Запаси енергії

Вуглеводи. Один грам містить приблизно 4 кілокалорії (приблизно 17 кілоджоулів) енергії. При споживанні вуглеводів, вони розщеплюються на моносахариди. Крохмаль розщеплюється на молекули глюкози, цукор – на глюкозу і цукрозу, лактоза – на глюкозу і галактозу. І в такому вигляді ми їх споживаємо.

Жири. Один грам містить приблизно 9 кілокалорій (приблизно 38 кілоджоулів) енергії. Це найвища щільність енергії, доступна нашому організму.

Білки. Вважається, що один грам білків містить приблизно 4 кілокалорії (приблизно 17 кілоджоулів) енергії, як і вуглеводи. Білки, які ми їмо, розщеплюються на окремі амінокислоти, які ми й споживаємо. Але ж ми знаємо, що не всі амінокислоти застосовуються як джерело енергії.  

Авжеж, йдеться про "сухі" речовини, без вмісту вологи.

Для порівняння: АТФ містить 7,3 кілокалорії на моль (маса одного молю АТФ становить 507 грам). Отже, один грам містить приблизно 0,014 кілокалорій (0,059 кілоджоулів) – дуже мала щільність енергії. Зате ця енергія легко доступна майже без втрат, і саме там, де вона потрібна.

Ми вже знаємо, що запаси АТФ мізерні – десь на 100 секунд у спокої і на 10-20 секунд у разі дуже інтенсивної фізичної активності. Але вони у постійній готовності і знаходяться безпосередньо у клітинах, де відбуваються життєві процеси. Так було відпрацьовано еволюцією – у разі небезпеки організм може починати реагувати майже миттєво, а потім ми маємо кілька секунд для прискорення процесів заряджання АТФ. І ці кілька секунд нерідко рятували життя нашим пращурам, та й зараз інколи рятують життя.

Глюкоза зберігається здебільшого у м'язах і печінці у вигляді глікогену. Глікоген – це біологічний полімер, який утворюється навкруги молекули білка глікогеніна, який є ензимом, ініціюючим  утворення ланцюжків із молекул глюкози. Ці ланцюжки легко чіпляють до себе купу молекул глюкози і легко їх віддають коли треба і у потрібній кількості. Легко – це значить, що енергія, що витрачається на причеплення і віддавання цих молекул доволі мала. 

Але є нюанс – разом з молекулами глюкози, глікоген причіпляє до себе й молекули води, а потім їх віддає. В результаті, щільність зберігання енергії у вигляді глікогену невисока, приблизно 1,5 кілокалорій на грам, майже у тричі нижче, ніж у вуглеводів, які ми їмо.

Якщо сховища глюкози (печінка і м'язи) повністю заповнені глікогеном, цього запасу енергії вистачить приблизно на півтори доби життя при дуже помірних фізичних навантаженнях. 

Люди, які намагалися схуднути шляхом голодування, помічали, що у першу добу голодування вони втрачають приблизно кілограм чи більше ваги. Це через отой нюанс – зберігання води разом із глюкозою. Вода виходить, і вага зменшується. А потім запаси глюкози у глікогені знижуються, і втрачання ваги значно уповільнюється.

Жири зберігаються у вигляді жирів. Тобто, щільність енергії у запасах жирів та ж сама, що й у жирів, які ми їмо – приблизно 9 кілокалорій на грам. Жири зберігаються у жировій тканині – спеціальних клітинах, які спеціалізуються на утриманні жирів. Ці клітини можуть суттєво збільшувати свій розмір, щоб прийняти більше жирів, або зменшуються у розмірі, коли жири витрачаються.

При такій щільності енергії, 200-220 грамів жирів достатньо, щоб забезпечити добову потребу енергії людини, фізична активність якої доволі низька. Ми можемо накопичувати "практично необмежені" запаси енергії у вигляді жирів. Точніше, певні обмеження є, але вони лежать за межею здорового глузду і потреб виживання. Наприклад, 9-10 кг жиру дадуть достатньо енергії для 40-45 діб життя без їжі, але ж, окрім енергії, для життя потрібно ще багато чого, тому більше ніж 50 діб зовсім без їжі навряд чи вдасться прожити. Отже, запас жиру понад 8-10 кг не має практичного сенсу. Інколи уточнюють: жирові запаси понад 12% від маси тіла не мають сенсу. Але люди можуть мати його запас у 30 і більше кілограмів, інколи набагато більше.  

При дуже великих запасах жиру у жировій тканині, клітини, які зберігають жир, збільшуються настільки, що не можуть підтримувати власну життєдіяльність і цілісність власної зовнішньої мембрани. І тоді вони гинуть, викидаючи жир, який вони накопичили, прямо в організм. Це призводить до хронічного запалення, яке, у свою чергу, стимулює подальше накопичення жиру.

Жир може бути підшкірним і внутрішнім (вісцеральним). Це та ж сама жирова тканина, але різні місця її розміщення. 

Підшкірний жир одразу помітний, і саме його багато хто хоче позбутися. Але він не становить великої проблеми для здоров'я, хоча його надлишок не добавляє здоров'я.  До того ж, його надлишок виглядає неестетично. Проте є цілком здорові люди із великими запасами підшкірного жиру (але майже без внутрішнього). Певний запас підшкірного жиру забезпечує енергетичну безпеку і значну незалежність від часу наступного прийому їжі.

А от внутрішній жир дуже небажаний. Він накопичується у жировій тканині навкруги внутрішніх органів і заважає їх роботі. Навіть сама його наявність у значній кількості свідчить, що щось в організмі пішло не так.

Найнеприємнішим внутрішнім жиром є жир, який відкладається прямо у печінці та інших органах, навіть не навколо неї.  З часом це призводить до жирової хвороби печінки (ожиріння печінки). А це, у свою чергу, може спричинити цирроз печінки і смерть. Раніше таке бувало лише у людей, які зловживали алкоголем. Але зараз "неалкогольна жирова хвороба печінки" стала поширеним явищем і спостерігається навіть у дітей. Алкогольна ця хвороба, чи ні – різниця тільки в її походженні. А прояви і наслідки однакові. Такий жир зветься ектопічним жиром. І він може відкладатися не тільки в печінці, а й в інших органах, і навіть у м'язах. Він відкладається навіть не у жировій тканині, і не у клітинах органів, а безпосередньо в органах.

Невелику кількість жиру можуть зберігати клітини м'язів прямо у собі. Це підвищує їх здатність реагувати на потребу підвищення фізичної активності. Але не всі люди можуть використовувати ці жири. Люди з ожирінням зберігають більше жиру не тільки у жировій тканині, а й у клітинах м'язів, але ці додаткові жири саме у цих клітинах не означають, що люди з ожирінням здатні на більш інтенсивну фізичну активність. Навпаки, надлишок жирів у клітинах м'язів отруює ці клітини, тому що клітини м'язів людей з ожирінням не можуть ефективно використовувати жир, накопичений у них, як пальне. Треновані спортсмени можуть зберігати приблизно стільки ж жирів у м'язових клітинах, як і люди з ожирінням, але клітини атлетів можуть ці жири ефективно використовувати, тому їх ці жири не отруюють. 

У нас нема запасів білків. Усі білки, які є, для чогось потрібні. І вони постійно оновлюються, для чого вони створюються з амінокислот, які ми отримуємо з їжі. А ті амінокислоти, які не використані для побудови нових білків, не накопичуються, а переробляються на глюкозу. 

І в той же час, у нас є запаси білків. У ситуаціях жорсткого дефіциту білків, або їжі взагалі, організму доводиться визначатися з пріоритетами. Якісь білки є менш пріоритетними, ніж інші, і такі білки можна розібрати на запчастини (амінокислоти) і побудувати з них більш пріоритетні білки. У цьому сенсі м'язи можна розглядати як запас білків. Бо коли нема чого їсти цілими тижнями, не побігаєш і не пострибаєш, і не зможеш робити важку фізичну роботу. Отже, великі м'язи у такій ситуації стають не дуже потрібними, і білки із них використовуються для підтримки сердцево-судинної системи, нервової системи і інших пріоритетних систем. 

До того ж, під час дефіциту білків, організм більш ретельно відноситься до вторинної переробки білків – пошкодженні і зламані білки розбираються на амінокислоти, але не переробляються на глюкозу, а йдуть на створення нових білків на заміну розібраним.

Ми не маємо запасів кетонових тіл, і ми їх майже не споживаємо із їжею. Вони виробляються печінкою із жирних кислот і застосовуються мітохондріями в усіх клітинах, які їх мають (а це всі клітини, окрім еритроцитів) як пальне при нестачі глюкози. При надлишку глюкози кетонові тіла не виробляються. Точніше, вони не виробляються при високому рівні інсуліну, із деякими винятками. А ось коли кетонові тіла є у крові, клітини можуть їх спалювати для заряджання молекул АТФ навіть при високому рівні інсуліну.

Що ж то за деякі винятки?  Це так звані середньоланцюгові тригліцериди – жири із насиченими жирними кислотами, вуглецеві ланцюжки яких мають 8 або 10 атомів вуглецю (а також 6 атомів, але тригліцеридів із такими короткими ланцюжками дуже мало у їжі). Вважається, що при споживанні таких жирів із їжею, печінка виробляє з них кетонові тіла навіть при підвищеному рівні інсуліну.

Вважається, що кетонові тіла є найкращим пальним для мітохондрій.

Це регулювання здійснюється за допомогою гормонів. Найважливішим у керуванні запасами є гормон інсулін. Він виробляється особливими клітинами у підшлунковій залозі (а інші клітини тієї з залози виробляють інші гормони). Його основна функція – підтримувати концентрацію глюкози у крові у межах норми. Як надлишок глюкози у крові, так і її нестача, може призводити до серйозних наслідків, включаючи коматозний стан і смерть.

Коли вміст глюкози в крові збільшується, підшлункова залоза виробляє більше інсуліну, і його вміст також збільшується. Підвищений рівень інсуліну – це команда клітинам м'язів і печінки брати глюкозу із крові і накопичувати її у вигляді глікогену. Одночасно, це команда клітинам жирової тканини не виділяти жир для переробки його в пальне для мітохондрій, а якщо жир є у крові, приймати його у жирові клітини для зберігання. Бо ж треба позбутися надлишку глюкози, тому споживання жиру як джерела енергії блокується. Якщо ж "склади" глікогену вже вщент забиті, а вміст глюкози в крові все ще високий, підвищений рівень інсуліну зберігається, і це вже команда печінці переробляти глюкозу у жири, і команда жировим клітинам ті жири накопичувати. Це цілком можливо, бо для зберігання жирів практично нема обмежень.

Коли вміст глюкози в крові знижується, через певний час знижується і рівень інсуліну. Базовий (нормальний) рівень інсуліну – це команда клітинам м'язів і печінки припинити брати глюкозу із крові і витрачати запаси глікогену. Одночасно, низький рівень інсуліну – це команда жировим клітинам видавати жири у кров, і команда печінці виробляти із жирів жирні кислоти і кетонові тіла, щоб решта клітин могла вживати це пальне для заряджання АТФ замість глюкози. Якщо ж глюкози у крові стає надто мало, ще нижчий рівень інсуліну дає сигнал печінці виділити глюкозу із своїх запасів глікогену, або виробити її із жирів чи амінокислот для підтримання нормального рівня глюкози в крові.

Увага! Тут НЕ йдеться про надто низький або нульовий рівень інсуліну. Нульовий або майже нульовий рівень інсуліну – це перша форма діабету – дуже небезпечне автоімунне захворювання. При ньому спеціальні клітини підшлункової залози втрачають здатність виробляти інсулін. Людям з таким захворюванням треба приймати інсулін (через ін'єкції), бо інакше вони можуть швидко померти.

Зазвичай, рівень інсуліну починає зростати із невеличким запізненням услід за збільшенням рівня глюкози, але якщо ми їмо щось солодке, організм може почати збільшення рівня інсуліну трохи заздалегідь, бо зазвичай щось солодке означає глюкозу (може, ще й фруктозу), і це значить, що скоро глюкози у крові стане більше, тож організм спрацьовує на випередження.

Скоро рівень інсуліну перевищує рівень межі витрачання жирів. Коли інсулін вище цієї межі, жири витрачати неможна. Навпаки, їх слід накопичувати. Також слід накопичувати глюкозу у вигляді глікогену, або переробляти її у печінці на жири і накопичувати ці жири.

Коли вся їжа перетравлена, і поживні речовини з неї надійшли у кров, рівень глюкози починає поступово знижуватися, і за ним знижується рівень інсуліну. Коли рівень інсуліну стає нижчим за поріг витрачання жирів, організм може витрачати як глюкозу, накопичену у глікогені, так і жири для утворення жирних кислот і кетонів у якості пального для мітохондрій. І так до наступної їжі, якщо система регулювання працює правильно.

Ми розглянули регулювання процесів накопичення і витрачання за допомогою інсуліну. Але ж ще треба регулювати, скільки ми їмо.

Для цього в організмі є додаткові механізми регулювання. Вони оцінюють запаси енергії і інтенсивність їх витрачання, а також періодичність поповнення запасів, і видають відповідні сигнали за допомогою спеціальних гормонів.

Є гормон, який сигналізує, що вже пройшов певний час від попереднього прийому їжі, і можливо не завадило б трохи поїсти.  Це не значить, що у нас закінчується енергія, і нам конче необхідно поїсти, щоб не вмерти. Це просто нагадування. Сигнал цього гормону відчувається як легкий голод, або апетит, але він не вимагає миттєвої дії. Хтось цей сигнал може легко проігнорувати, або навіть не помітити, якщо чимось зайнятий. Хтось інший відчуває майже паніку і біжить їсти. Але у принципі це некритичний сигнал, і реакцію на нього можна тренувати.

Є гормон, який сигналізує ситість, коли кількість набраної енергії є достатньою. Цей сигнал "обчислюється" організмом з урахуванням типових витрат енергії, інтервалів і обсягів поповнення запасів, можливих екстремальних ситуацій, які можуть або раптово збільшити споживання енергії, або раптово зменшити її надходження. Тобто, цей сигнал виробляється, коли запаси енергії поповнені достатньо з урахуванням можливих непередбачуваних ситуацій. По мірі витрачання енергії, кількість цього гормону знижується, і відчуття ситості проходить. Тоді сигнал про те, що не завадило б поїсти, стає відчутнішим.

І ще є сигнал, який виробляється, коли стрімко знижується рівень глюкози в крові. Навіть якщо рівень глюкози ще навіть вищий, ніж бажана норма, але стрімко знижується, це може бути потенційно небезпечним, бо хто ж знає, коли це стрімке зниження припиниться. Потенційна небезпека не означає реальну і неминучу небезпеку, адже глюкоза може різко знижуватися тому, що різко піднявся інсулін і "розпихує" надлишки тієї глюкози по клітинам. Глюкоза знизиться, і інсулін теж,  і подальше зниження глюкози або не буде надто різким, або припиниться. Але цей сигнал потенційної небезпеки доволі сильний, і він сильніше за сигнал ситості. І тоді бажання поїсти стає майже нестерпним.

І це ще не все. Ще бувають стреси, які вимагають різких змін фізичної активності (треба тікати або боротися, щоб зберегти життя). У таких випадках краще чимось пожертвувати, щоб зберегти головне. І це також регулюється як нервовою системою, так і гормонами. І є також інші ситуації, які потребують регулювання процесів споживання, накопичення і витрачання енергії. Наприклад, перед тим, як ми прокидаємося, організм дещо збільшує рівень глюкози в крові (а вслід за цим, і рівень інсуліну), щоб гарантувати наявність глюкози у м'язах на момент збільшення фізичної  активності після прокидання. До речі, через цей ефект недоцільно вимірювати рівень глюкози одразу після прокидання, а слід почекати десь близько години.

У нас дуже малі запаси енергії в АТФ, менш, ніж на дві хвилини життя, і їх треба постійно поповнювати. 

Ми тримаємо запаси глюкози у вигляді глікогену, і їх може вистачити на півтори-дві доби життя при помірній фізичній активності. 

Ми тримаємо запаси жирів у клітинах жирової тканини, і ці запаси можуть бути дуже великими, навіть значно більшими, ніж потрібно для практичних цілей.  Із жирів наша печінка може виробляти жирні кислоти і кетонові тіла як пальне для мітохондрій. Також частина жирів (десь до 10%) може бути перетворена на глюкозу. Жирова тканина може бути підшкірною і внутрішньою (вісцеральною), і ще жир може накопичуватися у печінці (і в інших органах). Багато вісцерального жиру – це погано. Відкладення жиру у печінці – дуже погано. Дуже багато підшкірного жиру, мабуть, теж погано (хоч і не так погано, як вісцеральний жир), а ще це неестетично. Проте, потреба у його запасі дуже індивідуальна, і є цілком здорові люди з великими запасами саме підшкірного жиру. А ще такий запас потрібен для енергетичної безпеки організму, але запас понад 8-10 кг не має практичного сенсу.

Ми не маємо спеціальних запасів білків, але в ситуаціях продовженої нестачі чи відсутності їжі ми можемо використовувати білки наших м'язів як джерело амінокислот для продукування найбільш пріоритетних білків і як джерело енергії. Також ми можемо використовувати деякі "зайві" амінокислоти (ті, які не знадобилися для побудови наших білків) для продукування глюкози. 

Інсулін підтримує нормальний рівень глюкози у крові. При підвищенні глюкози у крові підвищується також і інсулін. Підвищений рівень інсуліну "командує" клітинам м'язів і печінки брати глюкозу із крові і накопичувати її у глікогені. Якщо м'язи і печінка вже забиті глюкозою вщент, печінка переробляє її на жир. Також підвищений рівень інсуліну "забороняє" витрачати жири і "командує" накопичувати жири, бо витрачати жири "не на часі", тому що треба знизити рівень глюкози до нормального.

Регулювання запасів включає в себе також регулювання споживання їжі. Для цього є сигнали ситості і сигнали голоду. Сигнали голоду можуть бути оманливими, коли до дефіциту енергії ще дуже далеко. І деякі з цих сигналів можуть заглушити сигнали ситості, примушуючи нас їсти більше, ніж нам треба.