Метаболизъм на мазнините

Окислението на мастните киселини е процес, при който един триглицерид бива раздробен до 16-24 пируватни остатъка, както на следващ етап всяка молекула пируват постъпва в цикъла на Кребс, краен продукт от пълния цикъл са 14 молекули АТФ.

I. Окисление, т.е. отдаване на енергия

Условията, при които организмът минава в режим окисляване (казано на жаргон, "изгаряне") на мазнините за набавяне на нужната енергия, вече складирани или току-що набавени с храненето са диктувани от концентрацията на захари в кръвта, както и на количеството гликоген в мускулната клетка.

Известни са няколко енергийни източника, способни да заредят мускулите с енергия, и само един източник, който мускулите ни използват. Истинската енергия, използвана при мускулните съкращения идва от разкъсването на макроергичните връзки в молекулата на аденозинтрифосфата (АТФ), това е единственият източник на чиста химическа енергия, използван от човешкия организъм.

АТФ е т.нар. акумулатор на енергия. Известно ни е още, че за синтеза на АТФ ни е нужна енергия, т.е, за да акумулираме енергията, която по-късно ще бъде употребена от тялото ни, е нужно да си я набавим отнякъде. Такива първоизточници са мазнини, белтъци, въглехидрати, нуклеинови киселини.

В нормално състояние (покой) мускулната клетка работи с няколко вида гориво за обезпечаване на енергийните си нужди. В първите 10 секунди работа мускулът използва количеството АТФ, складирано в клетката, следващите близо 25 секунди работи с креатинфосфат, който отдава фосфатна група за направата на АТФ от АДФ + Ф.

Ако натоварването продължи, а горивото се изчерпи, идва следващото - третото гориво е гликоген, отново складиран в клетката с цел доставяне на енергия. Четвъртият източник са мазнините, пети и шести са аминокиселините и нуклеиновите киселини.

При активна мускулна дейност и след изчерпване на въглехидратните си запаси мускулите започват да пращат сигнали към ЦНС (централна нервна система) и оттам към черния дроб, който започва да метаболизира собствен гликоген, за да поддържа нивата на наличната в кръвта глюкоза.

Глюкозата потегля с крайна цел скелетната мускулатура. При изчерпването на определен процент от кръвната захар се отлючват и задействат механизмите на мастния катаболизъм, които доставят близо 4 пъти повече енергия при разграждането си, отколкото захарите, и дори повече от 4 пъти в сравнение с АК (аминокиселините) и НК (нуклеиновите киселини). В състояние на стрес/глад или студ мазнините се включват още по-рано и по-активно в метаболизма.

Това е същината на мастния метаболизъм. За да бъде освободена енергията, мазнините трябва да бъдат транспортирани до конкретна част на клетката. В клетката съществуват няколко механизма за окисление на мастните киселини - алфа, бета и омега, разположени в няколко части от нея. Бариера пред отдаването на енергия е преодоляването мембраните на клетъчния енергиен център (митохондриите). Дали ще навлязат директно или ще бъдат обработени, зависи от дължината на "опашките" на мастните киселини.

Видове мазнини и избор на окисление

В зависимост от дължината на въглеродната верига (опашката) и/или недостига или пълно отсъствие на карнитин, мастните киселини се делят на няколко вида:

• Късоверижни с 4-10 въглеродни атома: те безпроблемно преминават митохондриалната мембрана, с някои изключения.
• Средноверижни с 8-12/14 въглеродни атома: тук ни е нужна помощта на карнитиновата совалка, чийто принцип ще разгледаме по-долу.
• Дълговерижни - мастните киселини с въглеродна верига от 12/14 въглеродни атома до 26 (hexacosanoic acid). Те подлежат на предварителна обработка в пероксизомите или гладкия ендоплазмен ретикулум (ГЕР) - алфа и/или омега окисление, свеждащо ги до къси или средноверижни МК.

Изборът на окисление зависи също от това в коя клетка навлиза мастната киселина и какви са моментните условия, в които се намира клетката - стрес, подготовка за делене, нормална среда и др.

II. Омега-окисление

Омега-окислението на МК (мастните киселини) представлява катаболитен процес от няколко стъпки, локализиран в ГЕР в клетките на черния дроб и бъбреците. В този процес участва ензим, притежаващ уникалното свойство да окисли най-отдалечения от карбоксилната груба въглероден атом, а именно омега атома.

Омега-окислението само по себе си е алтернативен деградивен път, когато бета-окислението е дефектирано вследствие от мутация или карнитинов (л-карнитинов) дефицит например. За да се достигне до омега-окисление, тялото следва да премине през изчерпване на редица енергийни източници, изброени по-долу. Това не означава пълното им изчерпване като 100% от общото количество, достатъчно е да се изчерпи количеството, налично за метаболизиране в даден момент, т.е. свободният за метаболизиране процент, за да се включат мазнините (удължени серии, трениране в серии до отказ). След почивка и възстановяване на предходните горива, омега-окислението спира.

Светкавична енергия (фосфатен резерв)

В мускулната клетка на човека се съдържа известно количество АТФ, даващ енергия за първите няколко секунди от физическото натоварване. Например, при състояние на покой за няколко секунди мускулите ни се зареждат с приблизително 10 милимола АТФ, което се изчерпва с няколко движения, достатъчно е само да станем от дивана и да направим 2-3 крачки до хладилника, за да изчерпаме наличното количество АТФ до АДФ.

Разкъсването на макроергичната връзка води до отделяне на голямо количество енергия, задвижващо мускулното съкращение. При веднъж изчерпан АТФ превключваме на горивото креатинфосфат, отделящ фосфатна група с помощта на специален ензим.

Той свързва фосфатната група с АДФ до АТФ и бива пренесен до мускулните влакна, където отново ще послужи за енергия по-късно. Креатинфосфатът при средния нетрениращ човек е с приблизително количество - 25мМ, което ни е достатъчно за около 15 секунди нормално ходене пеша или пък 10 лицеви опори.

Втори енергиен резерв - мономери (захари и органични киселини)

При тежки или интензивни физически натоварвания, като една типична тренировъчна серия (8-10 повторения с тежест, равна на 75% ПМ10) мускулната клетка превключва няколко енергийни източника, а именно захари, мазнини, аминокиселини от белтъци, нуклеинови киселини, като окислението на всяка една органична молекула води до образуване на пируват и завъртането му в цикъла на Кребс. От това следва предаването на водородните протони към електрон-преносната верига, където срещат АТФ-синтетазния комплекс, формиращ АТФ, който отново бива пренасян до ензимите и белтъчните влакна, нуждаещи се от енергия, за да извършат работа.

Трето ниво на енергия - гликогенът

Третият източник на енергия за мускула е складираният в саркомерите на мускулната тъкан гликоген - високомолекулен глюкозен полимер, разграждан от хидролазни ензими до глюкозни молекули. Последните отдават енергията си завъртането им в процеса гликолиза, водещ до окислението на 1 молекула глюкоза и образуването на 2 молекули пируват по-нататък, изпращани към Кребс, и като краен резултат е отново формирането на АТФ.

При молекулното равнище на хранене единствената крайна цел е изработката на АТФ, така че всички клетъчни горива свършват, като отдават енергията си в такава форма. Окислението на аминокиселините и нуклеиновите киселини също се свежда до трансформирането им в пируват и отново пътят е същият: Кребс - електронпреносна верига - АТФ синтетазен комплекс - АТФс.

Какво се случва обаче, когато глюкозата свърши, а гликогенът е изчерпан? Типичен резултат за продължителни тренировки с голям обем (общо повдигнато тегло, много пробягани километри и пр. според вида на тренировките)

Начало на омега-окислението

След изчерпването на гликогена започва и частичното окисление на мазнините, в комбинация с издърпване на част от кръвната захар в посока скелетната мускулатура. При достигане на определено ниска концентрация (ниво) на кръвната захар, мускулите превключват изцяло на бета-окисление като източник на енергия. Колкото по-малко е мускулният гликоген, толкова по-бързо се стига до бета-окислението и толкова по-трайно се задържа то като водещ механизъм за енергоосвобождаване.

Тялото не може да си позволи мускулите да поемат цялата налична кръвна захар, защото голяма част от нея се използва от невроните като тяхна единствена храна.

Интересното е, че веднъж влязла в мускулната клетка, молекула глюкоза никога няма да излезе оттам, а веднага се разгражда. Това означава, че дори в мускулите ни към даден момент да има големи количества енергия, кръвната глюкоза може да падне под минимума и мозъкът да изключи (хипогликемичен припадък).

Така тежките удължени серии в рамките на тренировки с голям обем и/или нисковъглехидратно хранене изправят мускулното изхранване като конкурент на мозъчното и нервнотъканното изхранване. Това е опасно!

Умората, която изпитваме по време на тренировка, било тя интензивна (кардио) или не, се дължи именно на това превключване от едно на друго клетъчно гориво. Скоростта, с която мускулите превключват от гликолиза на бета-окисление и пр. се определя от физическата подготовка на съответния човек.

При омега-окислението главните ензими, осъществяващи процеса, правят възможно мастната киселина да бъде закачена за коензим А, след което да постъпи в митохондриите по нормален път, без нуждата от карнитин.

Наличието на метилна група на бета позиция в някои мастни киселини довежда до невъзможност за изпълнение на бета-окислението, поради това въпросните МК преминават през т.нар. алфа-окисление.

III. Алфа-окисление

Алфа-окислението представлява премахване на метилната група - декарбоксилиране, след което мастната киселина навлиза в бета-окислението с 1 въглероден атом от веригата си по-малко. Алфа-окислението е локализирано в пероксизомите. Това са клетъчни органели, които вземат участие в до 50% от оксилението на мазнините, особено в състояния на глад, изчерпване на въглехидратите (тежък продължителен труд/спорт) или кетоза.

Особено в състояния на глад - тогава точно 99% от мазнините биват изпратени към митохондриите във всяка една клетка, която ги съдържа, дори и 1 ккал енергия не бива прахосвана. Пероксизомите не водят до нищо друго, освен до поддържането на телесната топлина чрез окислението.

Ето и едно от доказателствата, че черният дроб е един от основните органи, поддържащи телесната температура. Само че при глад мозъкът и тъканите имат нужда от енергия, така че всички мазнини отиват натам, откъдето е даден сигнал. Дори част от АТФ-молекулите, синтезирани от АТФ-азният комплекс биват транспортирани в посока пероксизоми с цел обезпечаване енергията за ензимната работа.

Гладът, който изпитваме, е състояние на поредица от сигнали, изпращани от различни органи към централната нервна система вследствие промяна на химичния състав на кръвта и/или недостиг на хранителни вещества в различни тъкани, както и при сигнали от храносмилателната система за отсъствието на храна в стомашно-чревния тракт.

IV. Бета-окисление

Бета-окислението се извършва предимно в митохондриите на мускулните клетки и черния дроб. Представлява четиристъпков процес, довеждащ мастните киселини до пълна деградация. Като продукти от него се отделят въглероден двуокис и вода и кетотелцата. Кетотелцата са три вида (един от които е ацетонът) и биват транспортирани до миокарда и мозъка, като въпреки всичко продължава глюконеогенезата. Така че сърцето и мозъкът се хранят от трошенето на точно тези кетотелца, а мускулите работят на мазнини. Еритроцитите и други тъкани работят с малките останали/новосинтезирани количества глюкоза. Затова след тежка и продължителна тренировка или дълги преходи в дъха ни се усеща присъствието на летливия ацетон. Усетите ли го, дайте си сериозна почивка (2-3 дни).

Бета-окисление съществува също и в пероксизомите в черния дроб и бъбреците, само че там енергията от разграждането на мастните киселини не се запазва като химична, а се разсейва безвъзвратно под формата на топлинна.

Мускулно, бета-окисление и значението на карнитиновата совалка

Митохондриалното бета-окисление обаче е генералният източник на енергия за скелетната мускулатура. Използването на мазнините като клетъчно гориво е алтернативен вариант при моментен недостиг или трайна липсата на захари в тялото. Това може да бъде вследствие недостига им в ежедневната диета, изчерпването им след активна мозъчна или мускулна активност или сън. Поддържането на мускулния тонус по време на сън например значително намалява клетъчните резерви от глюкоза, затова мазнините участват активно в метаболизма и докато спим.

• Мембранен транспорт на мастните киселини
• 
• Транспорт на мастните киселини

Механизмът на работа в състояние на покой на тялото е следният:

• При навлизането на мастната киселина от кръвния ток в цитоплазмата на мускулната клетката тя веднага бива свързана за белтък транспортер, който я отнася до външната митохондриална мембрана, където тя бива закачена за външния митохондриален ензим от комплекса. Ензимът отдава мастната киселина на Л-карнитина, който вече навлиза в междумембранното пространство.
• Карнитинът навлиза в между мембранното митохондриално пространство, където се свързва с ензим "мембранен транспортер", който вече е образувал канал, през който карнитинът навлиза в самата митохондрия;
• Карнитинът вече е влязъл в митохондриалния матрикс (най-вътрешната част на енергийните ни органели). На вътрешната митохондриална мембрана е локализиран третият ензим, играещ роля в карнитиновата совалка. Там става освобождаването на мастната киселина от Л-карнитина и закачането й за ацетил коензим А.
• Той вече я понася и завърта в Цикъла на лимонената киселина (Кребс), като през всеки 2 въглеродни атома веригата бива окислена от специален ензимен комплекс. По-нататък ацетилните групи биват окислени до СО2, като електроните, отделени при окислението се предават към О2 посредством електрон-транспортната верига, доставяща енергията, необходима за синтеза на АТФ чрез т.нар. окислително фосфорилиране.

Бета-окислението приключва тогава, когато първият от транспортните ензими на карнитиновата совалка бъде блокиран от т.нар. малонил - КоА, вследствие сигнал, пратен от черния дроб. Такъв сигнал се изпраща след напълването му с определено количество въглехидрати и започване на обратния анаболен процес - формирането на триацилглицероли от излишните глюкозни молекули. Разбира се, това се случва, ако тялото не се намира в условия на глад/стрес.

Карнитинова совалка и окисление на мазнините (отвори в пълен размер)

При състояния на стрес обаче, всяка органична молекула бива преработвана и складирана, включително и протеините. Затова много елитни атлети се оплакват от мазнините, които качват вследствие използването на протеини от "коя да е марка". Просто тези атлети започват крайна и необмислена диета, вкарват телата си в стресов режим с огромен калориен недостиг (калориен дефицит в -30-50% от КБ и нагоре), като си мислят, че консумирайки само протеини, ще станат/останат "чисти и нацепени". Да, ала в момента, в който изпият повече от 2-3 шейка/ден и си починат едно хубаво, се събуждат с мазнини по корема...

В нормално състояние (калорийна норма или излишък) от друга страна, всяка аминокиселина над дневната норма за структурен ремонт при атлетите (до 1,5 г/кг активна маса) бива транспортирана до бъбреците и отделяна с урината.

"Мастна памет"

Трябва обаче да бъдем доста внимателни с приема на мазнини, въглехидрати и протеини и най-важното - с калорийния си баланс, понеже мастните клетки имат т.нар. клетъчна памет, т.е не трябва да се лишаваме от нито една изброените органични молекули.

Ако за известно време (повече от 48 часа) лишим организма си от калории (отрицателен калориен баланс) в лицето на захари или мазнини, подлагаме тялото на стресово състояние. За него липсата на един от трите източника означава, че условията на живот са неблагоприятни, т.е липсата на хранителни вещества води до промяна в химичния състав на кръвта и довежда до състояние, в което организмът ни започва да складира всяка една молекула попаднала в него, или иначе казано, забавя метаболизма. А много добре знаем какъв е основният складиран продукт и в кои части от тялото се складира.

Всяка една молекула мазнина, складирана подкожно е вследствие на прекомерен прием на хранителни вещества, независимо дали са протеини, захари или мазнини. Трудно е човек да направи точна калкулация на енергията, нужна за деня, както и на вече използваната. 

В заключение

Трудно е по средата на вечерята да станем и да кажем: "Това беше, повече калории не ми трябват... " Главната цел на храненето е да достави на организма нужното количество енергия и градивни единици, както и да складира известно количество хранителен продукт за моментите, в които евентуално ще ни бъде нужен алтернативен източник на енергия. Човекът е устроен и еволюирал така, че да оцелява. Мислено в този контекст, мазнината далеч не е "лошият" във филма.

Способни сме да постигаме големи "атлетични" резултати с изключително малко количество хранителни вещества. Като пример можем да дадем ловци в неолита, извървявали по 30 км на ден, докато достигнат място, където ще намерят няколко коренчета или евентуално ще уловят някой заек/елен. Колко килокалории има според вас в килограм грудки/печено месо, сравнени към калориите в килограм пържени картофи или хляб?

Именно хроничното преяждане е причина в XXI-ви век проблемите с наднорменото тегло да са световно разпространени и всеки трети в развитите страни да има над 20% телесни мазнини. Не е виновна еволюцията, а слабото разбиране и прилагане на механизмите й в ежедневието.