Кетогенные Диеты и Физические Способности. Часть 2

Stephen D Phinney. Ketogenic diets and physical performance

 перевод Ларисы Мокробродовой

Nutrition & Metabolism 1, 2004

https://doi.org/10.1186/1743-7075-1-2 

Кетогенная диета и физическая выносливость

ЧАСТЬ 2

Современные исследования результатов кетогенной диеты

Часть 1 здесь

В 1970-х годах вновь возродился  интерес  к практикуемым  в целях похудения низкокалорийным кетогенным диетам, сопровождающимися  осложнениями (включая внезапную смерть), которые связывались  с  разрекламированной  в 1976 году жидко-протеиновой диетой. Однако усталость и явная сердечная дисфункция, вызванные увлечением этой основанной на коллагене  диетой, резко контрастировали   с опубликованными отчетами об  опыте таких   исследователей Арктики, как Шватка и Стефанссон.  В дополнение к этому врачи, которые следили  за пациентами, соблюдающими очень  низкокалорийные диеты, наблюдали большие различия в физической выносливости  этих людей.

            Принимая во внимание  изящные  исследования метаболизма полного голодания, проведенные доктором Джорджем Кэхиллом и его коллегами и показавшие, что для полной адаптации  (к условиям голодания — Л.М.)   метаболизма азота, жира и углеводов необходимо несколько недель [12], представляется разумным предположить, что после удаления углеводов из рациона потребуется больше недели для восстановления физической выносливости.   Эта точка зрения была подтверждена  впоследствии, когда в уже упомянутом дневнике Шватки были обнаружены описания   предсказанного (Джорджем Кэхиллом) приспособления метаболизма [6].

            Для проверки этой гипотезы  автор настоящей статьи  (под руководством д-ра Итана Симса и д-ра Эдварда Хортона из Университета Вермонта) предпринял исследование состояния  пациентов , которым была прописана  очень  низкокалорийная кетогенная диете в течение 6 недель в отделении метаболических исследований [13]. В этой диете протеин, как и  незначительное количество входящих в состав продуктов жиров, обеспечивался нежирным мясом, рыбой и птицей, составляя ежедневно  1,2 грамма белка на килограмм  эталонной («идеальной») массы тела. Кроме того, принимая во внимание возможное уменьшение объема циркулирующей крови и возникновение  вторичной почечной потери калия   из-за тощакового натрийуреза (выделения натрия с мочой -Л.М.), пациентам назначали дополнительно  3 грамма  натрия в   бульоне и 25 mgEq (1 г) калия  бикарбоната в день.

            Нагрузочные тесты на беговой дорожке для   этих пациентов  включали определение максимальной  аэробной способности  (VO2max) сначала после двух недель  базовой диеты для поддержания веса, а затем  снова после 6 недель кетогенной диеты для похудения.  Время физической выносливости  до ее истощения определялось на уровне 75% от базового уровня VO2max.  Этот тест на выносливость был  снова повторён   через одну неделю  диеты для потери веса и, наконец, через 6 недель соблюдения диеты для  потери веса.  Кроме этих тестов участники тестирования не делали  никаких тренировочных упражнений  в ходе   этого исследовании.  Чтобы компенсировать тот факт, что  пациенты в среднем  потеряли более 10 кг веса, во время финального нагрузочного теста  на беговой дорожке  они  несли рюкзаки, эквивалентные по весу потерянному количеству килограммов.

         Данные об энергетических затратах (выражающиеся в  потреблении кислорода) и  время физических упражнений в течение этого 8 — недельного исследования пациентов  показаны в таблице 1. Тот факт, что у этих пациентов максимальная аэробная способность  не падает, несмотря на 6 недель безуглеводной  и жестко низкокалорийной диеты, предполагает,  что содержание белка и минералов  в диете  достаточно  для сохранности  функциональной способности  тканей. Как можно заметить, время физической выносливости  до ее истощения (endurance time)   сократилось через одну неделю (week 1)  кетогенной диеты, однако оно значительно возросло ко временной отметке  шестой недели (week 6) по сравнению со значением базового уровня (baseline). Однако интерпретация этого нагрузочного теста  на беговой дорожке осложняется тем фактом, что  расход кислорода (то есть  энергетические затраты)  существенно снизился в результате потери веса, и это произошло несмотря на то, что пациентам пришлось надеть рюкзак, вес которого  обеспечивал исходный вес  на начало нагрузочного теста.

Таблица 1

Параметры физических упражнений в вермонтском исследовании   [13]

LPM — количество литров в минуту

*неделя 6/ *week 6 < базовый уровень, P < 0.05

 + неделя 6/ + week 6 > базовый уровень, P < 0.01

Exercise VO2  аэробная способность при выполнении тестовых упражнений

Endurance time — время продолжительности выносливости в минутах

            Невзирая на эту проблему с улучшением показателей эффективности,  очевидно, что наши участники  испытывали  задержку  в адаптации  к кетогенной диете, снизив показатели выносливости спустя  одну  неделю, после чего последовало восстановление до базового уровня  или его  превышение   в период после  первой  и до конца шестой недели. Учитывая снижение энергетических затрат на упражнения, несмотря на утяжеляющий рюкзак, размеры этой адаптации не могут быть определены в результате этого исследования. Чтобы объяснить это повышение эффективности физических упражнений, мы можем предположить, что для человеческого организма более эффективно  носить современный рюкзак, чем подкожный избыточный жир. Также возможно, что эти нетренированные участники  в ходе исследования ко времени третьего нагрузочного теста   уже почувствовали себя более комфортно  на беговой дорожке, и поэтому их эффективность в целом повысилась.

            Ввиду  неопределенности данного исследования, вызванной потерей веса пациентов  и   вероятным улучшением их технических показателей  в ходе повторных тестов,  автор настоящей работы  провел

 второе исследование под руководством д — ра  Брюса Бистряна  из Массачусетского технологического института (Кембридж)[ 14,15]. Диета, применённая  в этом повторном  исследовании, в качестве образца имела   диету Стефанссона, которую последний использовал в ходе своей годичной экспедиции в Беллевью (и, таким образом, предположительно близкую к традиционному  рациону эскимосов).  Таким способом предполагалось достичь того, что участники  будут в кетозисе без потери веса.

Это второе исследование в качестве участников привлекло натренированных   велогонщиков,  которые в течение 5 недель находились под наблюдением в метаболическом отделении. В первую неделю испытуемые  следовали  диете для поддержания веса (сбалансированной по калориям), которая давала 67% небелковой энергии за счёт  углеводов. В течение этой недели  были выполнены замеры базового уровня  их физической эффективности. За этим последовало 4 недели сбалансированной кетогенной диеты (EKD), обеспечивающей 83% энергии за счёт  жира, 15% за счёт  белка и менее 3% за счёт  углеводов. Мясо, рыба и птица, которые обеспечивали протеин в ходе диеты, также  обеспечивали  1,5 г/д калия и к тому же были приготовлены с содержанием натрия в количестве  2 г/д . К этим минералам в составе пищи ежедневно   дополнительно добавлялись   1 г калия  бикарбоната, 3 г натрия в виде бульона, 600 мг кальция, 300 мг магния и стандартные поливитамины. Велосепидисты -участники этого исследования отметили небольшое снижение их энергетического уровня в ходе тренировочных гонок в течение первой недели эскимосской диеты, после чего их показатели результативности были в значительной мере восстановлены, за исключением их способности к спринту, которая оставалась лимитированной в период ограничения углеводов. В среднем, испытуемые потеряли 0,7 кг в первую неделю EKD, после чего их вес оставался стабильным.

            Общий объем калия в теле  (подсчитывался Калий-40) уменьшился  на  2%  в первые 2 недели (соразмерно с истощением   мышечного гликогена,  подтверждённого  биопсией), после чего он оставался стабильным в течение 4-й недели EKD. Эти результаты согласуются с наблюдаемым сокращением запасов гликогена в организме, но в остальном   мышечная масса тела во время EKD была прекрасно сохранена. 

  Результаты теста на физическую выносливость представлены в таблице 2.

Особенно примечательно в этих результатах  отсутствие изменений в параметрах аэробной способности в течение 4-хнедельного периода адаптации к EKD.

            Тест на выносливость на велосипедном эргометре выполнялся на уровне  65% от максимальной аэробной способности (VO2max), что означает  для этих высоко тренированных спортсменов  расход энергии в размере  960 kcal/час. Примечательно, что при  таком высоком уровне энергозатрат, второй тест был проведен при среднем респираторном коэффициенте 0,72, что свидетельствует о том, что практически исключительным ресурсом   для этого высокоэнергетического результата  был жир. Это согласуется с измерениями   мышечного гликогена и продуктов окисления глюкозы  крови до и после тренировки (данные не приводятся), что обнаруживает существенное  снижение  в потреблении этих веществ, получаемых из углеводов,  после адаптации к EKD.

Таблица 2

Table 2

Exercise parameters of MIT EKD study [15]

Параметры физических  упражнений в исследовании ЕKD в MIT[15]

LPM, liter per minute  ( литр в минуту)* P < 0.01

Exercise VO2  аэробная способность при выполнении тестовых упражнений

Endurance time — время продолжительности выносливости в минутах

            Анализ результатов этих двух   выполненных исследований кетогенной  диеты свидетельствует о том, что обе группы испытали  замедление результативности  в течение первой одной или первых двух  недель ограничения углеводов, после чего обе группы достигли пика   аэробической способности, и близкая к максимальной  (60 — 70% VO2max) физическая выносливость была полностью восстановлена. В обоих исследованиях — в одном   с нетренированными участниками и в другом  с     высокотренированными  спортсменами, продолжающими тренировки в течение  исследования -, не было потери максимальной аэробической способности (VO2max), несмотря на фактическое отсутствие у них  пищевых углеводов в течение  4 — 6 недель. Этот полноразмерный   окислительный метаболизм  всего тела не мог бы поддерживаться без отличной сохранности полной дееспособности  функциональных тканей, включая скелетно-мышечную  (и митохондриальную) массу, циркулирующую массу   красных кровяных телец   и  функционирование сердца и легких.

            Предположение о возможном   повышении продолжительности физической выносливости  после кето — адаптации в результате первого исследования не было поддержано  вторым исследованием с участием  высокотренированных атлетов, поскольку оно  не  дополнялось учетом   переменного параметра  значительной потери веса.

Так что, вероятно,  увеличение периода  выносливости  в вермонтском исследовании  объясняется улучшением результативности (то есть меньшими затруднениями из-за рюкзака, чем из-за соответствующего по весу  внутреннего жира) и/или улучшением адаптации к испытательному тесту  на физическую  выносливость. Подобная  адаптация  не ожидалась во втором исследовании, поскольку высокотренированные велогонщики были хорошо подготовлены к  стационарным велоэргометрам  уже в начале исследования. Также стоит отметить, что велогонщики сохранили стабильный вес (за исключением потери полукилограмма  за счёт мышечного  гликогена) в течение  4 недель  EKD, которая  по калориям равнялась диете базового уровня.  Хотя 4 недели — относительно короткий срок для оценки небольших различий в энергоэффективности между диетами, это наблюдение предполагает, что не было значительного снижения эффективности энергетического метаболизма после кето — адаптации.

            В качестве последнего замечания   в этом разделе отметим, что  ни вермонтское исследование , ни исследование MIT  не были опровергнуты в течение двух десятилетий после их опубликования. Принимая  во внимание стоимость исследований в отделении человеческого метаболизма и не сходящиеся   выводы  этих двух исследований, становится понятным, почему ни одно из них с тех пор не было подтверждено  подобным же исследованием организма человека. Однако два исследования, проведённые впоследствии на  животных и изучавшие  показатели физической  результативности  после  кето — адаптации, показали результаты, соответствующие тем, которые были представлены выше [ 16,17].

Парадокс результатов и его решение

Есть три фактора, которые могут помочь нам объяснить парадокс, представленный в исследованиях, показывающих более высокую физическую эффективность  при высокоуглеводных диетах по сравнению с настоящими двумя исследованиями автора, о которых выше шла речь.

Адаптация

Самый очевидный фактор — это время , выделенное  ( или не выделенное) на кето- адаптацию.

            В этом контексте пророческие наблюдение Шватки ( о том, что адаптация к «диете из оленьего мяса зантимает 2-3 недели) объясняют все. Ни одно из проведённых сравнительных исследований низкоуглеводного и высокоуглеводного  рациона в поддержку гипотезы углеводной нагрузки не продолжалось более 2 недель [5], а в большей части этих исследований ( включая классические отчеты Кристенсена и Хансена [2] ) следование низкоуглеводной       диете продолжалось 7 дней или меньше.

            До настоящего времени не выполнено ни одного исследования, которое детально изучает оптимальную продолжительность этого периода кето- адаптации, которая с очевидностью длится дольше, чем одна неделя, и похоже,  существенно  улучшается через 3-4 недели. Оказывается, этот процесс не происходит быстрее у высокотрентрованных атлетов по сравнению с  участниками, страдающими избыточным весом или нетренированными. Также оказалось, что этот процесс адаптации требует строгого соблюдения углеводного ограничения, поскольку  люди, которые время от времени употребляют углеводы во время попытки следовать кетогенной диете, сообщают о сокращении субъективной выносливости к физическим упражнениям.

Натрий и калий

Второй фактор, который отличает исследования автора от

многих других — это оптимизированное введение минералов в рацион, что полезно как с точки зрения кардиоваскулярных резервов в краткосрочной перспективе, так и для сохранения мышечной массы тела  в более длительной временной перспективе. Эскимосы жили большую часть года на прибрежном ледяном покрове (который частично абсорбирует морскую воду), и их пища в основном  состояла из мясного супа на этой подсоленной воде. Когда они приходили охотиться на материк, они традиционно добавляли оленью кровь (которая также является богатым источником натрия) в их суп. С помощью этих методов эмпирического происхождения эскимосская культура освоила доступные ресурсы для того, чтобы оптимизировать  потребление как натрия, так и калия.

            Когда мясо запечено, пожарено или сварено, или когда оно сварено, но бульон сливается, то изначально присутствующий в мясе калий утрачивается,  что делает  более трудным поддержание калиевого баланса в отсутствии фруктов и овощей. Поскольку участники нашего эксперимента привыкли есть мясо, рыбу и птицу приготовленными иначе, чем в супе, было решено давать большую часть необходимого им натрия отдельно в виде бульона, а также простой дополнительный супплемент калия в виде   калия  бикарбоната. С этими  добавками, позволяющими поддерживать ежедневное потреблением натрия 3-5 g/день и потребление калия в целом 2-3 g/день, наши взрослые участники оказались способны поддерживать свои кровеносные  резервы (иначе говоря, вазодилатация оставалась возможной во время субмаксимальных физических нагрузок) и эффективный азотный баланс при сохранности функциональных тканей.  

            Пример того, что происходит, когда эти минеральные установки не учитываются, можно найти в заметном  исследовании, опубликованном в 1980 г. [18].  Это было исследование с целью оценить  исключительно белковый рацион по сравнению с рационом «белок плюс углеводы» в диете для похудения   с точки зрения сохранности  мышечной ткани.

            Исключительно белковая диета  состояла только из вареной индейки (без бульона), тогда как белковый рацион в сочетании с углеводами состоял из такого же  количества калорий в виде индейки и виноградного сока.  Наблюдаемые в течение 4 недель в метаболическом отделении  пациенты, принимающие белок плюс углеводы, довольно хорошо поддерживали мышечную массу (измеренную по азотному балансу), тогда как пациенты, принимающие только белок, испытывали нарастающую   потерю азота в организме.

            Ключ  к тому, что происходило в этом «индеечном исследовании», может быть найден в данных  калиевого баланса, представленных в этом отчете. Как правило, прирост или потеря азота и калия тесно взаимосвязаны, поскольку они оба содержатся в мышечной ткани. Интересно, что авторы отметили, что  пациенты на исключительно белковой диете теряли азот, но их уровень калия рос. Как отмечается в письме, содержащем опровержение и опубликованном вскоре после этого отчета [19], эта аномалия произошла по той причине, что авторы, рассчитывая   потребление калия их пациентами, исходили из  приведенных в справочниках значений для сырой индейки, не отдавая отчета в том, что половина этого калия выбрасывалась в неиспользуемом бульоне. Лишенные этого калия (а также ограниченные в потреблении соли), эти пациенты не могли извлечь пользу из предлагаемого диетой  белка и потеряли мышечную массу. Стоит также заметить следующее:  хотя это исследование было убедительно опровергнуто хорошо разработанным исследованием, проведенным в  метаболическом отделении и опубликованным 3 года спустя [20], это «индеечное исследование» продолжает цитироваться как пример того, что диета с низким содержанием углеводов для похудения имеет свои ограничения.

Количество белка

Третий существенный для диеты фактор, потенциально влияющий на физическую эффективность, — это такое  регулирование потребления белка, которое соответствовало бы оптимальному для метаболизма человека терапевтическому диапазону. Исследования, упомянутые здесь [13, 14, 15, 20], демонстрируют эффективное сохранение мышечной массы тела и физической работоспособности, когда белок потребляется за день в пределах 1,2-1,7 г на килограмм эталонной массы тела при условии получения соответствующих минералов. Если мы примем как среднее значение 1,5 г  белка  на 1 кг веса в день для взрослых с эталонным весом от 60 до 80 кг , то в пересчете на общее суточное потребление белка  это означает от 90 до 120 г   белка в день. Эти цифры также согласуются с потреблением белка, о котором сообщалось в исследовании Bellevue [9]. Если принимать общие ежедневные энергетические затраты равными 2000–3000 ккал в день, то около 15% ежедневных энергетических затрат (или поступающих калорий, если диета хорошо сбалансирована) должны быть обеспечены в виде белка.

            Одним из результатов снижения суточного потребления белка ниже 1,2 г на кг эталонной массы во время кетогенной диеты будет нарастающая потеря функциональной мышечной ткани и, следовательно, потеря физической работоспособности, как продемонстрировано  в исследовании Davis et al [21].

            В этом исследовании у пациентов, получавших белок в количестве 1,1 г / кг в день в течение 3-месячного периода на кетогенной диете, наблюдалось значительное снижение VO2max , тогда как у пациентов, получавших белок 1,5 г / кг в день,VO2max оставалась сохранной.

            В то же время, с другой стороны,  более высокое потребление белка может привести к негативным побочным эффектам, если потребление этого нутриента превышает 25% суточного расхода энергии. Одной из проблем, связанных с более высоким уровнем потребления белка, является подавление кетогенеза в противоположность рациону, содержащему сбалансированное по калориям количество жира (если исходить из того положения, что кетоны представляют собой полезную адаптацию для  энергетического гомеостаза всего тела).

Добавим к этому, что Стефанссон описывает болезнь, известную эскимосам как кроличья болезнь [8]. Эта проблема могла появляться  ранней весной, когда очень худые кролики были единственной доступной добычей и когда люди могли испытать соблазн съесть слишком много белка при отсутствие альтернативного источника жира в рационе. Сообщается, что симптомы появлялись в течение недели и включали головную боль и усталость. Такие симптомы не являются редкостью среди людей, которые по случаю садятся на  «низкоуглеводную и высокопротеиновую» диету.

Заключение

Оба типа исследований, — как исследования-наблюдения, так и  спланированные на получение результата, подтверждают вывод о том, что субмаксимальная выносливость может оставаться сохранной, несмотря на фактическое исключение углеводов из рациона человека. Очевидно однако же, что подобный результат не достигается автоматически при случайном введении ограничения потребления углеводов, поскольку для этого результата требуется тщательное внимание ко времени для кето-адаптации, минеральным нутриентам и ограничение суточной дозы белка. Противоречивые результаты в научной литературе могут быть объяснены недостаточным вниманием к этим урокам (и по большей части теперь забытым), усвоенным культурами, которые традиционно жили охотой. Терапевтическое использование кетогенной диеты не должно накладывать ограничения на большинство форм физического труда или рекреационной активности, с той одной оговоркой, что  результативность при анаэробных нагрузках (то есть,  при поднятии тяжестей или спринте) все-таки ограничена из-за низкого уровня мышечного гликогена, вызванного кетогенной диетой, и это может быть существенным препятствием ее использования в большинстве случаев, когда речь идет о спортивной атлетике.

Сокращения

VO2max: 

maximum aerobic capacity

Максимальная аэробическая способность

RQ: 

respiratory quotient

Респираторный коэффициент

EKD: 

eucaloric ketogenic diet

Сбалансированная по калориям кетогенная диета

Литература

1. McArdle WD, Katch FI, Katch VL: Essentials of Exercise Physiology. 1994, Philadelphia, PA. Lea&Febiger, 563-pp. 35–56Google Scholar
   
2. Christensen EH, Hansen O: Zur Methodik der respiratorischen Quotient-Bestimmungen in Ruhe and bei Arbeit. Skand Arch Physiol. 1939, 81: 137-71.View Article
   
   Google Scholar
   
3. Kark R, Johnson R, Lewis J: Defects of pemmican as an emergency ration for infantry troops. War Medicine. 1946, 8: 345-52.Google Scholar
   
4. Bergstrom J, Hultman E: A study of glycogen metabolism in man. J Clin Lab Invest. 1967, 19: 218-29.View Article
   
   Google Scholar
   
5. Bergstrom J, Hermansson L, Hultman E, Saltin B: Diet, muscle glycogen, and physical performance. Acta Physiol Scand. 1967, 71: 140-50.View Article
   
   Google Scholar
   
6. Stackpole EA, ed: The long arctic search: the narrative of lieutenant Frederick Schwatka. Mystic CT. The Marine Historical Society. 1965Google Scholar
   
7. Mattila R: A chronological bibliography of the published works of Vilhjalmur Stefansson. Dartmouth College Libraries, Hanover HH. 1978Google Scholar
   
8. Stefansson V: Not by bread alone. The MacMillan Co, NY. 1946, Introductions by Eugene F. DuBois, MD, pp ix-xiii; and Earnest Hooton PhD, ScD, pp xv-xviGoogle Scholar
   
9. McClellan WS, DuBois EF: Clinical calorimetry XLV: Prolonged meat diets with a study of kidney function and ketosis. J Biol Chem. 1930, 87: 651-68.Google Scholar
   
10. McClellan WS, Rupp VR, Toscani V: Clinical calorimetry XLVI: prolonged meat diets with a study of the metabolism of nitrogen, calcium, and phosphorus. J Biol Chem. 1930, 87: 669-80.Google Scholar
    
11. Stefansson V: The friendly arctic. The MacMillan Co, NY. 1921Google Scholar
    
12. Cahill GF: Starvation in man. N Engl J Med. 1970, 282: 668-75.View Article
    
    Google Scholar
    
13. Phinney SD, Horton ES, Sims EAH, Hanson J, Danforth E, Lagrange BM: Capacity for moderate exercise in obese subjects after adaptation to a hypocaloric ketogenic diet. J Clin Invest. 1980, 66: 1152-61.View Article
    
    Google Scholar
    
14. Phinney SD, Bistrian BR, Wolfe RR, Blackburn GL: The human metabolic response to chronic ketosis without caloric restriction: physical and biochemical adaptation. Metabolism. 1983, 32: 757-68. 10.1016/0026-0495(83)90105-1.View Article
    
    Google Scholar
    
15. Phinney SD, Bistrian BR, Evans WJ, Gervino E, Blackburn GL: The human metabolic response to chronic ketosis without caloric restriction: preservation of submaximal exercise capability with reduced carbohydrate oxidation. Metabolism. 1983, 32: 769-76. 10.1016/0026-0495(83)90106-3.View Article
    
    Google Scholar
    
16. Conlee RK, Hammer RL, Winder WW, Bracken ML, Nelson AG, Barnett DW: Glycogen repletion and exercise endurance in rats adapted to a high fat diet. Metabolism. 1990, 39: 289-94. 10.1016/0026-0495(90)90049-I.View Article
    
    Google Scholar
    
17. Simi B, Sempore B, Mayet MH, Favier RJ: Additive effects of training and high-fat diet on energy metabolism during exercise. J Appl Physiol. 1991, 71: 197-203.Google Scholar
    
18. DeHaven J, Sherwin R, Hendler R, Felig P: Nitrogen and sodium balance and sympathetic nervous system activity in obese subjects treated with a low-calorie or mixed diet. Newe ngl J Med. 1980, 302: 477-82.View Article
    
    Google Scholar
    
19. Phinney SD: Low-calorie protein versus mixed diet. N Engl J Med. 1980, 303: 158-Google Scholar
    
20. Hoffer LJ, Bistrian BR, Young VR, Blackburn GL, Matthews DE: Metabolic effects of very low calorie weight reduction diets. J Clin Invest. 1984, 73: 750-58.View Article
    
    Google Scholar
    

Davis PG, Phinney SD: Differential effects of two very low calorie diets on aerobic and anaerobi