МИХАЙЛОВА Е.А. 1, ЛОКОШКО Д.В. 2, БОЛЬШАКОВА Е.М. 3
1  Харьковский национальный медицинский университет, ГУ «Институт охраны здоровья детей и подростков» Национальная академия медицинских наук Украины , Харьков, Украина
2  МДП «Институт проблем управления» Национальная академия наук Украины , Харьков, Украина
3  Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новосибирский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российская Федерация , Новосибирск, Российская Федерация

НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ОБРАЗОВАНИЕ: АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ, ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗВИТИЯ. Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. Под общей редакцией А.В. Туголукова. 2020 год. Издательство:  Индивидуальный предприниматель Туголуков Александр Валерьевич (Москва)

• Публикация в РИНЦ

Аннотация:

В статье изложены современные взгляды на энергетическое обеспечение деятельности человеческого организма. Рассмотрены преимущества и недостатки разных путей получения энергии. Изложены принципы энергетического катаболизма кетоновых тел. Дана характеристика целесообразности их применения для восстановления после нагрузок, а также для увеличения выносливости при усиленной физической и когнитивной деятельности.

Ключевые слова: энергетический обмен, энергоснабжение организма, аденозинтрифосфат, глюкоза, глюконеогенез, жирные кислоты, кетоновые тела, β-гидроксибутират, ацетоацетат, ацетон, низкоуглеводные диеты, экзогенные кетоны, физиологический кетоз.

The article outlines modern views on the energy supply of the human body. The advantages and disadvantages of different ways of generating energy are considered. The principles of energy catabolism of ketone bodies are stated. The characteristic of the appropriateness of their use for recovery after exercise, as well as to increase endurance with increased physical and cognitive activity, is given.

Keywords: energy metabolism, body energy supply, adenosine triphosphate, glucose, gluconeogenesis, fatty acids, ketone bodies, β-hydroxybutyrate, acetoacetate, acetone, low-carb diets, exogenous ketones, physiological ketosis.

Любая деятельность человека, будь-то осознанная физическая активность и умственное напряжение или же физиологические процессы, протекающие без участия сознания, требует адекватного энергетического обеспечения. Его дефицит может проявляться как рядом транзиторных метаболических нарушений, так и падением когнитивных возможностей, снижением резистентности к физическим нагрузкам, а иногда даже адаптационными срывами и/или клинической манифестацией ранее скрытых патологий  [21].

Источником энергообеспечения для животных организмов являются ступенчатые окислительные реакции, в ходе которых ряд химических органических соединений распадается с образованием менее энергетически ценных конечных продуктов и выделением энергии. При этом внешние субстраты должны быть трансформированы в клетке в определенную форму, удобную для обеспечения внутриклеточных энергетических нужд. Такой формой преимущественно является молекула аденозинтрифосфата (АТФ) [8].

Основных путей поддержки энергетического баланса клетки два: использование в качестве субстрата глюкозы или липидных фракций. Первый вариант менее затратен с точки зрения расхода энергии и протекает быстрее. Недостатком его является меньший объем энергии, получаемой на выходе. Так, при максимальной эффективности утилизации глюкозы из ее одной молекулы производится 38 молекул АТФ [22].

Второй путь получения энергии – это катаболизм жиров. Многие клетки человеческого организма способны непосредственно использовать жирные кислоты, как основной источник энергии. Этот механизм запускается при дефиците углеводов в пище, при  длительной физической или умственной нагрузке, ведущих к истощению их запасов, а также в любых других ситуациях, когда в ткани не поступает достаточный объем глюкозы [23]. Процесс получения энергии из жиров более длителен, требует некоторых энергозатрат, но в итоге дает больше АТФ, чем при утилизации глюкозы. Так, при полном окислении одной молекулы стеариновой кислоты образуются в сумме 148 молекул АТФ. И с учетом того, что при реакции стеариновой кислоты с КоА на первом этапе этого биохимического каскада расходуются 2 молекулы АТФ, окончательный баланс АТФ составляет +146 молекул [9].

Однако, головной мозг и другие отделы нервной системы не способны переходить на липидное энергообеспечение. Зато в качестве альтернативного «топлива» они могут использовать кетоновые тела, в которые жирных кислоты превращаются в печени в цикле трикарбоновых кислот [2]. К кетоновым телам относят β-гидроксибутират, ацетоацетат и ацетон.

Состояние, при котором липиды активно метаболизируются в печени с образованием кетоновых тел называется физиологическим кетозом. Кетоз – важный приспособительный механизм, который позволяет центральной нервной системе, а значит и всему организму выжить в условиях острой недостаточности богатых углеводами растительных продуктов, переключившись на пищу животного происхождения [1].

Клеточные мембраны и другие естественные тканевые барьеры (например, гематоэнцефалический) проницаемы для кетоновых тел, которые обладают хорошей водорастворимостью. Благодаря этому они без проблем достигают клеток нервной системы и работают, как полноценный и достаточный источник энергии для них в условиях дефицита углеводов [10].

Вышеописанный механизм служит биохимическим обоснованием эффективности низкоуглеводных диет, которые искусственно инициируют липолиз с образованием кетоновых тел. В этом случае организм активно расходует собственные жировые запасы, что позволяет охарактеризовать этот процесс, как эндогенный кетоз. Ситуация меняется в случае, если алиментарная недостаточность углеводов возникает на фоне отсутствия излишних жировых отложений, то есть цель нормализовать массу тела не преследуется. В этом случае субстрат для кетоза, и, в частности КоА, будет извлекаться путем разрушения мышечных клеток, что чаще всего является нежелательным результатом [3]. Решением в данном случае послужит введение кетоновых тел извне, то есть, экзогенный кетоз.

Ситуации, в которых необходим искусственно индуцированный кетоз с подпиткой экзогенными кетоновыми телами, связаны в первую очередь с необходимость предоставить нервной системе и мышечному аппарату дополнительное количество энергии и увеличить физическую выносливость [25]. Так, например, подобные подходы нередко практикуют профессиональные спортсмены, особенно те, кто занимается стайерскими видами спорта – марафон, триатлон, велогонки и т.д. Содержание жира в организме таких людей и так относительно невелико, а значит, низкоуглеводная диета может привести к потере мышечной массы. Прием экзокетонов предотвращает данный негативный эффект, одновременно обеспечивая снижение утомляемости и лучшую переносимость нагрузок [6].

Многие исследователи отмечают, что экзогенные кетоны применимы не только в спорте высоких достижений. Продукты с кетоновыми телами будут полезны всем, кто ведет активный образ жизни и одновременно ограничивает свое потребление углеводов. Такой подход позволит эффективнее наращивать мышечную массу, дольше и успешнее переносить физические нагрузкам даже спортменам-любителям [17].

Еще одно подтвержденное в клинических исследованиях действие экзокетонов – нейропротекторное [4]. Получая большее количество энергии ткани центральной нервной системы менее подвержены повреждениям при нейродегенеративных патологиях, при дисциркуляторной энцефалопатии, при токсических поражениях [5]. Кроме того, поступающие извне кетоновые тела способны улучшить и сопротивляемость психоэмоциональным стрессам. Отмечен положительный эффект экзогенных кетонов в профилактике болезней Альцгеймера и Паркинсона, а также старческой деменции [14]. Есть сведения и о том, что они обладают психотоническими свойствами в виде антидепрессантного действия [7]. Наконец, высокий уровень энергообеспечения головного мозга закономерно ведет к расширению когнитивных возможностей здорового человека, позволяет ему дольше сохранять концентрацию и работоспособность [26].

При этом не следует забывать, что даже при низкоуглеводной диете с использованием кетоновых тел, как энергетического топлива, некоторое количество углеводов все равно необходимо включать в своей ежедневный рацион питания. Дело в том, что кетоны обеспечивают только около 80% всей потребности мозга в энергии. Одновременно они снижают уровень глюкозы в крови, ограничивая печеночный глюконеогенез и стимулируют поглощение периферической глюкозы [11]. Следовательно, необходимо следить за тем, чтобы уровень глюкозы в крови не падал ниже 3,58 ммоль/л, то есть, не допускать возникновения гипогликемических состояний [12]. Важность этого требования обусловлена наличием в организме человека строго глюкозозависимых тканей и органов, не способных в качестве источника энергии использовать ни жирные кислоты, ни кетоновые тела. Такими тканями являются, например, хрусталик, корковое вещество почек, сосудистый эндотелий, эпителиальные клетки кишечника и др. [13].

Выходом в подобной ситуации является то, что данная схема питания предполагает строгий отказ только от простых углеводов, к которым относятся преимущественно моно- и олигосахариды. А вот полисахариды, в первую очередь те, которые содержатся в грубой клетчатке и растительных волокнах, в рационе питания следует оставить. Помимо обеспечения организма минимально необходимым количеством углеводов, такие продукты необходимы еще и для сохранения нормального пищеварения [27].

Кроме того, прием кетоновых тел также должен сопровождаться употреблением веществ-пребиотиков для стимуляции кишечной микробиоты, мультивитаминных и минеральных комплексов с упором на витамин D и кальций [18]. Также следует помнить, что кетогенная диета вызывает уменьшение объемов жидкости, удерживаемой в организме [20]. Следовательно, необходимо ежедневно пить воду в количестве 1 л на 30 кг веса человека.

Еще один важный момент состоит в недопущении перехода физиологического кетоза в патологический, также называемый кетоацидозом. В первом случае в организм должен поступать именно тот объем кетоновых тел, который ему требуется для получения энергии, то есть все кетоновые тела должны утилизироваться с синтезом АТФ [15]. Данный процесс также носит название управляемого кетоза. Для того чтобы не утратить эту управляемость, следует периодически убеждаться в отсутствии кетоновых тел в моче путем ее биохимического анализа. Их появление там говорит о потере контроля над кетозом и должно быть поводом для принятия лечебных мер [28].

Кроме того, кетозы с экзогенной подпиткой, как метод увеличения энергоснабжения ЦНС и других систем, нельзя использовать у лиц, которые уже имеют любые метаболические нарушения. Также кетоновые тела продукты не должны применяться при почечных и/или печеночных патологиях, в ходе беременности и в лактационный период [16].

Примечательным является тот факт, что доля высокоуглеводной пищи среди продуктов питания, производимых сегодня в мире, составляет около 75%. Специалисты в области диетологии, эндокринологии, гастроэнтерологии и других медицинских дисциплин называют это одним из ведущих факторов увеличения количества случаев ожирения, метаболических нарушений и патологий пищеварительной и сердечно-сосудистой систем [29]. В этом свете разработка новых пищевых продуктов, которые можно использовать как источник экзогенных кетонов на фоне низкоуглеводной диеты является крайне востребованным направлением. Более того, оно полностью укладывается в рамки Межведомственной стратегии формирования здорового образа жизни, профилактики и контроля неинфекционных заболеваний, принятой к реализации в Российской Федерации. Одна из ключевых задач данной стратегии заключается в снижении потребления простых сахаров жителями нашей страны [19]. Систематическое употребление продуктов, предоставляющий хорошую альтернативу углеводам, как энергетическому топливу, поможет замедлить процессы старения, станет профилактикой множества метаболических нарушений и повысить качество вашей жизни.

Одним из наиболее перспективных представителей таких продуктов является T8 ERA EXO, который изготавливает компания VILAVI INT LTD. Основой его служит β-гидроксибутират, представленный здесь в виде натриевых, кальциевых и магниевых солей. Они не только быстро метаболизируются, высвобождая кетоновые тела, но и обеспечивают приток важнейших микроэлементов. Данный продукт рекомендован прежде всего тем, кто желает получить стресспротекторный эффект, а также увеличить свою физическую и когнитивную выносливость.

Список использованной научной литературы:

1. Gordon J. Azar. Similarities of Carbohydrate Deficiency and Fasting // Archives of Internal Medicine. 1963., Vol. 112, iss. 3., P. 338. 

2. Pittier A., Corrigan F. The Ketogenic Diet: Healthy or Harmful? A Review In Light Of Its Renewed Popularity // Trinity Student Medical Journal. 2001., Vol. 2, no. 5. 

3. Freeman, John M., Eric H. Kossoff, Adam L. Hartman. The Ketogenic Diet : One Decade Later // Pediatrics. 2007., Vol. 119, no. 3 (March). — P. 535 − 543. 

4. Stafstrom, C. E., J. M. Rho. The ketogenic diet as a treatment paradigm for diverse neurological disorders // Frontiers in Pharmacology. 2012., Vol. 3. 

5. McDonald, Tanya J. W., Mackenzie C. Cervenka. The Expanding Role of Ketogenic Diets in Adult Neurological Disorders // Brain Sciences. 2018., Vol. 8 (August)., P. E148. 

6. Volek, Jeff S., Daniel J. Freidenreich, Catherine Saenz. Metabolic characteristics of keto-adapted ultra-endurance runners. Metabolism. 2016., Vol. 65, no. 3., P. 100 – 110. 

7. Отчет о клинических испытаниях продуктов с кетоновыми телами на базе отдела лечебного и профилактического питания, отдела клинико– инструментальных методов исследования и отдела клинической диагностики и профилактики алиментарных нарушений ГУ НИИ питания РАМН. Москва, 2003. 

8. Дудченко А.М. Энергетический метаболизм и механизмы стабилизации АТФ в гепатоцитах при гипоксии. // Диссертация на соискание ученой степени доктора медицинских наук. НИИ общей патологии и МНПК «НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ОБРАЗОВАНИЕ: АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ, ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 147 патофизиологии РАМН. Москва, 2003. 

9. Негода А.Е. Механизм функционирования и регуляция митохондриального АТФ канала. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук. Пущино, 2001. 

10. Джозеф Меркола «Клетка на диете. Научное открытие о влиянии жиров на мышление, физическую активность и обмен веществ. (Открытия века: новейшие исследования человеческого организма во благо здоровья). // Москва: Издательство «Э», 2018., 400 с. 

11. Gershuni, Victoria M. Nutritional Ketosis for Weight Management and Reversal of Metabolic Syndrome // Current Nutrition Reports. 2018., Vol. 7, no. 3. 

12. Mikkelsen, K. H., Seifert, T., Secher, N. H., Grondal, T., and van Hall, G. Systemic, cerebral and skeletal muscle ketone body and energy metabolism during acute hyper-D-beta-hydroxybutyratemia in post-absorptive healthy males. // The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism. 2015., 100, 636 – 643. 

13. Энфельдт А. Революция в еде. LCHF Диета без голода // ЗАО Фирма «Бертельсманн Медиа Москау АО», 2014., 256 с. 

14. S. A. Hashim and T. B. Vanitallie. Ketone Bodytherapy: from ketogenic diet to oral administration of ketone ester, Journal of Lipid Research, 2014. 

15. В. С. Лукьянчиков. Кетоз и кетоацидоз. Патобиохимический и клинический аспект. // Русский медицинский журнал. 2004., № 23., стр. 1301. 

16. Bravata D., Sanders L, Huang J, Krumholz H., Olkin I, Gardner C. Efficacy and safety of low-carbohydrate diets: a systematic review. // Journal of the American Medical Association, 2003. 289\14.: 1837 – 1850. 

17. Adam Zajac, Stanisław Poprzecki, Adam Maszczyk, Miłosz Czuba, Małgorzata Michalczyk, Grzegorz Zydek. The Effects of a Ketogenic Diet on Exercise Metabolism and Physical Performance in Off-Road Cyclists. Nutrients. 2014., Jul.; 6 (7): P. 2493 – 2508. 

18. Timothy David Noakes, Johann Windt. Evidence that supports the prescription of low-carbohydrate high-fat diets: a narrative review. British Journal of Sports Medicine. 2017., Vol. 51., Iss. 2., P. 133 – 140. 

19. Межведомственная стратегия формирования здорового образа жизни, профилактики и контроля неинфекционных заболеваний до 2025 года: https://www.gnicpm.ru/UserFiles/PROEKT_STRATEGII_NIZ-210616.pdf. [Электронный документ] Сайт ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр профилактической медицины» Министерства здравоохранения РФ. 

20. Hall, K. D., K. Y. Chen, J. Guo. Energy expenditure and body МНПК «НАУКА, ТЕХНОЛОГИИ, ОБРАЗОВАНИЕ: АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ, ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ» 148 composition changes after an isocaloric ketogenic diet in overweight and obese men. // American journal of clinical nutrition. 2016., Vol. 104, no. 2 (August)., P. 324 − 333. 

21. Masino, Susan. Ketogenic Diet and Metabolic Therapies : Expanded Roles in Health and Disease. 2016. 

22. Davies H. J., Baird I. M., Fowler J., et al. // Metabolic response to low– and very–low–calorie diets. The American Journal of Clinical Nutrition. 1989., Vol. 10., P. 27 – 31.

23. Koeslag, J. H., Noakes, T. D., and Sloan, A. W. Post-Exercise Ketosis. // Journal of Physiology. 1980, Vol. 301, P. 79 – 90. 

24. Phinney, Stephen D. and Jeff S. Volek. The Art and Science of Low Carbohydrate Living: An Expert Guide to Making the Life-Saving Benefits of Carbohydrate Restriction Sustainable and. Beyond Obesity, 2011., 302 p. 

25. Balasse, E., and Ooms, H. A. Changes in the concentrations of glucose, free fatty acids, insulin and ketone bodies in the blood during sodium hydroxybutyrate infusions in man. // Diabetologia. 1968, Vol. 4, P. 133 – 135. 

26. Gasior, M. A. Rogawski R. N., Hartman, A. L. Neuroprotective and disease-modifying effects of the ketogenic diet. // Behavioural Pharmacology., 2006., Vol. 17, no. 5 – 6., P. 431 – 439. 

27. Ole Snorgaard, Grith M. Poulsen, Henning K. Andersen, Arne Astrup. Systematic review and meta-analysis of dietary carbohydrate restriction in patients with type 2 diabetes // British Medical Journal. Open Diabetes Research and Care. 2017-02-01., Vol. 5., iss. 1., P. e000354. 

28. Kossoff, E. H., A. Zupec-Kania, J. M. Rho. Ketogenic diets : an update for child neurologists // Journal of Child Neurology., 2009., Vol. 24., no. 8 (August)., P. 979 – 988. 29. Барановский, А. Ю. Диетология : руководство. — СПб. : ИД «Питер», 2012., 1025 с.