоны для мозга.
Измерения показывают, что приблизительно 90% общих энергозатрат организма покрывается СЖК и кетонами уже к третьему дню. После трёх недель голодания организм может получать до 93% топлива из СЖК.
Для человека с метаболической скоростью 2700 ккал/сутки примерно 2400 ккал обеспечивается за счёт СЖК (приблизительно 260 г жира). Учитывая, что 1 фунт (~454 г) жира содержит 3500 ккал, это представляет собой потерю почти двух третей фунта жира в день. Люди с меньшей массой тела и более низкой метаболической скоростью используют пропорционально меньше жира. Хотя такая экстремальная скорость потери жира делает голодание привлекательным как метод лечения ожирения, проблемы, связанные с полным голоданием (особенно потеря белка тела), делают его неприемлемым.
Главный вывод: состояние кетоза вызывает масштабный сдвиг метаболизма от глюкозы к жиру, приводящий к значительно большему окислению жира, чем на «сбалансированной» диете. Кетогенная диета — попытка использовать этот сдвиг для достижения максимальной потери жира при минимальной потере мышц.
Большинство тканей, кроме мозга, прекращают использовать кетоны как топливо после третьей недели кетоза — особенно это касается скелетных мышц. Если изначально мышцы получают до 50% энергии из кетонов, то к третьей неделе кетоза этот показатель падает до 4–6%.
Считается, что это происходит по следующей причине: в первые дни кетоза мозг ещё не способен использовать кетоны как топливо. Используя большое количество кетонов, скелетные мышцы предотвращают быстрый рост концентрации кетонов в крови, который мог бы вызвать ацидоз. По мере того как мозг адаптируется к использованию кетонов, скелетным мышцам приходится прекращать их использование — чтобы не лишать мозг топлива. Для практических целей, при длительном голодании основным топливом для всех тканей, кроме мозга (и некоторых других, описанных в разделе 3), являются именно СЖК, а не кетоны.
Снижение использования глюкозы и белка организмом — критическая адаптация по двум причинам: сбережение глюкозы для тканей, которым она необходима, и предотвращение избыточной потери белка, угрожающей жизни при длительном голодании.
Все ткани организма теоретически способны использовать глюкозу. За исключением мозга и нескольких других тканей (лейкоциты, костный мозг, эритроциты), все ткани организма могут использовать СЖК или кетоны как топливо при недоступности углеводов.
При обычном питании глюкоза — стандартное топливо для мозга и центральной нервной системы (ЦНС). ЦНС и мозг — крупнейшие ежедневные потребители глюкозы, требующие приблизительно 104 г глюкозы в сутки.
Эта особенность метаболизма мозга привела, вероятно, к самому важному заблуждению относительно кетогенной диеты — распространённому утверждению, что мозг может использовать только глюкозу. Это лишь условно верно: уже более 30 лет (на момент написания книги) известно, что после нескольких дней устойчивого кетоза мозг начинает получать всё больше топлива из кетонов, в итоге получая более половины своих энергопотребностей из кетонов, а остальное — из глюкозы.
Поскольку некоторые ткани продолжают использовать глюкозу, а потребность мозга в глюкозе никогда не падает до нуля, на кетогенной диете сохраняется небольшая потребность в глюкозе. Это поднимает вопрос: сколько глюкозы требуется организму, и может ли это количество быть обеспечено при полностью безуглеводном питании?
При исключении углеводов из рациона организм проходит как минимум через три основные адаптации для сбережения имеющейся глюкозы и белка:
В некетотическом состоянии мозг использует приблизительно 100 г глюкозы в сутки. Это означает, что любая диета, содержащая менее 100 г углеводов в сутки, вызовет кетоз, глубина которого будет зависеть от количества потребляемых углеводов (чем меньше углеводов — тем глубже кетоз). На начальных стадиях кетоза любое потребление углеводов ниже 100 г вызывает кетоз. По мере адаптации мозга к использованию кетонов и снижения потребности организма в глюкозе, для поддержания кетоза требуется потреблять всё меньше углеводов.
Автор уточняет: приведённое ниже обсуждение в полной мере относится к людям на стандартной кетогенной диете (СКД), не выполняющим физических нагрузок; та же информация применима и к людям на TKD или CKD в той части времени, что они проводят в кетозе. Влияние физической нагрузки на потребность в углеводах рассматривается в последующих главах.
Изначальное депо углеводов в организме — печень, содержащая достаточно гликогена для обеспечения потребности мозга в глюкозе на протяжении приблизительно 12–16 часов. Далее в обсуждении автор предполагает, что гликоген печени истощён, кетоз установлен, и единственный источник глюкозы — эндогенные запасы топлива (запасённый жир и белок тела).
После истощения собственного гликогена печень становится одним из главных источников производства глюкозы (глюконеогенез) — из глицерола, лактата/пирувата и аминокислот аланина и глутамина. Почка также производит глюкозу по мере развития голодания.
Глицерол образуется при расщеплении триглицеридов жировой ткани, лактат и пируват — при расщеплении гликогена и глюкозы, а аланин и глутамин высвобождаются из мышц. Поскольку нас в первую очередь интересует потеря мышечной ткани во время кетоза, глюконеогенез из аланина и глутамина рассматривается далее подробнее.
При наступлении голодания уровни аланина/глутамина в крови значительно возрастают, что указывает на усиление расщепления мышечного белка. Аланин поглощается печенью, конвертируется в глюкозу и высвобождается обратно в кровоток. Глутамин конвертируется в глюкозу в почке. Также повышаются уровни разветвлённых аминокислот в крови, что указывает на распад скелетных мышц.
В первые недели голодания происходит выделение 12 г азота в сутки. Поскольку азот составляет приблизительно 16% массы белка, это представляет собой распад приблизительно 75 г белка тела для производства 75 г глюкозы. Если бы такая скорость распада белка продолжалась без изменений, белковые запасы организма были бы истощены в течение нескольких недель, что привело бы к смерти.
Уже после 1 недели голодания уровень аланина в крови начинает снижаться, а его захват почками уменьшается — это указывает на то, что организм уже пытается сберечь белок. При более длительном голодании уровни аланина и глутамина в крови продолжают снижаться, как и продукция глюкозы печенью; при этом продукция глюкозы в почке увеличивается.
Благодаря этим адаптациям потери азота снижаются до 3–4 г в сутки к третьей неделе голодания, что соответствует распаду приблизительно 20 г белка тела. При экстремально длительном голодании потери азота могут падать до 1 г в сутки, что соответствует распаду лишь 6 г белка тела. Однако расщепление белка никогда не падает до нуля, поскольку всегда существует небольшая потребность в глюкозе. Развитие кетоза при голодании критически важно именно для сбережения белка.
Глицероловая часть триглицеридов конвертируется в глюкозу в печени — приблизительно 10% от общей массы расщеплённых триглицеридов (независимо от того, поступают они из жира тела или из пищи) превращается в глюкозу. Человек среднего размера (150 фунтов, ~68 кг) может катаболизировать 160–180 г жира в сутки, что даёт 16–18 г глюкозы. Более крупный человек, соответственно, окисляет больше жира и производит больше глюкозы. Количество глицерола, конвертируемого в глюкозу, относительно постоянно день за днём и зависит главным образом от метаболической скорости.
| Источник | Производимая глюкоза (г) |
|---|---|
| Потребность мозга в углеводах | ~100 |
| Расщепление 180 г триглицеридов | 18 |
| Расщепление 75 г белка | 75 |
| Итого продукция глюкозы печенью в сутки | 93 |
По мере продолжения долгосрочной адаптации к кетозу происходит ряд дополнительных адаптаций для дальнейшего сбережения глюкозы. С третьего дня кетоза до трёх недель голодания мозг постепенно увеличивает использование кетонов как топлива, в итоге получая до 75% общей энергии из кетонов. Этот сдвиг означает, что мозгу требуется лишь 40 г глюкозы в сутки, а оставшиеся 60–75 г энергетических потребностей обеспечиваются кетонами. Это означает, что для производства глюкозы требуется расщеплять меньше белка. Поскольку расщепление триглицеридов всё равно даёт 18 г глюкозы в сутки, расщепление белка составит лишь 20 г в сутки.
Как отмечалось ранее, главная цель существования кетонов у человека, по всей видимости — обеспечить мозг жиро-производным, неуглеводным топливом.
| Источник | Производимая глюкоза (г) |
|---|---|
| Потребность мозга в углеводах | ~40 |
| Расщепление 180 г жира | 18 |
| Расщепление 20 г белка | 20 |
| Итого продукция глюкозы печенью и почкой в сутки | 38 |
Существует по меньшей мере четыре возможных механизма, через которые кетоз способствует сбережению белка: снижение потребности в глюкозе, снижение потерь азота через почки, возможное прямое влияние на синтез белка и снижение уровня тиреоидных гормонов.
Это, вероятно, главный механизм, через который кетоз сберегает азот (и, соответственно, белок) — подробно рассмотрен в предыдущих разделах: за счёт сдвига общего метаболизма организма к жиру и кетонам (особенно в мозге) меньше белка конвертируется в глюкозу, и белок сберегается.
Автор отмечает: предотвращение развития кетоза (с помощью препаратов или избыточного количества углеводов пищи) поддерживает потери азота на уровне, характерном для голодания. То есть развитие кетоза — критический аспект предотвращения избыточных потерь азота в период недостаточного потребления калорий. Это говорит о том, что некетогенные низкоуглеводные диеты (часто используемые бодибилдерами) могут на самом деле вызывать большие потери белка, поскольку препятствуют максимальному использованию жира организмом как топлива (этот вопрос рассматривается в главе 6).
Почка — основное место поглощения кетонов, и накопление кетонов в почке имеет как минимум два метаболических эффекта: усиление выведения кетонов с мочой (обнаруживается тест-полосками Ketostix) и нарушение поглощения мочевой кислоты (рассматривается в главе 7).
Выведение кетонов через почки имеет важное значение для сбережения азота: почка производит аммиак (требующий азота) как основание для нейтрализации кислотной природы кетонов и предотвращения закисления мочи. Это, как минимум, одно из возможных мест увеличения потерь белка при кетозе. По всей видимости, именно увеличенное выведение аммиака может быть основой давнего представления в бодибилдинге о том, что выведение кетонов указывает на потерю белка.
Однако по мере развития кетоза в почке формируется адаптация, предотвращающая избыточную потерю аммиака: по мере роста концентрации кетонов в крови почка увеличивает их реабсорбцию (обратное поглощение). Если бы это увеличенное поглощение сопровождалось увеличенным выведением кетонов, происходила бы дальнейшая потеря азота через продукцию аммиака.
Однако выведение кетонов с мочой не увеличивается, оставаясь чрезвычайно стабильным с первых дней кетоза. Поэтому большая часть кетонов, поглощаемых почкой, не выводится. Реабсорбция кетонов, по всей видимости, является адаптацией, предотвращающей дальнейшие потери азота, которые иначе происходили бы из-за усиленного синтеза аммиака. Эта адаптация потенциально способна сберечь 7 г азота (приблизительно 42 г белка тела) в сутки от потери.
Хорошо установлено, что расщепление белка снижается в процессе адаптации к полному голоданию, и одним из механизмов этого снижения является уменьшение потребности мозга в глюкозе. Также высказывалось предположение, что сбережение белка напрямую связано с кетозом. Многие популярные авторы предполагали, что кетоны напрямую обладают антикатаболическим эффектом, однако это не подтверждается всеми исследованиями.
Как описывалось ранее, мышцы получают до 50% энергопотребностей из кетонов в первые дни кетоза, но этот показатель быстро падает, и к третьей неделе кетоза мышцы получают из кетонов лишь 4–6% энергии. Это становится важным при рассмотрении временной динамики сбережения азота при кетозе.
Несколько исследований изучали влияние на распад белка при инфузии кетоновых тел на уровнях, сопоставимых с голоданием или кетогенной диетой. Из этих исследований три показали снижение распада белка, два других — не показали. Одно исследование предполагало, что кетоны напрямую анаболичны. Особенность этих исследований в том, что инфузия кетонов (обычно в виде солей кетонов, таких как ацетоацетат натрия) вызывает повышение pH крови — в противоположность лёгкому снижению pH крови, обычно наблюдаемому на кетогенной диете.
По меньшей мере одно исследование предполагает, что именно рост pH, а не сами кетоны, ответственен за снижение распада белка; приём бикарбоната натрия также может снижать распад белка на кетогенной диете. Однако, поскольку pH крови нормализуется в течение нескольких дней после начала кетоза, тогда как максимальное сбережение белка не наступает до третьей недели, представляется маловероятным, что изменения pH крови способны объяснить белоксберегающий эффект кетоза.
Автор отмечает, что эти исследования отличаются от обычного физиологического состояния кетоза по нескольким причинам: используемая смесь кетоновых солей химически не идентична кетонам, появляющимся в кровотоке; кроме того, повышение pH при инфузии кетоновых солей прямо противоположно снижению pH на кетогенной диете, что указывает на различие в эффекте. Поэтому кетоны, образующиеся в ходе естественного метаболического кетоза, всё же могут иметь прямой антикатаболический эффект.
Возможно, самый серьёзный аргумент против идеи о прямом антикатаболическом действии кетонов — временная динамика изменений азотистого баланса. Большинство исследований с инфузией проводились на людях, голодавших короткое время — ночь или несколько дней. Основное снижение потерь азота наступает не ранее третьей недели кетоза, когда мышцы уже почти не используют кетоны значимым образом. Все эти данные затрудняют построение механизма, по которому кетоны напрямую влияют на расщепление мышечного белка. По всей видимости, в противоположность распространённому мнению, кетоны не оказывают прямого антикатаболического эффекта.
Четвёртый возможный механизм, по которому кетоз может снижать расщепление белка, связан с тиреоидными гормонами, в первую очередь трийодтиронином (Т3). Т3 — один из наиболее активных гормонов в организме человека: хотя его чаще всего воспринимают просто как регулятор метаболической скорости, он влияет практически на все ткани организма, включая синтез белка. Снижение Т3 замедляет синтез белка, и наоборот. Это, среди прочего, одна из причин, почему низкоуглеводные диеты не идеальны для людей, желающих набрать мышечную массу: снижение Т3 негативно влияет на синтез белка.
В организме есть два типа тиреоидных гормонов: основной активный гормон — Т3 (трийодтиронин), отвечающий за большинство метаболических эффектов; второй — Т4 (тироксин), приблизительно в пять раз менее метаболически активный, чем Т3, и считающийся депо-формой Т3 (может конвертироваться в Т3 в печени).
Уровень Т3 в организме в первую очередь связан с содержанием углеводов в рационе, хотя калорийность также играет роль. При калорийности выше 800 ккал/сутки именно содержание углеводов в рационе является критическим фактором регуляции уровня Т3, и минимум 50 г углеводов в сутки необходим для предотвращения падения Т3. Напротив, в одном исследовании диета на 1500 ккал, содержащая 50% углеводов и 50% жира, всё же вызывала падение Т3 — это указывает на то, что потребление жира также может влиять на метаболизм тиреоидных гормонов.
При калорийности ниже 800 ккал/сутки, даже если 100% этих калорий приходится на углеводы, уровень Т3 снижается. В течение первых дней кетогенной диеты Т3 быстро падает. Это часть адаптации, предотвращающей потери белка, и добавление синтетического Т3 увеличивает потери азота на кетогенной диете. Фактически, способность быстро снижать уровень Т3 может быть одним из факторов, определяющих, сколько белка будет сбережено при дитинге.
Существуют два распространённых синдрома, связанных с низким уровнем Т3, которые необходимо различать между собой. Гипотиреоз — заболевание, характеризующееся более высоким, чем в норме, уровнем тиреотропного гормона (ТТГ) и сниженными уровнями Т3 и Т4. Симптомы включают усталость и сниженную метаболическую скорость.
Снижение Т3 при гипотиреозе необходимо отличать от снижения Т3, наблюдаемого при дитинге или ограничении углеводов. Низкий уровень Т3 при нормальных уровнях Т4 и ТТГ (как наблюдается на кетогенной диете) клинически известен как синдром эутиреоидной слабости (ESS) и не сопровождается метаболическими нарушениями, характерными для гипотиреоза. Снижение Т3 не выглядит связанным со снижением метаболической скорости на кетогенной диете.
Как и в случае с другими гормонами организма (например, инсулином), снижение уровня циркулирующего Т3 может компенсироваться увеличением активности и/или числа рецепторов. Это было продемонстрировано в мононуклеарных клетках крови, но не изучалось в человеческих мышечных или жировых клетках. Таким образом, хотя уровень Т3 на кетогенной диете снижается, это, по всей видимости, не является причиной снижения метаболической скорости.
| Термин | Определение по тексту главы |
|---|---|
| Глюконеогенез | Производство новой глюкозы из неуглеводных источников (аланин, глутамин, лактат, пируват, глицерол) |
| Аланин, глутамин | Аминокислоты, высвобождаемые из мышц и используемые печенью/почкой для производства глюкозы при голодании |
| Азотистый баланс / потери азота | Показатель распада белка организма; используется для расчёта количества расщеплённого белка тела |
| Т3 (трийодтиронин) | Основной активный тиреоидный гормон, влияющий на метаболическую скорость и синтез белка во всех тканях |
| Т4 (тироксин) | Депо-форма Т3, приблизительно в 5 раз менее метаболически активна, конвертируется в Т3 в печени |
| Синдром эутиреоидной слабости (ESS) | Снижение Т3 при нормальных Т4 и ТТГ, наблюдаемое при дитинге/ограничении углеводов; не сопровождается метаболическими нарушениями гипотиреоза |
| Гипотиреоз | Заболевание: повышенный ТТГ, сниженные Т3 и Т4, усталость и сниженная метаболическая скорость |