Ketogene Diäten sind Medizin für eine Vielzahl von Erkrankungen!
Jedes Organ und jede einzelne Zelle in unserem Körper benötigt eine bestimmte Menge an Energie um zu überleben. Wird die Energiezufuhr unterschritten, so leitet die Zelle entweder die Apoptose ein (mit der übrig gebliebenen Energie wird ein kontrollierter Zelltod eingeleitet) oder es erfolgt eine Nekrose (zellabsterben, unkontrolliert). Die Energiezufuhr kann auf unterschiedlichste Weise unterbrochen oder beeinträchtigt werden … aber fangen wir vorne an: Was ist überhaupt „Energie“ und wo kommt diese her?
WAS IST ENERGIE!?
Energie ist ein ziemlich philosophischer Begriff – wir beschränken uns fürs Erste auf die Energie in unserem Körper: ATP! ATP steht für Adenosin-Tri-Phosphat und jede Zelle, jedes Verhalten, jede Bewegung, jede körperliche Handlung benötigt eine bestimmte Menge an diesem ATP. Dieses ATP entsteht nicht „einfach so“, sondern wird beim Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gebildet. Es gibt unterschiedliche Stoffwechselwege welche diese Energie produzieren: die Glykolyse (Kohlenhydrate), die Lipolyse und Betaoxidation (Fettsäuren) und die Ketogenese (im Anschluss an die Betaoxidation). Damit ausreichend Energie produziert wird, sollten im Optimalfall alle 3 Stoffwechselwege richtig funktionieren – dazu benötigt der Körper entsprechendes Training der einzelnen Teile und ausreichend Co-Substanzen. Zu den Co-Substanzen gehören Sachen wie B-Vitamine, Magnesium, Arginin, ausreichend Aminosäuren, Coenzym Q10, Karnitin, Kreatin und so weiter – all diese Substanzen verbessern die Energieproduktion unserer Mitochondrien! Mitochondrien? Das sind die Teile unserer Zelle, welche die Energie aus Fett produzieren – du weisst schon, da wo die Ketogenese und die Betoxidation stattfinden. Alle diese „Co-Faktoren“, dazu gehört natürlich auch Sauerstoff (dieser wird benötigt um Fettsäuren abzubauen, vereinfacht: Fett + Sauerstoff → Wasser + Kohlendioxid + Energie), werden über das Blut zu den Zellen und entsprechenden Organen gebracht. Ohne Durchblutung dann keine Energie.
Also Co-Faktoren, Sauerstoff, Fette, Kohlenhydrate, Mitochondrien und der entsprechende Transport über das Blut zum Zielgewebe. Fehlt eines dieser Substanzen, gibt es nicht ausreichend Mitochondrien oder ist der Transport gestört (Gefäßverletzung, Gefäßverkalkung, Oxidativer Stress, Thrombus …), so fährt die Zelle zuerst ihre Funktion auf ein Minimum herunter – bei vollständigem Ausbleiben von Energie stirbt diese, meist irreversibel, entsprechend ab, wie schon erklärt.
Der Energiebedarf unseres Gehirns!
Unser Gehirn benötigt unter „Normalbedingungen“ circa 120g (knapp 500 kcal)Kohlenhydrate pro Tag – im Biochemiebuch Stryer liest du sowas wie „Brain. Glucose is virtually the sole fuel for the human brain, except during prolonged starvation. “ („Gehirn. Traubenzucker / Glukose ist der Haupt-Treibstoff für das menschliche Gehirn, ausser in länger andauernden Hungerzeiten“).
Grade die Mechanismen welche das Membranpotenzial aufrechterhalten, so was wie die Natrium-Kaliumpumpe, was für die Erregung von Nerven und die Informationsweiterleitung unentbehrlich ist und die Produktion von Neurotransmittern, benötigen einen Großteil dieser Energie. Ob das Gehirn nun hochaktiv ist oder nicht, scheint keine große Rolle zu spielen – Stryer sagt, dass die Energie nur in unterschiedliche Hirnregionen wandert – je nach „Anwendung“.
Unser Gehirn bekommt seinen Zucker (Zucker sind Kohlenhydrate) über sogenannte Glukose Transporter der Klasse 3 (Glut 3) welche Zucker insulinUNabhängig aufnehmen können – diese Transporter reagieren auf kleinste Mengen an Kohlenhydraten / Zucker im Blut, nehmen diesen „Zucker“ auf und beliefern unser Gehirn.
Aber warte mal. Was sind eigentlich Normalbedingungen? Lass uns mal aufhören rumzulabern und mal zum interessanten Teil kommen!!!
Glukose ist der Haupttreibstoff für unser Gehirn während einer „ausgewogenen Mischkost“. Aber was, wenn du keine „ausgewogene Mischkost“ zu dir nimmst?
Kommst du auf die Welt, also als Baby, so überwiegt die Ketogenese und die Keto-Utilisation unseres Gehirns. WAS IST DAS? Das ist die Produktion von Ketonkörpern über die Ketogenese und die Verwendung selbiger von verschiedenen Organen, auch des Gehirns und unser Gehirn bevorzugt KETONKÖRPER statt Glukose (TraubenZUCKER) – während den ersten Tagen unseres Daseins. Erst wenn Mutti anfängt uns mit kohlenhydratreichem Getreidebrei, Obst und Co zu füttern, entwöhnt sich unser Gehirn nach und nach vom Ketonkörperstoffwechsel. Also wenn Stryer schreibt, dass unser Gehirn Zucker bevorzugt – aber das Babygehirn Ketonkörper bevorzugt und Stryer sagt, dass während Phasen „des Verhungerns“ unser Gehirn auch ohne Kohlenhydrate klar kommt, dann ist hier irgendetwas nicht richtig. Oder?
Andere Wissenschaftler konnten zeigen, dass Ketonkörper immer dann vom Gehirn benutzt werden, wenn diese verfügbar sind!!! Und unser Körper kann aus Aminosäuren und aus Glyzerin (ein Teil der Speicherfette: „Tri-Acyl-Glyzerid“) seinen Kohlenhydratbedarf selbst decken. Die untere Zufuhrgenze an Kohlenhydraten für den Menschen ist aus gesundheitlicher Sicht … NULL!!! Es gibt KEINE Kohlenhydratmangelerkrankung, aber einige wirklich positive Effekte durch die Ketonkörperbildung und deren Verwendung …
Sagte ich schon, dass es jetzt interessanter wird?
Ketonkörper sind Transportformen des Acetyl-COA, dieses Acetyl-COA entsteht dann, wenn Fettsäuren abgebaut werden und dabei fallen viele freie Radikale an. Diese freien Radikale (die sind radikal und machen alles, jede Zelle, Drumherum kaputt) würden unser Gehirn schädigen, daher findet dieser Fettabbau und die Fettoxidation nur sehr wenig im Gehirn statt (etwas in den Astrozyten), sondern in allen anderen Zellen und vor allem in unserer Leber werden dann aus den von Fettsäuren abgebauten Acetyl-COA (fällt bei der Betaoxidation an) unsere Ketonkörper gebildet.
Diese Ketonkörper wandern zum Gehirn und das Gehirn kann dann mit diesen Ketonkörpern arbeiten – auch GANZ OHNE KOHLENHYDRATE / ZUCKER.
Der Vorteil von diesen Ketonkörpern ist, dass diese IMMER verfügbar sind – Stryer der alte Biochemiker schreibt doch, dass Ketonkörper das Substrat der Wahl für unser Gehirn ist, wenn keine Nahrung mehr zugeführt wird – zum Beispiel in Fastenphasen oder während des Verhungerns.
Das heisst – immer wenn wir nichts essen, dann werden Ketonkörper gebildet – immer wenn wir essen, wird dessen Bildung reduziert. Vor allem der Verzehr von Kohlenhydraten und hohe Insulinspiegel hemmen die Bildung der Ketonkörper – das ist nur logisch: Sind genug Kohlenhydrate vorhanden, so kann das Gehirn ja damit arbeiten – sind grad keine Kohlenhydrate da, dann muss das Gehirn anders versorgt werden. Unser Gehirn hat nur ganz geringe Kohlenhydratspeicher in den Gliazellen und unsere Kohlenhydratspeicher in der Leber sind nach 13 bis spätestens 48 Stunden erschöpft. Dann also werden vermehrt Ketonkörper gebildet und das Gehirn nach und nach umgestellt …
Zurück zum Vorteil. Ketonkörper können also uneingeschränkt gebildet werden – auch wenn du grad nichts zu essen hast. Unser Gehirn wäre immer versorgt. Und noch besser: pro Molekül Sauerstoff kann aus Ketonkörpern mehr Energie im Gehirn produziert werden, als aus Glukose. Das bedeutet, wenn unser Gehirn mal schlecht durchblutet wird oder es sonstige Probleme bei der Sauerstoffversorgung gibt, kann mit Ketonkörpern oft ausreichend Energie produziert werden – auch bei weniger Sauerstoffverfügbarkeit!!! In verschiedenen Untersuchungen zeigt sich, dass bei einem Schlaganfall weniger Nervenzellen zugrunde gehen, wenn das Gehirn mit der Verarbeitung von Ketonkörpern vertraut ist! UNSER GEHIRN WIRD ALSO HYPOXIE-TOLERANTER und resistenter gegenüber Sauerstoffmangel, wenn der Ketonkörperstoffwechsel „trainiert“ wurde und funktioniert!!!
Und wenn du richtig mitgelesen hast, dann hast du mitbekommen, dass es keine „Unterzuckerungen“ mehr gibt, wenn dein Gehirn mit Ketonkörpern arbeiten kann! Da Unterzuckerungen ein „Mangel an Kohlenhydrate für das Gehirn, welches nicht mit Ketonkörpern umgehen kann“ ist.
Wie trainiert man das Gehirn, damit es mit Ketonkörpern arbeiten kann?
Auf Kohlenhydrate verzichten. Öfters eine Mahlzeit ausfallen lassen. Nüchtern trainieren. Unserem Gehirn bleibt nichts anders übrig – entweder stellt es sich auf die Verwendung von Ketonkörpern um – oder es verreckt. Und unter uns? So leicht stirbt es sich nicht! Unser Körper ist anpassungsfähig und resistent gegenüber verschiedenste Umwelteinflüsse – grade „nicht zu verhungern“ hat unser Körper ziemlich gut drauf (schon mal eine Diät gemacht?). Es dauert circa 4-10 Tage bei Gesunden, bis das Enzym, welches Ketonkörper zurück in Acetyl-COA und somit in Energie im Gehirn umwandelt, gebildet wird. Dieses Enzym heisst Ketoacyl-Coenzym-A-Transferase. Ist dieses Enzym einmal da, so kann unser Gehirn mit Ketonkörpern arbeiten und diese werden immer dann produziert wenn wir nüchtern sind – also immer dann, wenn wir länger als 5,6 Stunden nichts gegessen haben oder zumindest keine Kohlenhydrate verzehrt haben.
Während des Fastens erhöht sich die Aufnahme von Ketonkörpern in das menschliche Gehirn über die Bluthirnschranke durch eine achtfach erhöhte Bildung entsprechender Transporter (MCT1 und MCT2). Nach einigen Tagen erhöht sich diese Aufnahmekapazität um das 13-fache.
Nach einer solchen Umstellung verliert unser Gehirn allerdings NICHT die Fähigkeit mit Glukose / Kohlenhydraten umzugehen – unser Gehirn kann jetzt „plötzlich“ mit Ketonkörpern (Fetten) und Kohlenhydraten / Zucker arbeiten! Das was grade da ist, das wird verwendet. Unser Gehirn wird flexibel! Und das ist gut, gesund und richtig gut – sagte ich das schon?
Allerdings reduzieren Ketonkörper den Bedarf und die Verwendung von Kohlenhydraten unseres Gehirns! Statt 120g pro Tag werden nur noch 40g Pro Tag benötigt und wenigstens 20-30g Kohlenhydrate kann unser Körper sowieso aus Speicherfett herstellen – der Rest wird aus Proteinen gebildet – oder kommt eben aus der Nahrung!
KETONKÖRPER?
Ketogene Ernährungsweisen erhöhen nicht nur den Energie – / ATP – Gehalt in unserem Gehirn sondern auch der Produktionsstätten (unter anderem im Hippocampus) und reduzieren den Energieverbrauch.
Die Geschichte der Ketonkörper und warum alle glauben, dass diese schlecht sind …
1921 rum wurde erstmals mit exogen zugeführtem Insulin die “Zuckerkrankheit” (Diabetes) behandelt. Zu viel Zucker im Blut war genauso schädlich wie zu viel Insulin – damals wusste man noch nicht wie viel Insulin man eigentlich verabreichen musste. Zu dieser Zeit manifestierte sich der Glaube, dass unser Körper Glukose allen anderen Energiesubstraten vorzieht – Ketonkörper und der gesamte Ketonkörperstoffwechsel bei Gesunden wurde etwas ignoriert und als „krankhaft und zu vermeiden“ bezeichnet. Warum das? Wenn der Insulinspiegel zu stark abfällt (das tut er nur bei ausgeprägter Form eines Diabetes, nicht bei Gesunden!), dann schießen Fette, Ketonkörper, Proteine und Zucker ins Blut – alle Energiesubstrate. Es entwickelt sich eine „Ketoazidose“ – der Körper „übersäuert“ und es entwickelt sich extremer Durst. Durch das ganze Trinken werden Fette, Zucker, Mineralstoffe und Ketonkörper mit dem Urin ausgeschieden – also es geht Energie und Nährstoffe einfach so verloren. Der Muskelabbau wird nicht mehr gestoppt – der gesamte Körper verschwindet im Klo. Dieser Zustand ist bei einem gesunden Menschen nicht zu erwarten – allerdings war dies der Grund, weshalb der Ketonkörperstoffwechsel erst mal ad Acta gelegt wurde und auch heutzutage nicht den besten Ruf genießt. Und weshalb man glaubte, dass unser Gehirn nur Zucker verstoffwechseln kann? Weil während einer „Unterzuckerung“ eines Diabetikers der Blutzuckerspiegel drastisch abfallen kann und es dadurch zu Funktionsstörungen unseres Gehirns kommt – auch hier gab es die falsche Schlussfolgerung, dass unser Gehirn ohne Zucker nicht kann.
Ernährung bei Schlaganfall? Interessant. Interessant.
Ein Systematischer Review aus dem Jahre 2012 kommt zu dem Ergebnis, dass Ketonkörper positive / schützende Effekte auf unser Gehirn haben, wenn sie kurz vor oder nach einem Schlaganfall verabreicht werden. Die Schlussfolgerung dieser, aber auch vieler anderer Untersuchungen zum Thema Schlaganfall und Ketogene Diäten ist:
Kalorienreduktion und Ketogene Diäten repräsentieren eine effiziente und kostengünstige Strategie das Schlaganfallrisiko und die Sekundärschäden eines Schlaganfalls zu reduzieren.
Studien zeigen, dass unser Gehirn die Hilfe der Ketonkörper während einer Verletzung sucht – während einer akuten Verletzung des Gehirns erhöht sich die Aufnahme von Ketonkörpern in unser Gehirn signifikant. Das geschieht über eine Hochregulation verschiedener Transportproteine namens MCT1 und MCT2. Diese nehmen unter anderem Fettsäuren und Ketonkörper auf.
Auch im unverletzten Zustand erhöhen Ketonkörper die Gehirndurchblutung teilweise um 39% und mehr.
Grade das (akut) verletzte Gehirn hat einen hohen Energiebedarf und reagiert sehr empfindlich auf einen niedrigen Blutzucker / Glukosemangel. Ketonkörper können wie schon besprochen einen solchen Mangel umgehen – dafür muss das Gehirn aber vorher entsprechend „umgestellt“ werden.
Während akuten Gefäßverletzung oder Gefäßverschluss, wie beispielsweise bei einem Schlaganfall, reduziert sich die Energieproduktion sowie die Sauerstoffzufuhr drastisch und die Menge an hypereregenden Neurotransmitter Glutamat und oxidativen Stress steigen an. Auf diese vier Dinge reagiert unser Gehirn sehr empfindlich und hält diesen Zustand nicht sehr lange aus, bevor die Nervenzellen anfangen abzusterben. In Tierversuchen kann gezeigt werden, dass die Überlebenschance von Nervenzellen in einem solchen Zustand deutlich erhöht werden kann, wenn das Gehirn Ketonkörper (Beta-Hydroxy-Butyrat) zur Verfügung hat. Werden beispielsweise Ketonkörper während eines Hirninfarktes verabreicht, so reduziert sich die Hirninfarktgröße! Auch wenn die Verabreichung etwas verzögert stattfindet! Ketonkörper hemmen direkt das Absterben von Nervenzellen und sind somit stark neuroprotektiv.
Der Großteil des Schadens während oder nach einem Schlaganfall oder einer anderen traumatischen Gehirnverletzung entsteht sekundär durch glutamataktivierte Übererregung, intrazellulären Calciumüberschuss, Funktionsstörungen der Mitochondrien mit geringerer Energieproduktion und der Bildung freier Radikale. Auch bei anderen klassischen neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und auch Epilepsie spielen diese Mechanismen eine entscheidende Rolle.
Ketonkörper schützen unser Gehirn. Zu dem Ergebnis kommt eine Untersuchung, leider auch wieder „nur“ an Ratten, aus dem Jahre 1990. Die Ratten wurden 48 Stunden nicht gefüttert – sie mussten also Fasten und dieses Fasten hat die Produktion von Ketonkörpern drastisch erhöht. Während die Blutzufuhr des Gehirns für 30 Minuten durch die Wissenschaftler unterbrochen wurde, konnten die Ketonkörper Nervenschaden und Nervenzellverlust in verschiedenen Arealen des Gehirns unterbinden: Striatum, Neocortex, Hippocampus. Klar kann man solche Untersuchungen nicht an Menschen durchführen – wer würde sich dazu bereit erklären? Und keine Ethikkommission würde das erlauben.
Grade der Ketonkörper β-hydroxybutyrat (BHB) scheint hier eine wichtige Rolle zu spielen und reduziert Schaden während Phasen schlechter / ausbleibender Durchblutung und verbessert die Gehirnfunktion während Sauerstoffmangel und reduzierter Durchblutung.
Doch nicht nur Ketonkörper spielen eine Rolle bei der Regeneration und Rehabilitation von Gehirnverletzungen oder Gehirnerkrankungen. Auch andere Nährstoffe sind wichtig für unser Gehirn. Zink findet sich in vielen Bereichen, ebenso Magnesium und verschiedene B-Vitamine. Untersuchungen bestätigen, dass die Aufnahme dieser Mikronährstoffe die Funktion unseres Gehirns verbessern und Schäden, welche während einer Hypoxie (also eines Sauerstoffmangels) entstehen können, reduzieren. Auch Omega 3 Fettsäuren können die Gehirnfunktion verbessern – bei Alzheimer, Parkinson, Epilepsie, Migräne und auch nach einem Schlaganfall entsprechende Sekundärschäden verringern. Während einer Gehirnverletzung steigt die Proteinsynthese und der Proteinbedarf des Gehirns ebenfalls drastisch an und Daten zeigen, dass ausreichend Protein in der Nahrung die Regeneration und Rehabilitation des Gehirns unterstützen können. Also ist der Proteinshake nicht nur für einen Kraftsportler interessant, was?
Die Menge an Mitochondrien unseres Gehirns korreliert mit einer stabileren Funktion unserer Synapsen und einer besseren Regeneration / Reparatur nach einem Schaden und Ketogene Diäten verbessern doch genau das, oder?
Um nicht zu weit abzuschweifen, doch der Vollständigkeit halber: Bei Alzheimerpatienten kann gezeigt werden, dass der Neurotransmitter Glutamat, oxidativer Stress und Entzündungsmediatoren in hoher Konzentration vorliegen. Die vorklinische Phase von Alzheimer ist charakterisiert durch eine jahrzehntelange Glukosestoffwechselstörung des Gehirns – der Ketonkörperstoffwechsel ist aber unbeeinflusst – lange bevor sich diese Erkrankung eigentlich manifestiert und „bemerkt“ wird. Eventuell können Ketongene Diäten nicht nur „therapeutisch“, sondern auch präventiv wirken? Es gibt genug Daten welche zeigen, dass Ketonkörper viele Gehirnproblematiken verbessern können. Die verschiedensten „Wirkmechanismen“ bei der Entstehung unterschiedlichster Erkrankungen unseres Gehirns werden direkt und indirekt durch Ketogene Diäten und Ketonkörper beeinflusst.
Kostengünstig. Nahezu frei von Nebenwirkungen. Einfach nur ein paar Mahlzeiten ausfallen lassen und die Kohlenhydrate reduzieren? Gesundheit kann nicht kompliziert sein …
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Next article in issue: Redox redux: A response to feinman’s “oxidation-reduction calculations in the biochemistry course” (Biochem. Mol. Biol. Educ. 32, 161–166)
Ketone bodies as a fuel for the brain during starvation
Authors
Oliver E. Owen
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