Чи можемо ми перетворити жири на вуглеводи?

Нещодавно я отримав запитання про те, як люди можуть перетворити жир на вуглеводи, і подумав, що це досить цікаво розмістити тут, на сайті, особливо тому, що я так недавно говорив про кетоз (як на ClimbSci з Томом, так і в наступна стаття). У кожному разі, це дає мені ще одну можливість представити в статті картину циклу лимонної кислоти, так що це теж є, ха-ха.

Більшість людей знають, що ми можемо перетворити вуглеводи в жир і розуміють роль такого шляху (тобто це дозволяє нам довго зберігати калорії незалежно від того, звідки вони беруться). Спірно, наскільки це насправді відбувається *, але безперечно, що шлях існує.

А як щодо навпаки? Знову ж таки, я думаю, що більшість людей знає, що цього не відбувається - біохімічні обхідні шляхи, такі як кетогенез, були б абсолютно непотрібними (не кажучи вже про неіснуючі), якби ми могли легко перетворити жири на вуглеводи - але це вся історія, чи існує розділ відсутній? Давайте подивимось.

Перегляд виробництва ендогенної глюкози

Перш ніж ми перейдемо до питання перетворення жиру в глюкозу, давайте розглянемо всю ендогенну продукцію глюкози - тобто глюконеогенез. Глюконеогенез живиться кількома молекулами, які ми переглянемо по черзі.

Найбільш частим паливом для глюконеогенезу є лактат, який утворюється під час анаеробних вправ. В анаеробних вправах гліколіз розщеплює молекулу глюкози на два пірувати, але ці пірувати не можуть увійти в цикл лимонної кислоти без кисню, тому вони відновлюються до лактатів. Гліколіз дає чистий два АТФ (чотири загальних, але коштує два), залишаючи близько 34 АТФ, що залишаються в молекулі лактату. Якби наше тіло не могло взяти цю лактатну молекулу і перетворити її назад на глюкозу, ми втратили б багато енергії - таким чином, глюконеогенез. Однак ви можете правильно зауважити, що реального чистого приросту глюкози тут немає; ми просто перетворюємо молекулу, яка колись була глюкозою, назад у глюкозу.

Ми також можемо перетворити гліцерин (цукристий кістяк молекули тригліцеридів) у глюкозу. Це справді "нове" створення глюкози - воно походить від нашого раціону у неглюкозній формі, - але це не дуже багато, коли все сказано і зроблено. Частина гліцерину становить лише близько 10% маси найпоширеніших тригліцеридів і калорійно становить лише близько 1 калорії з кожних 40-50. Якщо ви споживали 100 грамів жиру на день, ви можете отримати з нього близько 40 калорій вуглеводів (але, мабуть, менше, коли враховується вартість глюконеогенезу).

Якщо ми насправді хочемо виробляти пристойну кількість “нової” глюкози, тоді у нас є лише одне джерело: білок. Або, якщо бути більш точним, амінокислоти. Амінокислоти класифікуються як “глюкогенні” - тобто вони можуть бути перетворені в глюкозу - або “кетогенні”, тобто вони не можуть. Чи є амінокислота однією чи іншою (деякі є обома), залежить від того, де вони входять у цикл лимонної кислоти:

Якщо наведене вище зображення здається справді заплутаним, не хвилюйтеся, є лише одна важлива річ, на яку слід звернути увагу: чи входить амінокислота в цикл безпосередньо, чи як ацетил-КоА. Якщо амінокислота може потрапити безпосередньо, вона зникне і врешті-решт стане новою, ніколи раніше не баченою молекулою оксалоацетату. Якщо він повинен надходити як ацетил-КоА, тоді він вимагає введення оксалоацетату, і оксалоацетатний прибуток бути не може. Оксалоацетат - це молекула, яка потрапляє на шлях глюконеогенезу, тому якщо ви не можете зменшити прибуток оксалоацетату, ви не можете отримати прибуток від глюкози.

Кількість, яку білок вносить у глюконеогенез, залежить від вашого раціону та обставин. Для більшості з нас - людей, які не голодують і харчуються змішано, дієта - глюконеогенез сприяє відносно невеликій кількості. Це сприяє де-не-де, якщо потрібно, але не робить великого впливу на наше щоденне “навантаження” на глюкозу. Якщо ви голодуєте (як буквально, життя на кону голодне), то це, швидше за все, багато сприяє тому, що ваші м’язи руйнуються і перетворюються на цукор, щоб мозок живий. При кетозі це буде десь посередині (але ближче до кінця спектру "звичайної дієти", ніж голод).

Підводячи підсумок, єдиними молекулами, які наш організм дійсно може використовувати для вигідного створення глюкози, є глюкогенні амінокислоти. Кількість глюкози, яку ми отримуємо з гліцерину в тригліцеридах, незначна, і більша частина лактату, який ми перетворюємо в глюкозу, розпочала своє життя як глюкоза, тому прибутку там немає.

Чому не жир, хоча?

Як і кетогенні амінокислоти, жир може потрапляти в цикл лимонної кислоти лише через ацетил-КоА. Ацетил-КоА вимагає, щоб молекула оксалоацетату потрапила в цикл лимонної кислоти, що означає відсутність чистого приросту в молекулах оксалацетату.

Деякі організми - насправді, в основному кожен організм, крім нас, тварин - мають різний цикл (цикл гліоксилатів), в якому вони можуть ефективно перетворювати ацетил-КоА в нові молекули оксалоацетату, за допомогою яких створюється цукор. Для організмів, що не є тваринами, це має вирішальне значення для виживання, оскільки їх клітини мають клітинні стінки на основі вуглеводів; ** немає клітинних стінок, немає життя.

Це може здатися особливим, але це не так; це здебільшого тому, що ці організми не є рухомими, і тому вони повинні мати можливість синтезувати кожну органічну молекулу, яка їм може знадобитися. Окрім того, що вони можуть синтезувати вуглеводи, ці організми можуть також синтезувати фолат (вітамін В9), бета-каротин (вітамін А), аскорбінову кислоту (вітамін С) та щонайменше десять інших органічних молекул, які ми, люди, повинні отримувати зі свого раціону. *** У нас немає шляху, бо він нам не потрібен.

Можливий виняток: ацетон

Питання, на яке я посилався на початку цієї статті, пов’язане зі статтею, що описує роль ацетону в глюконеогенезі. Стаття огороджена, але вона описує два шляхи, за допомогою яких наше тіло потенційно може перетворити ацетон у глюкозу: шлях метилгліоксалю та шлях пропандіолу. Обидва шляхи перетворюють ацетон в лактат, який потім може потрапляти в глюконеогенез.

Тож у технічному сенсі жир могла перетворюється людиною в глюкозу - але це довгий і звитий шлях, який вимагає надходження незвичного побічного продукту метаболізму кетозу (ацетон) та меандрів через молекулу з відомою клітинною токсичністю (метилгліоксаль) для досягнення своєї мети. Для тварин цей шлях, здається, діє більше як запобіжний клапан, який просто виходить у глюкозу, а не законний шлях для створення нового глюкози.

Окрім вивчення шляхів метилгліоксалю та пропандіолу, про які йдеться у статті вище, ми справді не досліджували біохімічну долю ацетону або, принаймні, ацетону, який ми не видихаємо (як більшість із них). В одній статті було виявлено підвищений рівень метилгліоксалю у хворих на кетоз, що передбачає можливу регуляцію шляху метилгліоксалю, але метилгліоксаль може утворюватися і багатьма іншими способами, тому скільки ацетону насправді перетворюється в глюкозу, незрозуміло (хоча це, швидше за все, більше ніж “ нуль ”описує мій підручник з біохімії).

Зрештою, я наважуся сказати, що це насправді не має значення, крім як у педантичному розумінні. Насправді ми виробляємо не так багато ацетону - навіть при кетозі - і невелика кількість ацетону, який ми утворюємо, було б порівнянною краплею в океані глюконеогенних попередників, навіть якщо б він був на 100% перетворений в лактат. Шлях, що веде від ацетил-КоА до глюкози через ацетон, є неймовірно енергетично невигідним (ми втрачаємо 25% молекули ацетил-КоА, коли ацетоацетат декарбоксилюється до ацетону), і насправді має сенс лише з точки зору детоксикації. Це цікавий приклад біохімічного обходу, але з глюконеогенної точки зору це тривіально.

Жири - це жири, щоб залишатися

Коли ми дивимось на всі проблеми, з якими наше тіло стикається з кетозом, лише щоб підтримувати мозок ситим і щасливим у стані дієтичної недостатності вуглеводів, може здатися дивним те, що наше тіло втратило здатність перетворювати жири у вуглеводи. Врешті-решт, ми можемо лише припустити, що такий шлях був непотрібний для тварин, які зазвичай споживають вуглеводи як частину свого щоденного раціону (рослиноїдні та всеїдні), або які мають виняткову ферментативну техніку для перетворення амінокислот у глюкозу (хижаки).

Незалежно від того, чому ми не можемо перетворити жири у вуглеводи, можна з упевненістю продовжувати стверджувати, що жодних шляхів насправді не існує, додавши, що ми, можливо, можемо перетворити деяку кількість ацетону, отриманого в результаті кетогенезу (отриманого з жирів), у глюкозу. Хто знає, можливо, це заробить вам кілька балів за ніч дрібниць!

Примітки

* Немає сумніву, що споживання надмірної кількості вуглеводів як частина калорійно надмірної дієти призведе до збільшення жиру. У більшості обставин цей приріст жиру є не результатом ліпогенезу de novo, а скоріше за рахунок шунтування витрати калорій на вуглеводи та подалі жирів. Таким чином, при надмірно калорійній дієті, важкій для вуглеводів, наш організм переважно спалює вуглеводи для отримання енергії та надлишки енергії накопичує з харчовими жирами. Біологічно це має повний сенс, оскільки перетворення молекул є дорогим, і немає причин платити цю вартість, коли ми вже маємо еквівалентну молекулу (харчовий жир).

** Багато з вас можуть думати: "але рослини створюють цукру під час фотосинтезу!", І це правда. Критична частина настає до того, як рослина зможе фотосинтезуватись, проте - це відбувається під час посіву. Калорійно щільне насіння, оскільки воно багате жиром, і воно багате жиром не для того, щоб сподобатися нашому смаку, а для того, щоб забезпечити достатньо енергії для саджанця, щоб воно могло «зробити це», поки не почнеться фотосинтез. Якби рослина не могла перетворити ці жири назад на цукру, вона не могла б синтезувати клітинні стінки і швидко загинула б.

*** Нам також потрібно багато неорганічних молекул - заліза, кальцію, магнію тощо, - але цього вимагають і рослини, гриби, бактерії, археї та найпростіші. Вони покладаються на навколишнє середовище, щоб забезпечити ці компоненти, і обмежені в середовищі, в якому вони живуть, необхідними елементами. Еволюційна адаптація дозволяє їм обійти ці обмеження.