Запасы энергии

Углеводы. Один грамм содержит примерно 4 килокалории (примерно 17 килоджоулей) энергии. При потреблении углеводов, они расщепляются на моносахариды. Крахмал расщепляется на молекулы глюкозы, сахар – на глюкозу и фруктозу, лактоза – на глюкозу и галактозу. И в таком виде мы их потребляем.

Жиры. Один грамм жира содержит примерно 8 килокалорий (примерно 38 килоджоулей) энергии. Это наивысшая плотность энергии, доступная нашему организму.

Белки. Считается, что один грамм белков содержит примерно 4 килокалории (примерно 17 килоджоулей) энегрии, как и углеводы. Белки, которые мы едим, расщепляются на аминокислоты, которые мы потребляем. Но мы же знаем, что не все аминокислоты используются как источник энергии.  

Конечно, речь идёт о "сухих" веществах, без содержания влаги.

Для сравнения: АТФ содержит 7,3 килокалорий на моль (масса одного моля АТФ составляет 507 грамм). То есть, один грамм содержит примерно 0,014 килокалорий (0,059 килоджоулей) – очень маленькая плотность энергии. Зато эта энергия легкодоступна почти без потерь, и именно там, где она нужна.

Мы уже знаем, что запасы АТФ мизерные – примерно на 100 секунд в покое и на 10-20 секунд при очень интенсивной физической активности. Но они в постоянной готовности и находятся непосредственно в клетках, где происходят жизненные процессы. Так было отработано эволюцией – в случае опасности организм может реагировать почти мгновенно, а потом у нас есть ещё несколько секунд для ускорения процесса заряжания АТФ. И эти несколько секунд нередко спасали жизнь нашим предкам, да и сейчас иногда спасают жизнь.

Глюкоза хранится в основном в мышцах и печени в виде гликогена. Гликоген – это биологический полимер, который формируется вокруг молекулы белка гликогенина, который является энзимом, инициирующим образование цепочек из молекул глюкозы. Эти цепочки легко прицепляют к себе кучу молекул глюкозы и легко отдают их когда нужно и в нужном количестве. Легко – это значит, что энергия, которая расходуется на присоединение и отдачу этих молекул довольно мала.

Но есть нюанс – вместе с молекулами глюкозы, гликоген прицепляет к себе и молекулы воды, а потом отдаёт их. В результате, плотность хранения энергии в виде гликогена невысокая, примерно 1,5 килокалорий на грамм, почти в три раза ниже, чем у углеводов, которые мы едим.

Если хранилища глюкозы (печень и мышцы) полностью заполнены гликогеном, этого запаса энергии хватит примерно на время до полутора суток при очень умеренных физических нагрузках. 

Люди, которые пытались похудеть путём голодания, замечали, что в первые сутки воздержания от еды они теряют примерно килограмм или больше веса. Это через тот самый нюанс – накопление воды вместе с глюкозой. Вода выходит, и вес уменьшается, а потом запас глюкозы в гликогене снижается, и потеря веса значительно замедляется.

Жиры хранятся в виде жиров. То есть, плотность энергии в запасах жиров такая же, как и в жирах, которые мы едим – примерно 9 килокалорий на грамм. Жиры сохраняются в жировой ткани – особых клетках, специализирующихся на удержании жиров. Эти клетки могут существенно увеличивать свой размер, чтобы принять больше жиров, или уменьшаются в размере, когда жиры расходуются.

При такой плотности энергии, 200-220 граммов жиров достаточно, чтобы обеспечить суточную потребность в энергии человека, физическая активность которого довольно низкая. Мы можем накапливать "практически неограниченные" запасы энергии в виде жиров. Точнее, некоторые ограничения есть, но они лежат за пределами здравого смысла и потребностей выживания. Например, 9-10 кг жира дадут достаточно энергии для  40-45 суток жизни без еды, но кроме энергии, для жизни нужно ещё много что, поэтому более 50 суток совсем без еды вряд ли получится прожить. Поэтому запас жира свыше 8-10 кг не имеет практического смысла. Иногда уточняют: жировые запасы сверх 12% от массы тела не имеют смысла. Но люди могут иметь запасы жира в 30 и более килограммов, иногда намного более.

При слишком больших запасах жира в жировой ткани, клетки, которые хранят жир, увеличиваются насколько, что не могут поддерживать собственную жизнедеятельность и целостность собственной внешней мембраны. И тогда они погибают, выбрасывая жир, который они накопили, прямо в организм. Это вызывает хроническое воспаление, которое, в свою очередь, стимулирует дальнейшее накопление жира..

Жир может быть подкожным и внутренним (висцеральным). Это та же самая жировая ткань, но места её размещения разные. 

Подкожный жир сразу заметен, и именно от его многие хотят избавиться. Но он не представляет большой проблемы для здоровья, хотя его избыток не добавляет здоровья. К тому же, его избыток выглядит неэстетично. Однако есть вполне здоровые люди с большими запасами подкожного жира (но почти без внутреннего). Некоторый запас подкожного жира обеспечивает энергетическую безопасность организма и значительную независимость от времени следующего приёма пищи. 

А вот внутренний жир очень нежелателен. Он накапливается в жировой ткани вокруг внутренних органов и мешает их работе. Одно лишь его присутствие в значительном количестве свидетельствует, что в организме что-то пошло не так. 

Самым неприятным внутренним жиром является жир, который откладывается прямо в печени и других органах, даже не рядом с ними. Со временем это приводит к жировой болезни печени (ожирению печени). А это, в свою очередь, может привести к циррозу печени и смерти. Раньше такое бывало только у людей, которые злоупотребляли алкоголем. Но сейчас "неалкогольная жировая болезнь печени" стала распространённым явлением и наблюдается даже у детей. Алкогольная эта болезнь, или нет – разница только в её происхождении. А проявления и последствия одинаковы. Такой жир называется эктопическим жиром. И он может откладываться не только в печени, но и в других органах, и даже в мышцах. Он откладывается даже не в жировой ткани, и не в клетках органов, а непосредственно в органах.

Небольшое количество жира клетки мышц могут хранить прямо в себе. Это повышает их возможность реагировать на необходимость повышения физической активности. Но не все люди могут использовать эти жиры. Люди с ожирением сохраняют больше жира не только в жировой ткани, но и в мышцах, но эти дополнительные жиры именно в этих клетках не означают, что люди с ожирением способны на более интенсивную физическую активность. Напротив, излишек жиров в клетках мышц отравляет эти клетки, потому что у людей с ожирением мышцы не могут использовать жиры как топливо. Тренированные спортсмены могут накопить столько же жира в мышечных клетках, сколько и люди с ожирением, но спортсмены могут его эффективно использовать, поэтому их этот жир не отравляет. 

У нас нет запасов белков. Все белки, которые есть, для чего-то нужны. И они постоянно обновляются, для чего они создаются из аминокислот, которые мы получаем из еды. А те аминокислоты, которые ни использованы для построения новых белков, не накапливаются, а перерабатываются в глюкозу. 

И в то же время, у нас есть запасы белков. В ситуациях жёсткого дефицита белков, или еды вообще, организму приходится определяться с приоритетами. Некоторые белки менее приоритетны, чем другие, и такие белки можно разбирать на запчасти (аминокислоты) и собирать из них более приоритетные белки. В этом смысле, мышцы можно рассматривать как запас белков. Потому что, когда нечего есть неделями, не побегаешь и не попрыгаешь, и не сможешь выполнять тяжёлую физическую работу. Так что большие мышцы в такой ситуации становятся не очень нужными, и белки из них можно использовать для поддержки сердечно-сосудистой системы, нервной системы и других приоритетных систем.

К тому же, во время дефицита белков, организм более тщательно относится к вторичной переработке белков – повреджённые и сломанные белки разбираются на аминокислоты, но не перерабатываются в глюкозу, а идут на создание новых белков для замены разобранных.

У нас нет запасов кетоновых тел, и мы почти не потребляем их с пищей. Они производятся печенью из жирных кислот и используются митохондриями во всех клетках, где они есть (а это все клетки, кроме эритроцитов) как топливо при нехватке глюкозы. При излишке глюкозы кетоновые тела не производятся. Точнее, они не производятся при высоком уровне инсулина, с некоторыми исключениями. А вот когда кетоновые тела есть в крови, клетки могут сжигать их для зарядки молекул АТФ даже при высоком инсулине.

Что это за некоторые исключения?  Это так называемые среднецепочечные триглицериды – жиры с насыщенными жирными кислотами, углеродные цепочки которых имеют 8 или 10 атомов углерода (а также 6 атомов, но триглицеридов с такими короткими цепочками очень мало в еде). Считается, что при потреблении таких жиров с пищей, печень вырабатывает кетоновые тела даже при повышенном уровне инсулина. 

Считается, что кетоновые тела – наилучшее топливо для митохондрий.

Это регулирование осуществляется с помощью гормонов. Важнейшим в управлении запасами является гормон инсулин. Он производится особыми клетками в поджелудочной железе (а другие клетки этой железы производят другие гормоны). Его основная функция – поддерживать концентрацию глюкозы в крови в пределах нормы. Как излишек глюкозы в крови, так и её нехватка, может привести к серьёзным последствиям, включая коматозное состояние и смерть.

Когда содержание глюкозы в крови увеличивается, поджелудочная железа вырабатывает больше инсулина, и его содержание в крови увеличивается. Повышенный уровень инсулина –это команда клеткам мышц и печени брать глюкозу из крови и накапливать её в виде гликогена. Одновременно, это команда клеткам жировой ткани не выделять жир для переработки его в топливо для митохондрий, а если жир есть в крови, принимать его в жировые клетки на хранение. Ведь надо же избавиться от излишка глюкозы, поэтому расход жира, как источника энергии, блокируется. Если же "склады" гликогена уже полны под завязку, а содержание глюкозы в крови ещё высокое, повышенный уровень инсулина сохраняется, и это уже команда печени перерабатывать глюкозу в жиры, и команда жировым клеткам накапливать эти жиры. Это вполне возможно, ведь для накопления жиров практически нет ограничений.

Когда уровень глюкозы в крови снижается, через некоторое время снижается и уровень инсулина. Базовый (нормальный) уровень инсулина – это команда клеткам мышц и печени прекратить брать глюкозу из печени и расходовать запасы гликогена. Одновременно, низкий уровень инсулина – это команда жировым клеткам выдавать жиры в кровь и команда печени производить из жиров жирные кислоты и кетоновые тела, чтобы остальные клетки могли использовать их как топливо для зарядки АТФ вместо глюкозы (или в дополнение к глюкозе). Если же глюкозы в крови становится слишком мало, ещё более низкий уровень инсулина даёт сигнал печени выделять глюкозу из своих запасов гликогена или вырабатывать её из жиров или аминокислот для поддержания нормального уровня глюкозы в крови.

Внимание! Здесь НЕ идёт речь о слишком низком или нулевом уровне инсулина. Нулевой или почти нулевой уровень инсулина – это первая форма диабета – очень опасное автоимунное заболевание. При нём специальные клетки поджелудочной железы теряют способность вырабатывать инсулин. Людям с таким заболеванием нужно принимать инсулин (в виде инъекций), иначе они могут быстро умереть.

Обычно инсулин начинает расти с небольшим запаздыванием вслед за ростом уровня глюкозы, но если мы едим что-то сладкое, организм может начать повышать инсулин несколько загодя, потому что обычно что-то сладкое означает глюкозу (может, ещё фруктозу), и это значит, что скоро глюкозы в крови станет больше, поэтому организм срабатывает на опережение.

Скоро уровень инсулина превышает порог использования жиров. Когда инсулин выше этого порога, жиры расходовать нельзя. Наоборот, их нужно накапливать. Также следует накапливать глюкозу в виде гликогена, или перерабатывать её в печени в жиры и накапливать эти жиры.

Когда вся еда переварена и питательные вещества из неё поступили в кровь, уровень глюкозы начинает постепенно снижаться, а за ним снижается уровень инсулина. Когда уровень инсулина опять  опускается ниже порога расходования жиров, организм может расходовать как глюкозу, накопленную в гликогене, так и жиры для образования жирных кислот и кетонов в качестве топлива для митохондрий. И так до следующей еды, если система регулирования работает правильно.

Мы рассмотрели регулирование процессов накопления и расходования с помощью инсулина. А ещё же нужно регулировать то, сколько мы едим.

Для этого в организме есть дополнительные механизмы регулирования. Они оценивают запасы энергии и интенсивность их расходования, а также периодичность пополнения запасов, и выдают соответствующие сигналы с помощью специальных гормонов.

Есть гормон, который сигнализирует, что уже прошло определённое время после предыдущего приёма пищи, и что, может быть, не помешало бы немного поесть. Это не значит, что у нас заканчивается энергия, и нам совершенно необходимо поесть, чтобы не умереть. Это просто напоминание. Сигнал этого гормона ощущается как лёгкий голод, или аппетит, но он не требует немедленного действия. Кто-то можел легко проигнорировать этот сигнал, или даже не заметить его, если чем-то занят. Кто-то другой ощущает почти панику и бежит есть. Но в принципе, это некритичный сигнал, и реакцию на него можно тренировать.

Есть гормон, сигнализирующий сытость, когда количество набранной энергии достаточно. Этот сигнал "вычисляется" организмом с учётом типичных затрат энергии, интервалов и объёмов пополнения запасов, возможных экстремальных ситуаций, которые могут или внезапно повысить расход энергии, или внезапно уменьшить её поступление. То есть, этот сигнал вырабатывается, когда запасы энергии пополнены достаточно с учётом возможных непредвиденных ситуаций. По мере расходования энергии, количество этго гормона снижается, и ощущение сытости проходит. Тогда сигнал о том, что не помешало бы поесть, ощущается сильнее.

И есть ещё сигнал, который вырабатывается, когда стремительно падает уровень глюкозы в крови. Даже если уровень глюкозы высокий, но быстро снижается, это может быть потенциально опасным, ведь не известно, когда это стремительное снижение прекратится. Потенциальная опасность не означает реальную и неизбежную опасность, ведь глюкоза может снижаться потому, что резко поднялся инсулин и "распихивает" излишки глюкозы по клеткам. Глюкоза снизится, и инсулин тоже, и дальнейшее снижение глюкозы либо не будет таким резким, либо прекратится. Но этот сигнал потенциальной опасности довольно сильный, и он сильнее, чем сигнал сытости. И тогда желание поесть становится почти нестерпимым.

И это ещё не всё. Ещё бывают стрессы, которые требуют резких смен физической активности (нужно убегать или бороться, чтобы сохранить жизнь). В таких случаях лучше чем-то пожертвовать, чтобы сохранить основное. И это тоже регулируется как нервной системой, так и гормонами. И есть также другие ситуации, которые требуют регулирования процессов потребления, расходования и накопления энергии. Например, перед тем, как мы просыпаемся, организм несколько увеличивает уровень глюкозы в крови (а вслед за этим, и уровень инсулина), чтобы гарантировать наличие глюкозы в мышцах на момент увеличения физической активности после пробуждения. Кстати, из-за этого эффекта нецелесообразно измерять уровень глюкозы сразу после пробуждения, а лучше подождать около часа.

У нас очень маленькие запасы энергии в АТФ, меньше, чем на две минуты жизни, и их нужно постоянно пополнять. 

Мы храним запасы глюкозы в виде гликогена, и их может хватить на время от полутора до двух суток жизни при умеренной физической активности. 

Мы держим запасы жиров в клетках жировой ткани, и эти запасы могут быть очень большими, даже значительно больше, чем нужно для практических целей. Из жиров наша печень может вырабатывать жирные кислоты и кетоновые тела как топливо для митохондрий. Также часть жиров (где-то до 10%) может быть переработана в глюкозу. Жировая ткань может быть подкожной и внутренней (висцеральной), и ещё может образовываться отложение жира в печени (и в других органах). Много висцерального жира – это плохо. Отложения жира в печени – очень плохо. Слишком много подкожного жира тоже плохо (хоть и не так плохо, как висцеральный жир), а ещё это неэстетично. Впрочем, потребность в его запасе очень индивидуальна, и есть вполне здоровые люди с большими запасами именно подкожного жира. А ещё такое запас нужен для энергетической безопасности организма, но запас свыше 8-10 кг не имеет практического смысла.

У нас нет специальных запасов белков, но, в ситуациях длительной нехватки или отсутствия еды, мы можем использовать белки наших мышц как источник аминокислот для производства наиболее приоритетных белков и как источник энергии. Также мы можем использовать некоторые "лишние" аминокислоты (те, которые не понадобились для построения наших белков) для производства глюкозы.

Инсулин поддерживает нормальный уровень глюкозы в крови. При повышении глюкозы в крови также повышается инсулин. Повышенный инсулин "командует" клеткам мышц и печени брать глюкозу из крови и накапливать её в гликогене. Если мышцы и печень уже забиты глюкозой до упора, печень перерабатывает её в жир. Также повышенный уровень инсулина "запрещает" расходовать жиры и "командует" накапливать жиры, потому что "не время" расходовать жиры, когда нужно снижать уровень глюкозы в крови до нормального.

Регулирование запасов включает в себя также регулирование приёма пищи. Для этого есть сигналы сытости и сигналы голода. Сигналы голода могут быть обманисыми, когда до дефицита энергии ещё очень далеко. И некоторые из этих сигналов могут заглушить сигнал сытости, заставляя нас есть больше, чем нам нужно.