Miten meistä tuli ihmisiä ja mikä erottaa ihmiset muista luontokappaleista? Entä mitä ensimmäiset esi-ihmiset ja ihmiset söivät? Näihin kysymyksiin on esitetty monia kiinnostavia vastauksia. Yritän rekonstruoida esihistorian ja Homojen historian kompaktiin ja helposti pureskeltavaan pikaruokapamflettiin.

Viimeisen vuosisadan aikana syömämme ravinto on muuttunut valtavasti, mutta geenien ja aineenvaihdunnan toiminnan osalta emme ole muuttuneet juuri lainkaan kymmeniin tuhansiin vuosiin.

Yritän hahmotella johdonmukaisen selvityksen esihistoriallisten ihmisten ruokavaliota avaavien luentojen pohjalta. Neil Armstrongin sanoja mukaillen: arvoitukset herättävät ihmetystä ja ihmetys johtaa haluun ymmärtää.

Planeetta Helvetti

Alussa oli Helvetti. Satoja miljoonia vuosia myrskyävä kahden miljardin kuutiokilometrin hornankattila ja vulkaanisesti aktiivinen kiehuva planeetta. Neljä miljardia vuotta sitten nuori maailmamme muistutti enemmän helvettiä kuin paratiisia. Nuori maa oli painajaismainen, kaoottinen ja villi kurimus, jonka kaasukehän toiseksi yleisin aine oli hiilidioksidi.

Ensimmäinen solu kehittyi tässä noidankattilassa noin 3,5 miljardia vuotta sitten. Se oli ehkä kemoheterotrofi, joka hyödynsi elinympäristönsä orgaanisia yhdisteitä. Alkusoluille muodostui kyky valmistaa orgaanisia yhdisteitä hiilidioksidista muuttamalla valoenergiaa kemialliseen muotoon. Soluista tuli fotosynteettisiä.

Miljoonia vuosia, muutamaa hetkeä ja yhtä epookkia myöhemmin soluille kehittyi kyky käyttää vettä fotosynteettisenä elektronilähteenä. Näin muodostui kehittyneemmän elämän kannalta kriittinen happea tuottava fotosynteesi. Happea kertyi nuoren planeetan kaasukehään. Jotkin organismit sopeutuivat happeen ja alkoivat käyttää sitä energianlähteenä.

Prokaryootit, eli esitumalliset tumattomat yksisoluiset eliöt eriytyivät jo varhain bakteereihin ja arkeoneihin.

LUCA

Viimeinen tunnettu yhteinen esivanhempamme LUCA (Last Universal Common Ancestor) ei ollut ensimmäinen eliö, mutta se oli viimeisin yhteinen alkusolu, josta kaikki maapallolla nykyisin elävät eliöt ovat polveutuneet. LUCA kehittyi noin 3,5–3,8 miljardia vuotta sitten (paleoarkeeisen maailmankauden aikana).

Aitotumaisia eukaryootteja kehittyi alkuemereen 1,5–2 miljardia vuotta sitten. Niiden syntytapaa ei tunneta. Monisoluiset eliöt kehittyivät vasta 600-800 miljoonaa vuotta sitten. Soluille energiaa tuottava mitokondrio oli varhaisen esieukaryoottisolun kanssa endosymbioosissa elänyt aerobinen bakteeri.

Solu on elämän perusyksikkö

Elämä tarkoittaa yksinkertaisimmillaan soujen aineenvaihduntaa. Solu on kaikkien elävien organismien sähköisesti varautunut perusyksikkö.

Ihmisillä ja muilla suvullisesti lisääntyvillä eläimillä solut voidaan jakaa somaattisiin soluihin ja ituradan sukusoluihin eli gameetteihin. Somaattiset solut syntyvät mitoosissa ja sukusolut meioosissa. Olen käsitellyt syntymän ihmettä tarkemmin täällä.

Ihmisen kudoksesta yli 96 % muodostuu neljästä alkuaineesta. Vedyn, hiilen, typen ja hapen lisäksi kudoksissa on pieniä pitoisuuksia natriumia, magnesiumia, fosforia, rikkiä, klooria, kaliumia ja kalsiumia. Solut ovat 60–90 prosenttisesti vettä. Solujen tärkeimpiä orgaanisia yhdisteitä ovat lipidit, hiilihydraatit, proteiinit sekä nukleiinihapot (DNA ja RNA).

Paratiisin puutarhassa elämä on paikka, jossa elektroni lepää

Kaikki elämä edellyttää ravintoa. Ravintoon ja sitä hyödyntävään lajistoon vaikuttaa ilmasto, joka vaihtelee eri paikoissa. Ilmastolliset tekijät, kuten lämpötila ja sademäärä, aiheuttavat eroja eri alueiden kasvillisuudessa, mikä perusteella maapallo jaetaan ilmasto- ja kasvillisuusvyöhykkeisiin.

Tuulet tuovat kosteutta maalle. Pasaatituulet kohtaavat tropiikissa ja aiheuttavat ukkosilmoja, kosteutta ja monsuuneja. Pasaatituulten pohjois- ja eteläpuolella noin 30. leveysasteen kohdalla on vain vähän tuulia, minkä johdosta valtameriltä ei tule mantereille paljon kosteutta. Paratiisin puutarhan suuret aavikkoalueet sijaitsevat näillä leveysasteilla.

Valtameret tuovat kosteutta, joka synnyttää sademyrskyjä ja tasaa rannikkoseutujen lämpötiloja. Elämää esiintyyy lähes kaikkialla ilmakehästä aina viiden kilometrin syvyyteen asti. Tiedetään, että elämä ja ihmiset ovat sopeutunut hyvin erilaisiin olosuhteisiin, mutta mitä se elämä on?

Erwin Schrödinger määritteli 1940-luvulla elämän negatiiviseksi entropiaksi. Albert Szent-Györgyi kuvasi elämän paikaksi, jossa elektroni voi levätä. Biologiassa elämän ominaisuudeksi mainitaan yleensä kyky tuottaa uusia kopioita itsestään. Astrobiologi André Brackin mukaan elämä on “vesiliukoinen kemiallinen systeemi, joka siirtää molekyylirakenteisiin sisältyvän informaation ja kehittyy”. Addy Pross ja Robert Pascal toteavat, että elämä on toiminnallisuuteen perustuva stabiili tila, joka toimii ulkopuolelta tulevan energian varassa.

Elämä, mitä ikinä sillä tarkoitetaankaan, syntyi noin 3,5-4,0 miljardia vuotta sitten. Alkellista elämää oli aluksi vain merissä. 800 miljoonaa vuotta sitten kehittyivät ensimmäiset alkueläimet, jotka käyttivät ravintonaan muita eliöitä. Toisten eliöiden käyttäminen ravintona on yksi elämän kiertokulkua ylläpitävistä luonnon perusmekanismeista.

Alkueläimet kehittyivät 120 miljoonan vuoden kuluessa monimutkaisiksi ja monisoluisiksi eläimiksi. Selkärangattomien eläinten perusryhmät ilmestyivät proterotsooisen kauden lopulla ja paleotsooisen kauden alussa noin 540 miljoonaa vuotta sitten.

Ensimmäiset maakasvit kehittyivät noin 450 miljoonaa vuotta sitten. Sammakkoeläimiä alkoi nousta maalle devonikaudella. Triaskaudella 245–200 miljoonaa vuotta sitten ilmestyivät nisäkkäät, sisiliskot, dinosaurukset, kilpikonnat ja krokotiilit. Dinosaurusten valtakausi kesti 160 miljoonaa vuotta. Ensimmäiset ädelliset kehittyivät dinosaurusten joukkosukupuuton jälkeen 65 miljoonaa vuotta sitten.

Miten solut saavat energiaa?

Solujen rakenne ja aineenvaihdunta ovat käytännössä hyvin samanlaisia nyt kuin alkumeren ensimmäisillä soluilla:

• vettä 50–90 prosenttia
• hiili, vety, typpi ja happi
• samoja sokereita, aminohappoja, nukleotideja, rasvahappoja, fosfolipidejä, vitamiineja ja entsyymejä
• tärkeimpinä makromolekyyleinä proteiinit, lipidit, hiilihydraatit ja nukleiinihapot
• samanlainen solujen kaksinkertainen solukalvo
• entsyymien välityksellä tapahtuvat solujen reaktiot
• samanlainen prosessi energian tuottamiseksi ja saamiseksi
• välireaktioista koostuvat aineenvaihdunnan reaktiot
• DNA:sta koostuva solujen perimä
• kaikissa soluissa olevat ribosomit, joissa proteiinisynteesi tapahtuu
• perimässä tapahtuvat mutaatiot, jotka voivat muuttaa kaiken elollisen ilmiasua.

Solujen energialähteinä toimivat hiilihydraatit ja rasvahapot. Myös proteiineja voidaan käyttää energianlähteinä, mutta silloin aminohapoista on syntetisoitava glukoosia glukoneogeneesissä.

Aitotumallisissa soluissa rasvahapot hapetetaan mitokondrioissa β-oksidaatiossa, jolloin syntyy pelkistyneitä elektroninsiirtäjäkoentsyymejä NADH:ta ja FADH₂:ta. Hiilihydraatit pilkotaan ja muokataan ensin glukoosiksi tai sen johdannaisiksi. Solulimassa tapahtuvassa glykolyysissä glukoosimolekyylit hajotetaan pyruvaatiksi, mikä tuottaa NADH:ta ja ATP:tä.

Sekä pyruvaateista että rasvahappojen hapetustuotteista muodostetaan asetyylikoentsyymi-A:ta, joka on kaikkien energiaravinteidren yhteinen välimuoto mitokondrioiden sitruunahappokierrossa. Asetyylikoentsyymi-A pilkotaan hapettamalla sitruunahappokierrossa, mikä tuottaa NADH:ta ja FADH₂:ta.

Sitruunahappokierron jäännöstuotteina ovat vesi ja hiilidioksidi. Kun läski palaa, suurin osa osa haihtuu ulos hengitetyn hiilidioksidin ja ihon hikoilun välityksellä.

Aerobisten eli happea käyttävien solujen mitokondrion elektroninsiirtoketjussa aiemmissa reaktioissa tuotetut NADH ja FADH₂ luovuttavat elektroninsa eli hapettuvat NAD⁺:ksi ja FAD:ksi pelkistäen hapen vedeksi ketjureaktion jälkeen.

Seurauksena mitokondrion sisemmän kalvon eri puolille syntyy protonikonsentraatiogradientti, jossa matriisi on emäksisempi kuin solulima. Proteiinikanavat eli ATP-syntaasit antavat protonikonsentraation tasoittua tekemällä samalla protonivirrasta saatavalla energialla ADP:sta ja fosfaatista ATP:ta oksidatiivisessa fosforylaatiossa.

ATP on solun perusenergiamolekyyli, jota entsyymit käyttävät reaktioihinsa.

Solu ottaa aineita ympäristöstään endosytoosilla, joka voidaan jakaa kahteen mekanismiin: fagosytoosiin (”solusyönti”) ja pinosytoosiin (”solun juominen”). Molemmissa tapahtumissa solun ulkopuolella olevat molekyylit kiinnittyvät solukalvon reseptoreihin ja saavat aikaan solukalvon vetäytymisen kuopalle. Kuoppa syvenee, ja lopulta kuoppa irtoaa solun sisälle endosomina ja solukalvo umpeutuu kiinnittymällä vastakkaiseen reunaan. Endosomi yhdistyy solussa lysosomin kanssa.

Lysosomi sisältää entsyymejä, jotka hajottavat endosomin sisällön solun käyttöön. Esimerkkinä fagosytoosista on, kun fagosytoivat solut (makrofagit, neutrofiilit) syövät bakteereja ja tappavat ne sisällään. Fagosytoosin jälkeen ns. myöhäinen endosomi liitetään yleensä uudestaan kalvolle eksosytoosilla, jolloin sen sisältämät kuona-aineet vapautuvat soluvälitilaan. Eksosytoosi on käänteinen endosytoosille. Wikipedia

Solujen syntymä

Solut syntyvät soluista jakautumalla joko mitoottisesti tai meioottisesti. Mitoosissa solu jakautuu kahdeksi identtiseksi kopioksi. Solunjakautuminen kestää noin tunnin, ja sitä seuraa välivaihe, joka on mitoosia paljon pitempi.

Meioosia esiintyy ainoastaan sukusolujen eli munasolujen ja siittiöiden muodostuessa. Meioosissa on kaksi peräkkäistä solunjakautumista, joista syntyy neljä haploidista sukusolua.

Verisolut, monet epiteelisolut ja siittiöt jakautuvat hyvin nopeasti. Suolen epiteelisolut uusiutuvat noin kerran viidessä vuorokaudessa. Maksan solut uusiutuvat keskimäärin kerran kuukaudessa. Hermosolujen kyky jakautua päättyy yleensä hermosolun erikoistumiseen. Suurin osa hermosoluista syntyy jo sikiövaiheessa. Uusia hermosoluja syntyy jonkin verran hippokampuksessa. Jos hermosolujen regeneraatiota tapahtuu, se on ilmeisen hidasta.

Ihmisen elämä on lyhyt kuin päivänkorennon lento

Evoluution ajallista perspektiiviä on vaikea hahmottaa. Elinaikamme on lyhyt kuin päivänkorennon lento. Näemme tuokion maailmasta. Henkilökohtainen elämämme on tuskin muuta kuin silmänräpäys ihmisen kehityshistoriaan.

Evoluutiossa havaittaviin muutoksiin ja lajiutumiseen vierähtää tuhansia sukupolvia. Ympäristössä ja ravinnossa tapahtuneet muutokset voivat vaikuttaa epigeneettisesti lajien sopeutumiseen ja kehitykseen hyvin lyhyessä ajassa.

Lajina päivänkorennot ovat meitä ihmisiä vanhempia. Vanhimmat päivänkorentojen fossiilit on ajoitettu permikauteen kahden- tai kolmensadan miljoonan vuoden päähän menneisyyteen. Permikausi oli matelijoiden, kuten synapsidien, pelykosaurien ja nisäkkäitä muistuttavien terapsidien aikaa. Päivänkorennot olivat olemassa ennen dinosauruksia ja ovat olemassa luultavasti kauan sen jälkeen, kun nykyihmisen jättämät jäljet ovat peittyneet ajan tomuun.

Varhaisia terapsoideja kutsuttiin nisäkäsmäisiksi matelijoiksi. Terapsidit korvasivat muut synapsidit permikauden aikana noin 269 miljoonaa vuotta sitten. Terapsidien valtakausi kesti keskiselle triaskaudelle asti. Sen jälkeen (noin 245–216 milj. v. sitten) alkoi Archosauromorpha-matelijoiden kuten krokotiilien varhaisten sukulaisten ja dinosaurusten vuoro hallita maailmaa suurimpina maaeläiminä. Terapsidit nousivat nisäkkäinä uudelleen hallitsevaan asemaan kenotsooisella maailmankaudella noin 65 milj. v. sitten.

Elämän uusi aika, eli kenotsooinen maailmankausi

Ihmisten kantamuodot alkoivat kehittyä noin 65 miljoonaa vuotta sitten mesotsooisen maailmankauden lopulla kissaa pienemmistä pitkäkuonoisista kädellisistä.

Kenotsooisen kauden kahdeksan epookkia on nimetty eläimistön monimuotoisuuden mukaan kreikaksi. Ihmisen kehittymiseen johtanut ajanjakso alkoi hieman ennen pleistoseenikauden alkua.

• Paleoseeni paleos, muinainen (66-56 miljoonaa vuotta sittten)
• Eoseeni eos, sarastus (56-33,9 miljoonaa vuotta sitten)
• Oligoseeni oligos, muutama (33,8-23,8 miljoonaa vuotta sitten)
• Mioseeni meion, vähemmän (23-5,33 miljoonaa vuotta sitten)
• Plioseeni pleion, enemmän (5,3-2,6 miljoonaa vuotta sitten)
• Pleistoseeni pleistos, eniten (2,588 miljoonaa -11 560 vuotta sitten)
• Holoseeni, holos, kokonaan, kaikki (alkoi 11 560 vuotta sitten, eli 9600 eaa.)

Kenotsooinen maailmankausi on geologinen ajanjakso, joka alkoi liitukauden lopun joukkosukupuutosta noin 65 miljoonaa vuotta sitten ja jatkuu edelleen.

Kauden alussa ilmasto oli hyvin lämmin ja kostea, mutta alkoi kauden edetessä viiletä ja kuivua. Metsää kuivemmat ruohoa kasvaneet savannit ja arot valtasivat maa-alaa. Tämä mahdollisti monien suurten maanisäkkäiden, kuten hevosten ja norsueläinten kehityksen. Kauden aikana kädelliset kehittyivät ihmisapinoiksi ja edelleen ihmisiksi.

Paleoseenikauden alkukädelliset olivat kissaa pienempiä ja pitkäkuonoisia. Eoseenikauden nykyisiä makeja ja kummituseläimiä muistuttavien kädellisten etuna oli ruumiinpainoon nähden suuret aivot ja kyky hyödyntää monipuolisesti erilaisia ravinnonlähteitä.

DNA-mallien perusteella itä- ja länsiapinat erkanivat varhain eoseenikauden lopulla. Häntä- ja ihmisapinat erkanivat oligoseenikauden lopulla. Ihmiset ja ihmisapinat, kuten simpanssi, erkanivat omiksi kehityslinjoikseen noin seitsemän miljoonaa vuotta sitten.

Suuri joukkosukupuutto pyyhki Maata eoseeni-kauden lopulla. Samoihin aikoihin tapahtui myös merivirtojen muutoksia. Ilmasto viileni ja heinäkasvit yleistyivät. Valtavat ruohotasangot levittäytyivät Maan pinnalle.

Oligoseenikaudella ruohoaroille ilmestyi erilaisia laiduntajia sekä niitä saalistavia kissa- ja koiraeläimiä. Sapelihampaat kehittyivät moneen kertaan eri eläinlajeille. Norsueläimistä kasvoi hyvin suuria.

Kauden lopulla kädellisten kehitys johti ihmisapinoiden, apinaihmisten ja ihmisen syntyyn. Plioseenilla Afrikassa eli eteläapinoita, joista kehittyi jo ennen pleistoseenia nykyihmisen edeltäjiä.

Kasviravintoa syövä Ramapithecus oli enemmän apina kuin apinaihminen. Hieman myöhemmin (2-3 miljoonaa vuotta sitten) elänyt Australopithecus africanus oli ruumiinrakenteensa ja hampaidensa perusteella sekasyöjä.

Eräs mielenkiintoinen huomio on se, että eräillä villikoirilla esiintyvät laakamadot yleistyivät näihin aikoihin ihmisapinoilla.

Ilmasto muuttuu ja muutos vaikuttaa lajien migraatioon ja kehitykseen

Ilmaston muuttuminen on ohjannut kaikkien lajien sopeutumista ja kehittymistä. Kenotsooisella kaudella Afrikan ja Euroopan välissä kulki lämmin merivirta. Meri oli selvästi korkeammalla ja peitti suuremman osan maapallosta.

Esimerkiksi Saharassa ilmaston vaihtelu kosteasta kuivaan on ollut syklistä miljoonien vuosien ajan. Viimeisimmän jääkauden jälkeen Saharan alue oli vehreää savannia, jossa asui kirjava eläinkanta ja ihmisyhteiskuntia. Ihmisten pääasiallinen elinkeino alueella oli maanviljely ja metsästäminen. Monsuunisateet olivat alueella yleisiä, mutta ne alkoivat vähentyä noin 8000 vuotta sitten. Saharan alueen ilmastonmuutos johtui muutoksista maapallon kiertoradassa ja kallistuskulmassa. Vielä 10 000 vuotta sitten Saharan alue oli täynnä jokia ja järviä.

Paleoseenikauden lopussa kenotsooisen kauden ilmasto lämpeni yhä. Noin 55,5 miljoonaa vuotta sitten lämpötila nousi ~10 000 vuoden aikana keskileveyksillä 4–8 °C. Tämän lämpöhuipun (PETM) aiheutti todennäköisesti tulivuorenpurkausten ja syvänmeren metaanikatraattimineraaleihin sitoutuneen metaanin vapautumisen aiheuttama kasvihuoneilmiö. Kuuman lämpöhuipun jälkeen maailma koki vielä pitkän ja lämpimän eoseenin lämpöoptimin, minkä jälkeen maapallo alkoi jäähtyä.

Mioseeni oli Euroopassa lämmin ja kostea, mutta trooppiset lajit alkoivat kauden edetessä kadota. Palmut hävisivät Alppien pohjoispuolisesta Euroopasta. 7–5 miljoonaa vuotta sitten Afrikka viileni ja aavikoitui.

Maapallon lämpötila romahti ~2,74 miljoonaa vuotta sitten kylmään jääkausitilaan, jossa jääkauden ja lämpökaudet vuorottelivat. Pleistoseenikaudella oli arviolta 26 jäätiköitymistä, joista kymmenen olivat suuria. Pitkät jääkaudet alkoivat viimeistään 0,9 miljoonaa vuotta sitten.

Sään armoilla

Ihmisten kehityslinjan eritymiseen vaikutti miljoonien vuosien aikana muuttunut ilmasto ja ympäristö. Selviytyminen edellytti sopeutumista ja sopeutuminen johti kehitysaskeliin, kuten kahdella jalalla liikkumiseen, aivojen kasvuun, tulen keksimiseen ja kieleen perustuvaan kommunikaatioon.

Ensimmäinen merkittävä kehitysaskel tapahtui 7–8 miljoonaa vuotta sitten, kun ilmasto muuttui kuivemmaksi ja viileämmäksi. Metsät vähenivät ja savannit laajenivat. Muutoksen seurauksena ihmisen kantamuodon oli laskeuduttava puista ja sopeuduttava elämään savanneilla. Näihin aikoihin ihmisen kantamuodot erkanivat ihmisapinoiden kantamuodoista.

Jotkut apinalajit sopeutuivat elämään savanneilla nousemalla kahdelle jalalle. Tällaisesta oli selviä etuja. Pystyasennossa liikkuminen vapautti kädet, pitkät etäisyydet taittuivat tehokkaammin kahdella jalalla ja pystyasento paransi lämmönsäätelyä kuumilla ja kuivilla ruohotasangoilla. Kahdelle jalalle nousemisen uskotaan johtaneen työkalujen tehokkaampaan käyttöön.

Savannilla kahdella jalalla kulkevat apinat näkivät kauemmaksi. Seksuaalista valintaa ei myöskään voi sivuuttaa. Naaraat suosivat kookkaita ja vahvoja uroksia kaikissa apina- ja ihmispopulaatioissa.

Seuraava merkittävä kehitysaskel oli työkalujen käyttö. Savanneilla elävät ihmisapinat oppivat hajottamaan luita hakkaamalla niitä kivillä.

Tämä vaihe ihmisen evoluutiossa sivuutetaan usein hyppäämällä puista suoraan työkaluja taidokkaasti hyödyntäviin metsästäjäkeräilijöihin. Apinaihmiset eivät aloittaneet suurriistan metsästämistä heti savanneille sopeuduttuaan, vaikka saattoivat pyydystää ravinnoksi pienriistaa samaan tapaan kuin simpanssit.

Toban vaikutus?

73 800 votta sitten Sumatralla purkautui jättitulivuori Toba. Yhdellä kertaa taivaalle räjähti 8000 kuutiokilometriä vulkaanista tuhkaa ja kiveä. Toban kraateri on 100 km pitkä ja 35 km leveä.

Rikkikaasut levisivät ilmakehään ja heijastivat suuren osan auringon lämpösäteilystä avaruuteen 5-6 vuoden ajan. Lähes valkoinen tuhka levisi ainakin 21 miljoonan neliökilometrin alalle, mutta todennäköisesti ohut tuhkakerros levisi paljon laajemmalle. Vaaleaa tuhkaa on löydetty 10 cm tasainen kerros esimerkiksi yli 400 neliökilometrin alueella tehdyissä kaivauksissa Intiassa. Vaalean tuhkan albedovaikutus heijasti lämpösäteilyä maan pinnalta samaan tapaan kuin jäätiköt.

Hiili-isotooppianalyysin perusteella tuhkakerroksen alapuolinen maa-aines on peräisin metsistä (C3), kun tuhkan päällä oleva maakerros on peräisin ruohokasveista (C4). Tämä tiedetään, koska maatuneiden metsien hiili-isotoopit eroavat maatuneiden ruohokasvien hiili-isotoopeista.

Alueilla, johon Toban purkaus vaikutti oli aiemmin metsiä ja purkauksen jälkeen ruohoa kasvavia aroja. Toba aiheutti vuosia kestäneen ydintalven.

Apinoiden, apinaihmisten ja ensimmäisten ihmisten kehitystä on tarkasteltava muuttuvan ilmaston, ympäristön ja lajiston viitekehyksessä. Lämpötilan muutokset ja Toban kaltaiset luonnonmullistukset vaikuttivat ravinnon laatuun, saatavuuteen ja migraatioon.

Muutokset pakottavat lajit sopeutumaan uudenlaiseen ilmastoon ja uusiin ravinnonlähteisiin. Evoluutiolla on monia mekanismeja, mutta muuttuva ilmasto johtaa adaptaatioihin ja luonnonvalintaan, joka karsii heikommin ympäristöön sopeutuvat geenit geenipoolista.

Ihmisen evoluutio

Perinteinen evoluutiopuu on geneettisen tiedon lisäännyttyä muuttunut sotkuisemmaksi. Adam Rutherford kuvaa nykyihmisen kehitykseen johtavaa puolen miljoonan vuoden epookkia termillä ”clusterfuck”.

Käytännössä hän tarkoittaa, että pitkään vallalla ollut kuva ihmisen kehityshistoriasta erilaisten kehitysharppausten kautta etelänapinoista valkoiseksi mieheksi kuvaa huonosti todellisuutta. Geneettisen datan perusteella ajallisesti päällekkäin lomittuvia ihmislajeja oli ainakin kahdeksan ja ne sekoittuivat keskenään useita kertoja eri aikoina (clusterfuck).

Rutherfordin mukaan massiiviset muuttoliikkeet Afrikasta Aasiaan ja Eurooppaan tapahtuivat hyvin hitaasti kymmenien tuhansien vuosien aikana. Pienet populaatiot vaelsivat luultavasti ravinnon perässä ja lisääntyivät kohtaamiensa muiden ihmispopulaatioiden kanssa.

Länsi- ja itä-Neandertalin ihmisten geenit sekoittuivat Homo sapiensin geeneihin useita kertoja Euroopassa ja Euraasiassa. Aasiassa Denisovan ihmisten geenejä sekoittui Aasiaan vaeltaneisiin populaatioihin. Ja toisiin ihmislajeihin sekoittuneet lajit sekoittuivat myös keskenään. Se oli kaikin tavoin hyvin sekavaa.

Ihmisapinasta apinan tavoin käyttäytyvään ihmiseen

Sahelinapinaihminen eli Tšadissa 6-8 miljoonaa vuotta sitten. Sen kallo muistutti joiltain osin simpanssia ja joiltain osin ihmistä. Sahelinapinaihminen eli aikana, jolloin ihmisen ja simpanssin kehityslinjat alkoivat erkaantua. Se saattoi olla molempien kantamuoto tai kuulua jompaankumpaan kehityslinjaan. Luultavasti Sahelinapinaihminen käytti samanlaista ravintoa kuin ihmisapinat.

Tugeeniapinaihminen eli mioseenikaudella 5,7-6,2 miljoonaa vuotta sitten. Tugeeniapinaihminen voi olla ihmisen suora edeltäjä, mutta voi olla olemattakin. Todennäköisesti samaan aikaan eli muitakin apinaihmislajeja, jotka saattoivat olla rinnakkaisia kehityslinjoja tai ihmisen suoria esivanhempia.

Australopithecus

Varhaisin tunnettu etelänapina (Australopithecus) eli 4,1-5,1 miljoonaa vuotta sitten. Sukuun kuului 5-6 lajia. Tunnetuin Australopithecus-fossiili on Beatlesin ”Lucy in the sky with diamonds” -kappaleen mukaan Lucyksi nimetty 3,2 miljoonaa vuotta sitten elänyt Australopithecus afarensis.

Tutkijat päättelivät Lucyn luista, että se oli kuollut putoamalla puusta noin 12 metrin korkeudesta. Se ei ollut yhtä taitava kiipeilijä kuin apinat. Lucyn aivojen tilavuus oli noin kolmanneksen nykyihmisen aivojen tilavuudesta.

Dart ja tappaja-apinat

Raymond Dartin 1924 löytämä Australopithecus africanus oli lihansyöjä, mikä johti tappaja-apina hypoteesiin. Ihmisen luontainen väkivaltaisuus sai Raymond Dartin vakuuttumaan siitä, että ihmisellä oli saalistamiseen pystyvät esivanhemmat.

Robert Ardrey kirjoitti: ”Not in innocence and not in Asia was mankind born”. Stanley Kubrick kuljetti ihmisen evoluution tappaja-apinasta avaruuteen muutamalla vaikuttavalla kuvalla elokuvassa 2001 Avaruusseikkailu.

Varhaisilla savanneilla oli suurten saaliseläinten osin syötyjä raatoja. Ne tarjosivat etelänapinoille luiden sisältämää herkkua. On perusteltua olettaa, että Australopithecus käytti kiviä löytämiensä luiden hajottamiseen. Luissa on runsaasti energiaa sisältävää luuydintä, joka säilyy luissa pilaantumatta hyvin pitkään.

Kenyanthropys platyops

Joidenkin tutkijoiden mukaan Australopithecukset ovat ihmisen esivanhempia, mutta ne saattoivat myös olla rinnakkaismuoto varhaisten ihmisten edeltäjälle Kenyantropukselle.

Australopithecus oli selvästi ihmisen ja apinan välimuoto. Australopithecukset kävelivät pystyssä ihmismäisillä jaloillaan, mutta sillä oli apinan käsivarret ja suuret apinamaiset poskihampaat.

Kenianesi-ihminen (Kenyanthropus platyops, eli litteänaamainen kenianihminen) eli ~3,5 miljoonaa vuotta sitten. Kenianesilla oli ihmismäisiä piirteitä, kuten litteät kasvot. Joidenkin tutkijoiden mukan Kenianesi on ihmisen edeltäjä, mutta jos näin on, Australopithecuksen täytyy olla rinnakkainen kehityslinja. Kenianihmistä seurasi Turkananihminen (Homo rudolfensis) 1,9 miljoonaa vuotta sitten.

Ihmisten suvun (Homo) eriytyminen apinaihmisten ja ihmisten yhteisestä kantamuodosta ajoitetaan tavallisesti 2,0-2,5 miljoonan vuoden taakse. Ensimmäisenä varsinaisena Homo-suvun edustajana pidetään yleensä yksinkertaisia kivityökaluja käyttänyttä Homo habilista, eli käteväihmistä, jonka aivojen tilavuus oli noin puolet nykyihmisen aivojen tilavuudesta.

Homo habilis

1,9-1,5 miljoonaa vuotta sitten elänyt Homo habilis ei ehkä ollut mikään ruudinkeksijä, mutta ei enää ihan täysi apinakaan.

Australopithecusten, Homo habiliksen ja Homo erectuksen kallon lihaksia ja hampaita vertailemalla havaitaan, että samaan aikaan eli kasviravintoa ja sekaravintoa syöviä Australopithecuksia. Kasviravintoa syövillä ihmisapinoilla on selvästi isommat juurien ja puunverrsojen jauhamiseen soveltuvat poskihampaat.

Hampaat jauhavat, aivot ajattelevat

Elektronimikroskoopeilla voidaan kuvata tarkasti fossiilien hampaiden pintoja, joihin eri ravintoaineet jättävät erilaisia mikroskooppisen pieniä jälkiä. Löydettyjen kallojen mekaniikkaa voidaan mallintaa tietokoneilla, jolloin saadaan tietoa mm. purentalihaksista. Näiden avulla tieto apinaihmisten ja varhaisten ihmisten syömästä ravinnosta on jatkuvasti tarkentunut.

Itä-Afrikasta löytyneiden kallojen (hampaiden ja kallonlihasten) perusteella Australopithecus boisei (Zinjanthropus boisei tai Paranthropus boisei) söi ensisijassa kasviravintoa. Mary Leakeyn 1959 Tansaniasta löytämä vankka-apinaihminen tunnetaan nimellä ”Nutcracker Man” vahvojen leukojen ja poskihampaiden vuoksi. 2,6-1,2 miljoonaa vuotta sitten eläneen lajin arvellaan olevan ensimmäinen kivityökaluja käyttänyt apinaihminen. Vankka-apinaihmisen kallon tilavuus oli 500-550 kuutiosenttimetriä, mikä on isompi kuin simpansseilla, Australopithecus afarensiksella ja Australopithecus africanusilla. Kallossa on yhtäläisyyksiä gorillan kalloon ja se on selvästi kehittynyt tehokkaaseen pureskeluun. Lajin takahampaat ovat noin neljä kertaa nykyihmisen hampaita kookkaammat ja ne sopivat hyvin juurien, pähkinöiden, lehtien ja erilaisten kasvinversojen jauhamiseen.

Selvästi isompikalloisten Homo habiliksen ja Homo erectuksen hampaat ja kallojen lihakset eivät sen sijaan sovellu samanlaisen kasviravinnon syömiseen. Homo habilis ja Homo erectus puolestaan erottuvat kallojen koon, pienempien hampaiden ja – kallon lihasten puolesta työkaluja valmistavina ja ajattelevina sekasyöjinä.

Alkeellisten apinaihmisten ja ihmisten ruokavalio

Savanneilla oli alkuihmisille jotain hyvin arvokasta ja helposti saatavaa: suurten eläinten raatoja, joiden luista varhaiset apinaihmiset saivat rasvaista, ravitsevaa ja herkullista luuydintä. Luuydin sisältää noin kaksi kertaa enemmän energiaa kuin liha tai hedelmät. Se myös säilyy luissa pilaantumatta pitkiä aikoja. Varhaiset apinaihmiset käyttivät ravinnoksi luuydintä rikkomalla luita kivillä.

Apinaihmisten ruumiinrakenne kehittyi yhä ihmismäisemmäksi.Afrikan pystyihminen (Homo ergaster / Homo erectus) levittäytyi Afrikasta Aasiaan ja Eurooppaan.

Tulen ja parempien kivityökalujen käyttöönotto tapahtui 1,5-1,8 miljoonaa vuotta sitten. Homo erectus käytti tulta jo ~1,5 miljoonaa vuotta sitten itä-Afrikassa. Tulenkäyttö oli yleistä kaikilla ihmispopulaatioilla viimeistään 125 000 vuotta sitten. Tulen käyttö yleistyi eri aikoina eri puolilla maailmaa.

Ihmisapinat ja ihmiset ovat aina syöneet raakaravintoa, mutta uskomus raakaravinnon merkityksestä varhaisten ihmisten pääasiallisena ravinnonlähteenä ei perustu arkeologiseen näyttöön tai ihmisen metabolian ja ruoansulatuselimistön toimintaan.

Ihmiset eivät ole koskaan olleet raaka-ravinnolla eläviä fruitaristeja yhtään sen enempää kuin manteleita, banaaneja, kahvia, suklaata, tonnikalaa ja sisäfilettä sisältävällä paleoruokavaliolla. Ravinteiden osalta molemmat ovat hyviä ruokavalioita, mutta hyvin kaukana siitä, mitä ihmisen esivanhemmat söivät.

Ravinnon kypsentäminen tulella alkoi yli miljoona vuotta ennen nykyihmisten kehittymistä. Ruoan kypsentäminen vaikutti ihmisen ruoansulatuskanavan rakenteeseen.

Ihmisen ruoansulatuskanava, maha ja suolisto eroavat hedelmiä ja kasviksia syövien sukulaistemme simpanssien, orankien ja gorillojen ruoansulatuselimistöstä. Ruoansulatuselimistömme ei myöskään muistuta lihansyöjien ruoansulatuselimistöä. Useimmat kasvissyöjät käyttävät suuren osan hereilläoloajasta syömiseen. Ihmisen aineenvaihdunta on kehittynyt niin, että ihminen selviää ilman ravintoa viikkoja. Pätkäpaasto ja ketogeeninen ruokavalio muistuttavat hieman alkuihmisten tapaa syödä, mutta jalostettujen ruokien maailmassa todellisen paleoruokavalion noudattaminen on mahdotonta.

Ihminen ei pysty hyödyntämään ruohoa ravintona niin kuin laiduntavat eläimet. Jos ihmisen ravinto ei sisällä muuta kuin vähärasvaista lihaa, ihminen kuolee nälkään. Ihminen pystyy syömään ruohonsyöjiä ja muita eläimiä sekä monipuolisesti erilaisia kasveja.

Tulen keksimisen seurauksena varhaiset esivanhempamme oppivat kypsentämään juuria ja muita vaikeasti sulavia kasveja. Näin ravinto esikäsiteltiin ruoansulatuselimistöä varten. Kypsytetystä ravinnosta elimistö sai irti enemmän energiaa ja ravinteita.

Neljäs ja ehkä tärkein kehitysaskel oli aivojen kasvu. Aivojen paino on vain muutaman prosentin kehon painosta, mutta aivot käyttävät viidenneksen elimistön tarvitsemasta energiasta. Aivojen kehitys ei olisi ollut mahdollista ilman runsasenergistä ravintoa. Tämän perusteella rasvainen liha ja kypsytetyt tärkkelystä sisältävät mukulajuuret ja muut hiilihydraattien lähteet näyttelivät tärkeää roolia ihmisen kehityksessä.

Aivot tarvitsevat paljon energiaa. Simpanssin aivojen tilavuus on 350-400 kuutiosenttimetriä. Simpanssin aivojen lepokulutus on 10 % energian kokonaiskulutuksesta. Ihmisen aivojen koko on 1350-1400 kuutiosenttimetriä. Ihmisen aivot kuluttavat levossa 20 % ihmisen päivittäisestä energiasta. Se on paljon kun aivojen paino suhteutetaan kokonaispainoon. Aivojen osuus ihmisen painosta on vain pari prosenttia.

Lihansyönti ei yksin selitä aivojen kasvua. Entä hiilihydraatit ja rasvat? Hyviä hiilihydraattien lähteitä, kuten hedelmiä, marjoja, siemeniä ja pähkinöitä on saatavilla vain osan vuotta. Hedelmät ovat varmasti olleet osa ihmisen ravintoa koko evoluutiohistorian. Rasvaa saatiin luuytimistä, pähkinöistä ja rasvaisesta lihasta.

Australopithecusten poskihampaat soveltuivat juurten, kovien siementen ja pähkinöiden syömiseen. Mukulajuuret sisältävät hiilihydraattien lisäksi runsaasti imeytymättömiä kuituja.

Mukulajuurten hyödyntäminen ravintona on yleistä, mutta raakojen mukulajuurien käyttö energianlähteenä on lähes yhtä tehotonta kuin elimistön ruokkiminen männyn juuria jauhamalla.

Nyt siis puhutaan sellaisista juurista, joita apinaihmiset ja varhaiset metsästäjä-keräilijät söivät. Jalostetut runsaasti tärkkelystä sisältävät perunat ja mehevät porkkanat muistuttavat hyvin vähän luonnollisia juurikasveja.

Paleoideologian kompastuskivi on se, että kaikki kasvikset, joita me nykyään syömme, on pitkälle jalostettuja. Paleoruokavalion uskottavuutta lisäisi, jos siinä suosittaisiin vain paikallisia luonnosta kerättyjä marjoja, juuria, lehtikasveja, sieniä jne. runsaasti jalostettujen vihannesten ja hedelmien sijaan. Kivikautiset ihmiset söivät eläimistä kaiken (silmät, aivot, posket, kielen, sisäelimet, rasvan ja luuytimen jne.) eivät vain rasvattomia sisäfilepihvejä.

Varhaisten metsästäjä-keräilijöiden ravinto oli vahvasti sidottu vuodenkiertoon. Talvisin riista saattoi olla ainoa ravinnonlähde, mutta kesäisin syötiin hyvin monipuolisesti erilaisia kasveja. Metsästäjä-keräilijät söivät myös hunajaa.

Mukulajuuria syötiin varmasti ainakin nopeasti kypsennettyinä tai kypsentämättä, kuten hadzat vieläkin tekevät. Nopeakin kypsentäminen lisää mukulajuurten maukkatta. Pidempi kypsennys tekee juuriin sidotun tärkkelyksen paremmin imeytyväksi.

Varhaiset esivanhempamme saivat aivojen kasvun edellyttämän energian kypsennetyistä juurista (ja kausittaisista hiilihydraateista, kuten hedelmistä), hunajasta, lihasta, sisäelimistä ja eläinrasvasta. On hyvin luultavaa, että eläinperäiset rasvat olivat aivojen kehitykselle kriittisen tärkeitä, kuten Jessica Thompson kertoo. Samaan päätelmään päätyy rintamaidon koostumuksen perusteella.

Rintamaito on kasvavan ihmisen parasta ravintoa. Maidossa on noin 7,3 prosenttia laktoosia, 3,4 % rasvaa ja prosentin verran proteiinia. Äidinmaidon rasvahappokoostumus vaihtelee yksilöllisesti, mutta näillä eroilla ei ole havaittu olevan vaikutusta lapsen kasvuun.

Suurin osa rintamaidon rasvoista on tyydyttyneitä, mutta siinä on myös monityydyttämättömiä ja kertatyydyttämättömiä rasvoja, omega-3 ja omega-6-rasvoja, DHA:ta ja EPAa sekä ~10-14 mg kolesterolia / 100 g. Yli puolet rintamaidon energiasisällöstä tulee maidon sisältämistä rasvoista. Rintamaidon proteiineista noin 36 % on kaseiineja, toiset 36 % alfa-laktalbumiinia, noin 9 % immunoglobuliineja ja noin 18 % laktoferriiniä. Äidinmaito sisältää lisäksi entsyymejä, hormoneja ja kasvutekijöitä.

Hadzat

Hadzat ovat nykyihmisen synnyinseuduilla Tansaniassa elävä pieni alkuperäiskansa, joka saa ravintonsa metsästyksestä ja keräilystä, kuten varhaiset esivanhempamme ennen maanviljelyn kehittymistä. Hadzat eivät juurikaan varastoi ruokaa.

Miehet heräävät aamuisin ja lähtevät metsästämään. Naiset keräävät juuria, hedelmiä ja marjoja. Joskus ruokaa löydetään enemmän ja joskus vähemmän. Keskimäärin hadza-naiset keräävät enemmän ravintoa pöytään kuin miehet saavat pyydettyä. Ihmisen aineenvaihdunta on hyvin sopeutunut siihen, että elimistö ei saa jatkuvasti ravintoa. Se on oikeastaan pätkäpaastoilun perusta.

Jos miehet onnistuvat pyytämään suuren riistaeläimen kuten seepran, hadzat syövät usein koko eläimen kerralla. He voivat syödä lihaa ja eläinrasvaa jopa 15 000 kilokaloria päivässä silloin kun sellaisia on saatavilla. Aina niitä ei ole saatavilla. Vuodenajat vaikuttavat luonnon antimiin ja hadzojen syömään ravintoon. Tällä on vaikutuksia mikrobiomiin.

Hadzat eivät syö juuri mitään viljeltyä tai kasvatettua. He eivät kasvata eläimiä ravinnoksi. Käytännössä lähes kaikki hadzojen syömä ravinto löytyy luonnosta.

Hadzojen ruoka on tyyppiesimerkki oikeasta paleoruokavaliosta, tai siitä, mitä paleoideologiassa tavoitellaan. Se ei sisällä prosessoituja hiilihydraatteja, vliljoja. runsaasti tärkkelystä sisältäviä tai teollisesti valmistettuja ruokia.

Teollistuneessa maailmassa paleo-, keto- ja pätkäpaasto-dieetit muistuttavat hieman hadzojen ruokavaliota. Hadzojen elintapoja ei tietenkään voi toisintaa teollistuneissa maissa, mutta ravinto, joka sisältää runsaasti kasviksia, tyydyttyneitä eläinrasvoja ja maltillisesti eläinproteiineja toimii aineenvaihdunnan ja mikrobiomin kannalta paremmin kuin runsaasti tärkkelystä, viljoja ja teollisia rasvoja sisältävä arkiruokavalio.

Hadzat ovat mielenkiintoinen kansa, sillä heillä ei tiettävästi esiinny aineenvaihduntaan liittyviä sairauksia, autoimmuunitauteja tai sydäntauteja, eli sairauksia, jotka liittyvät vahvasti länsimaiseen elämäntapaan.

Ulostenäytteiden perusteella hadzojen mikrobiomi on lajikirjoltaan runsaampi ja elinvoimaisempi kuin meillä, jotka saamme ravintomme tehoviljelystä, teollisista lihavalmisteista ja tehtaissa valmistetuista rasvoista.

Hadzojen mikrobiomi muistuttaa muiden alkuperäiskansojen mikrobiomia, vaikka kansojen viimeinen yhteinen esi-isä on saattanut elää kymmeniä tuhansia uosia sitten. Jos hadzojen mikrobiomi rinnastetaan meidän mikrobiomiimme, se muistuttaa elämää sykkivää viidakkoa, kun meidän mikrobiomimme muistuttaa avohakkuiden raiskaamaa metsää. Ruokavalioltaan ja mikrobiomiltaan hadzat muistuttavat Stanfordin tutkijoiden mukaan maanviljelyn kehittymistä ennen eläneitä metsästäjäkeräilijöitä. He ovat ikkuna siihen, kuinka varhaiset esivanhempamme elivät.

Hadzojen runsaasti kuituja (100-150 g / vrk) sisältävä ruokavalio ravitsee suoliston satoja mikrobilajeja ja biljoonia mikrobeja, joiden aineenvaihdunta tuottaa suolistosta verenkiertoon imeytyviä kemikaaleja, kuten lyhytketjuisia rasvahappoja, joiden tiedetään vaikuttavan kaikkeen immuunijärjestelmän toiminnasta mielialaan. Itse asiassa 97 % ihmisen mukanaan kantamasta geneettisestä materiaalista ei ole omaamme. Elämme täysin mutualistisessa suhteessa suoliston mikrobipopulaation kanssa. Kun ihmisen genomissa on parikymmentä kuitujen aineevaihduntaan vaikuttavaa geeniä, mikrobiomissa on satoja kuitujen pilkkomista ohjaavia geenejä.

https://www.youtube.com/watch?v=tcBtNbFFjMA

https://www.youtube.com/watch?v=miEngVBrrIc

https://www.youtube.com/watch?v=iSCV_XFcVPU

https://www.youtube.com/watch?v=Cuyp1bvuaxA

https://www.youtube.com/watch?v=41IfdwLqtkA

https://www.youtube.com/watch?v=FNIoKmMq6cs

https://www.youtube.com/watch?v=SsSHzTsG4wY

https://www.youtube.com/watch?v=Me5LFbPrEe0

https://www.youtube.com/watch?v=r7rKKFOui8w

https://www.youtube.com/watch?v=Lt3cY9i7kgQ

https://www.youtube.com/watch?v=LScfRoudcC4

https://www.youtube.com/watch?v=koTIBNRqMIA

https://www.youtube.com/watch?v=ZrJb7R1u5Iw

Ketogeeninen ruokavalio kääntää perinteiset ravintosuositukset päälaelleen. Vähähiilihydraattisena ruokavaliona se ylittää aika ajoin uutiskynnyksen ja keskustelu sen ympärillä on ollut kiivasta karppausbuumin alkuajoista alkaen.

Viime kuussa joukko amerikkalaisia asiantuntijoita rankkasi ketogeenisen ruokavalion 40 dieetin vertailussa pitkäaikaisvaikutuksiltaan huonoimmaksi laihdutusruokavalioksi. Luulen, että ketogeeniseen ruokavalioon liittyy paljon epätietoisuutta. Mitä ketogeenisellä ruokavaliolla tarkoitetaan ja kuinka se toimii?

Ketogeeninen ruokavalio ja aineenvaihdunta

Ketogeeninen dieetti on vähähiilihydraattinen ruokavalio, jossa tavoitellaan aineenvaihdunnan ketoositilaa. Kun maksaan ja lihaksiin varastoidut hiilihydraattivarastot tyhjenevät, maksa ryhtyy tuottamaan ketoaineita ketogeneesissä ja käyttämään rasvakudokseen säilöttyä energiaa tasapainottaakseen elimistön energiavajetta.

Käytännössä ketogeenisessä ruokavaliossa tavoitellaan sellaista aineenvaihdunnan tilaa, jossa elimistö oppii käyttämään tehokkaasti rasvakudokseen varastoitua läskiä energianlähteenä.

Ketogeneesin käynnistyminen edellyttää, että ravinnon hiilihydraattien saantia rajoitetaan. Ketoosi alkaa, kun elimistö ei saa riittävästi hiilihydraatteja ja elimistön hiilihydraattivarastot eli glykogeenit tyhjenevät.

Varsinkin ruokavalion alkuvaiheessa hiilihydraatteja rajoitetaan reilusti. Tämän ”induktiovaiheen” tavoitteena on uudelleenohjelmoida elimistö käyttämään energianlähteenä aluksi ketoaineita ja myöhemmin pääasiassa rasvaa. Hiilihydraattien saanti lasketaan 20-100 grammaan vuorokaudessa.

Ketogeeninen ruokavalio lääketieteessä

Lääketieteessä ketogeenista ruokavaliota käytetään erityisesti vaikean epilepsian hoitoon lapsilla. Käypä hoito -suosituksissa neuvotaan harkitsemaan ketogeenista ruokavaliota yhteistyössä ravitsemusterapeutin kanssa vaikean epilepsian hoidossa silloin, kun epilepsialääkkeet eivät käy eikä kirurgisen hoidon mahdollisuutta ole. Ketogeenista ruokavaliota on käytetty myös lasten lihavuuden hoidossa.

Vähähiilihydraattinen ruokavalio on hyväksi diabeetikoille, sydän- ja syöpäpotilaille sekä ylipainoisille. Vähän hiilihydraatteja sisältävä ravinto laihduttaa ja vähentää ylipainoisten ihmisten sydäntautien riskiä tehokkaammin kuin vähärasvainen ruokavalio, osoittaa laajameta-analyysi, jossa käytiin läpi tutkimukset vuosilta 1966-2014 (Sackner-Bernstein ym. 2015).

Induktiovaiheen ravintosisältö

Alkuvaiheessa ketogeeninen ruokavalio sisältää yleensä noin 20 – 50 grammaa hiilihydraatteja vuorokaudessa hieman henkilöstä ja ruokavalion tavoitteista riippuen. Proteiinien saanniksi suositellaan 1-2 grammaa / painokilo, mutta ikääntyneillä proteiinien saanti voi olla korkeampikin lihaksia energianlähteeksi pilkkovan katabolisen aineenvaihdunnan vuoksi. Suurin osa ravinnosta muodostuu ketogeenisessä ruokavaliossa rasvasta.

Vettä on tärkeää juoda runsaasti (3-4 l/vuorokaudessa), sillä ketogeeninen ruokavalio poistaa vettä sitovien hiilihydraattien puutoksen vuoksi runsaasti kehoon sitoutuneita nesteitä. Myös suolan saannista on tärkeä huolehtia, koska se sitoo elimistöön nestettä ja ehkäisee elimistön kuivumista hiilihydraattien puuttuessa.

Noin neljän viikon induktiojakson jälkeen hiilihydraattien määrää voi lisätä  alle 50 grammasta 50-100 grammaan vuorokaudessa esimerkiksi kasviksia lisäämällä.

• 5-10 % Ravinnon energiamäärästä (kcal) tulisi saada hiilihydraateista
• 30 % Ravinnon energiamäärästä (kcal) tulisi saada proteiineista
• 60 % Ravinnon energiamäärästä (kcal) tulisi saada rasvasta

Ketogeenisen ruokavalion tiedetään aiheuttavan päänsärkyä monilla, mutta se on yleensä seurausta veden liian vähäisen juomisen aiheuttamasta nestehukasta.Silloin kannattaa juoda enemmän vettä.

Ketoosi ja ketoasidoosi eivät ole sama asia

Ketoasidoosi eli happomyrkytys on toksinen tila, jossa ketoaineiden määrä verenkierrossa voi kasvaa monikymmenkertaiseksi ketoosiin verrattuna. Lievimmillään ketoasidoosia ei välttämättä edes huomaa, mutta vakavimmillaan se on hengenvaarallinen myrkytystila. Ketoosi ja ketoasidoosi ovat siis kaksi eri asiaa.

Ketogeeninen ruokavalio ja aineenvaihdunta

Aineenvaihdunnan tasolla ketogeneesi tarkoittaa energianlähteiksi kelpaavien ketoaineiden tuottamista rasvahapoista silloin kun hiilihydraattien saanti on niukkaa tai olematonta.

Ketoaineet ovat rasvasta ja etanolista muodostuvia pienimolekyylisia yhdisteitä. Elimistössä muodostuu kolmea eri ketoainetta:

• asetoasetaattia
• beeta-hydroksibutyraattia
• asetonia

Ketoaineiden tuotannon käynnistyminen

Aineenvaihdunta aloittaa ketoaineiden tuotannon, kun maksan ja lihasten sokerivarastot (glykogeenit) on kulutettu loppuun esimerkiksi intensiivisen urheilusuorituksen, vähän hiilihydraatteja sisältävän ravinnon tai paaston vaikutuksesta.

Ketoaineiden tuotannon käynnistyminen ei tarkoita, että elimistö on ketoosissa. Se on vain merkki siitä, että hiilihydraattivarastot ovat loppu ja elimistö siirtyy ”varavoimanlähteen” käyttöön. Ketoosi alkaa yleensä muutamassa päivässä ja rasvan käyttäminen solujen polttoaineena vakiintuu 3-4 viikossa.

Kun keho menee ketoosiin, aineenvaihdunta turvaa elintoimintojen tarvitseman energian saannin glukoneogeneesillä ja ketogeneesillä myös paaston ja hiilihydraatittoman ruokavalion aikana. 3-4 viikossa elimistö korvaa ketoaineet energianlähteinä rasvakudoksen ja ravinnon rasvoilla.

Näiden aineenvaihduntamekanismien ansiosta terve ihminen selviää elossa pelkällä vedellä jopa kuukauden ajan.

Ketoaineita syntyy maksassa ja munuaisissa

Yleensä ketoaineita syntyy maksan ja munuaisten solujen mitokondrioissa solujen glukoneogeneesin sivutuotteina. Kun solut tuottavat glukoosia, ne tuottavat tarvitsemansa energian hapettamalla rasvahappoja asetyylikoentsyymi-A:ksi.

Asetyylikoentsyymi-A

Wikipedia kertoo, että asetyylikoentsyymi-A, eli aktiivinen etikkahappo, on kaikille ravintoaineille yhteinen välituote solun valmistaessa energiaa.  Asetyylikoentsyymi-A:ta saadaan monosakkarideista (sokereista), triglyserideistä (rasvoista) ja aminohapoista (proteiineista) erilaisten reaktiovaiheiden kautta.

Asetyylikoentsyymi-A:n asetyyliryhmän hiilet hapettuvat hiilidioksidiksi Krebsin syklissä (sitruunahappokierto) ja vedyt siirtyvät erityisten koentsyymien avulla elektroninsiirtoketjuun. Näissä reaktioissa syntyy energiaa, joka varastoidaan fosfaattiyhdisteisiin, esimerkiksi ATP:ksi.

Glukoosi hajoaa solulimassa tapahtuvassa glykolyysissä kahdeksi pyruvaatiksi, joista molemmista saadaan edelleen oksidatiivisessa dekarboksylaatiossa kaksi asetyylikoentsyymi-A:ta. Jos happea ja mitokondrioita ei ole riittävästi, pyruvaatti pelkistyy maitohapon anioniksi laktaatiksi.

Rasvahapot hajoavat hapettumalla β-oksidaatiossa niin, että rasvahappoketjusta irtoaa kahden hiilen asetyyliryhmiä, jotka ovat kiinnittyneenä reaktioon osallistuvaan koentsyymi-A:han.

– Wikipedia

Asetyylikoentsyymi-A, joka ei hapetu normaalisti sitruunahappokierrossa glukoneogeneesin ollessa käynnissä, muuntuu ketogeneesissä asetoasetaatiksi ja edelleen betahydroksibutyraatiksi.

Ketoaineet kulkeutuvat verenkierron mukana maksasta ja munuaisista muualle elimistöön. Aivojen gliasolut käyttävät asetoasetaattia ja betahydroksibutyraattia lipidien rakennusaineena. Sydän, lihakset ja aivot voivat tarvittaessa käyttää ketoaineita solujen energianlähteenä.

Ketogeneesi on elintoimintojen varavoimanlähde

Glukoneogeneesi ja ketogeneesi toimivat itsenäisesti energiantuotannon taustaprosesseina ja ylläpitävät solujen energiansaantia silloin, kun syömisestä on kulunut paljon aikaa. Glukoneogeneesi käynnistyy haiman erittämän glukagonin aktivoimana maksassa ja munuaisissa ja se johtaa edelleen ketogeneesin käynnistymiseen maksan ja munuaisten mitokondrioissa.

Ilman näitä aineenvaihdunnan prosesseja evoluutio ja aivojen kehitys olisivat pysähtyneet esihistorian aamuhämärissä, eikä nykyihmistä olisi koskaan kehittynyt.

In essence, a ketogenic diet mimics starvation, allowing the body to go into a metabolic state called ketosis (key-tow-sis). Normally, human bodies are sugar-driven machines: ingested carbohydrates are broken down into glucose, which is mainly transported and used as energy or stored as glycogen in liver and muscle tissue. When deprived of dietary carbohydrates (usually below 50g/day), the liver becomes the sole provider of glucose to feed your hungry organs – especially the brain, a particularly greedy entity accounting for ~20% of total energy expenditure. The brain cannot DIRECTLY use fat for energy. Once liver glycogen is depleted, without a backup energy source, humanity would’ve long disappeared in the eons of evolution. .

Scientific American

Ketogeneesi on osa kehon normaalia aineenvaihduntaa. Nykyisin ravinto on sen verran energiatiheää ja hiilihydraattipainotteista, että elimistö turvautuu ketogeneesiin vain satunnaisesti, vaikka se esi-isillämme oli luontainen osa elimistön energiantuotantoa. Viimeisten vuosisatojen aikana ravintotottumukset ovat muuttuneet valtavasti, mutta aineenvaihdunnan mekanismit muuttuvat hitaammin.

Aineenvaihduntamme on lapsesta lähtien opetettu saamaan energia hiilihydraateista, mutta se ei tarkoita sitä, etteikö energiansaantiin olisi muita tapoja. Aineenvaihdunta voidaan uudelleenohjelmoida ”sokeripolttoisesta” tehtaasta ”rasvapolttoiseksi” ravintoon liittyvillä valinnoilla.

Aineenvaihdunta biohakkeroimalla rasvaa polttavaksi

Ketoosi on ketogeneettisessä ruokavaliossa tavoiteltava aineenvaihdunnan tila. Siihen päästään ”biohakkeroimalla” aineenvaihdunnan toimintaa.

Käytännössä biohakkeroinnilla tarkoitetaan ravinnosta saatavien hiilihydraattien rajoittamista 20-50 grammaan vuorokaudessa. Aineenvaihdunta opetetaan käyttämään ketoaineita ja rasvasolujen sisältämiä energiavarastoja energianlähteenä, koska sille ei tarjota helppoa energianlähdettä hiilihydraattien muodossa.

Kuvan lähde: Wikipedia – Glycogen

Glykogeenit

Oheinen kuva esittää kaksiulotteisen mallin glykogeenistä, joka on jopa 30 000 glukoosimolekyylistä muodostuva monihaarainen ja pitkäketjuinen polysakkaridi. Osa verensokerista varastoidaan tällaisina polysakkarideina maksa- ja lihassoluihin.

Kun verensokeri laskee, haima erittää glukagonia, joka purkaa glykogeenejä maksasta verenkiertoon. Se kohottaa verensokeria ja antaa lihas- ja aivosoluille nopeaa energiaa glukoosin muodossa. Lihassolujen varastoimat glykogeenit eivät vapaudu verenkiertoon, vaan lihas käyttää ne nopeana energianlähteenä itse.

Glykogeneesi

Glykogeenit muodostuvat insuliinin aktivoimana glykogeneesissä maksa- ja lihassoluissa. Maksasolut ylläpitävät veren glukoosipitoisuutta glykogeenivarastojensa avulla syömisten välissä.

Aivot käyttävät valtavasti energiaa

Glykogeenivarastot ovat kooltaan varsin pienet ja elimistö kuluttaa varastosokerit nopeasti loppuun.  Pelkästään aivot kuluttavat vuorokaudessa noin 100 g glukoosia, joka saadaan syödyistä hiilihydraateista sekä glukagonin avulla puretuista maksan varastosokereista.

Glukoneogeneesin sivutuotteena syntyy ketoaineita

Kun glykogeenit tyhjenevät, maksa ryhtyy korvaamaan aivojen tarvitsemaa glukoosia ketoaineilla. Glykogeenejä purkava glukagoni aktivoi glukoosia tuottavan glukoneogeneesin maksassa ja munuaisten kuoriosissa.

Glukoosimolekyylin syntetisoiminen kuluttaa enemmän energiaa kuin glukoosimolekyyli tuottaa

Glukoneogeneesi hyödyntää mm. vapaita aminohappoja ja rasvoja sekä glykolyysissä syntyneitä maitohappoja, sitruunahappokierron sivutuotteita sekä ketoaineita glukoosin syntetisoimisessa.

Yhden glukoosimolekyylin tuottaminen vaatii 2 pyruvaattimolekyyliä, 4 ATP:tä, 2 GTP:tä, 2 NADH-molekyyliä ja neljä vesimolekyyliä. Se vaatii siten enemmän energiaa kuin glykolyysi tuottaa yhdesta glukoosimolekyylistä.

Glykogeenit purkautuvat glukagonin vaikutuksesta glykogenolyysissa

Haiman alfasolujen erittämä glukagoni aktivoi glykogeenien purkamisen eli glykogenolyysin maksassa ja lihassoluissa, jolloin glykogeeni purkautuu glukoosiksi (maksasta) ja glukoosi-1-fosfaatiksi (lihaksissa).

Glukagoni käynnistää glykogenolyysin yhteydessä glukoneogeneesin. Haiman beetasolujen erittämä insuliini puolestaan pysäyttää glukongeogeneesin, kun verensokeri nousee ja aineenvaihdunnan energianlähde muuttuu glukoosiksi.

Induktio

Scientific American kirjoittaa, että aivot toimivat hyvin myös ketoaineilla. Aivojen toiminta on turvattu, jos ~70 % aivojen energiatarpeesta saadaan ketoaineista. Prosessi, jossa aivot oppivat käyttämään ketoaineita energianlähteenä 0 – 70 % vie kolmisen viikkoa. Tämä on eräänlainen aineenvaihdunnan induktiovaihe.

Induktiovaiheen aikana aivoja lukuun ottamatta kaikki kehon kudokset vähentävät ketoaineiden käyttöä energianlähteenä. 3-4 viikon aikana solut sopeutuvat käyttämään energianlähteenä rasvasoluista vapautuvia vapaita rasvahappoja.

Induktion jälkeen elimistö tuottaa hyvin vähän ketoaineita (vähemmän kuin 280 kcal / päivä), mutta riittävästi aivosolujen energiantarpeen turvaamiseksi.

Ketogeenisessä ruokavaliossa painosta putoaa ennen induktiovaiheen loppua lähinnä nesteitä, joten nestetasapainon kanssa tulee olla tarkkana ja juoda reilusti vettä. Rasvan käyttö energianlähteenä tehostuu hitaasti koko ajan ja on tehokkaimmillaan vasta kolmisen viikkoa ruokavalion aloittamisen jälkeen. Sen verran kestää, että solut sopeutuvat uuteen energianlähteeseen.

Aineenvaihdunta

Aineenvaihduntaan vaikuttaa useita tekijöitä: ravinnon määrä ja laatu, makroravinteet, ravinnon sisältämät vitamiinit ja mineraalit, stressi, nestetasapaino, maksan ja haiman terveys, geenit, hormonit, insuliinisensitiivisyys, liikunta, ja uni.

Oheinen Jonathan Bailorin luento sisältää mielenkiintoisia huomioita aineenvaihdunnan toiminnasta, lihomisesta ja laihtumisesta:

Aineenvaihdunta ylläpitää elämää sitkeästi. Se on joustava ja pystyy hyödyntämään tehokkaasti erilaisia ravinnonlähteitä elintoimintojen ylläpidossa.

Perusaineenvaihdunta kuluttaa valtavasti energiaa

Sängyssä makaaminen kuluttaa 80 kg painavalla, 180 cm pitkällä 30 vuotiaalla miehellä noin 1780 kcal vuorokaudessa. Aivojen ja välttämättömien elintoimintojen ylläpito edellyttävät paljon energiaa.

Keskimäärin aikuinen tarvitsee ravinnosta 2000-2500 kcal vuorokaudessa. Liikunta lisää energiantarvetta, mutta ikä, paino ja kehon rakenne vaikuttavat lepokulutukseen.

Tärkeimpiä elintoimintoja ylläpitää perusaineenvaihdunta. Siihen kuuluvat keuhkojen ja sydämen toiminta, kemiallisten yhdisteiden eristys ja synteesit, sekä ionien siirto solukalvojen läpi. Vuorokautisesta kokonaisenergiankulutuksesta 65–75 prosenttia on
perusaineenvaihduntaa, miehillä keskimäärin 4,2 kJ/min ja naisilla 3,8 kJ/min. Perusaineenvaihdunta koostuu aivojen (21 %), lihasten (22 %), maksan (18 %), munuaisten (6 %), sydämen (12 %) ja muiden kudosten (21 %) energiankulutuksesta. Sen suuruuteen vaikuttaa sukupuolen lisäksi ikä, kehon tyyppi ja koostumus, paasto, lämpötila ja laihduttaminen. – Wikipedia

Anabolinen ja katabolinen aineenvaihdunta

Solun aineenvaihdunta voidaan jakaa kahteen toimintamekanismiin: anaboliseen ja kataboliseen aineenvaihduntaan.

Anaboliset reaktiot ovat biosynteettisiä eli kokoavia aineenvaihduntatapahtumia, joissa yksinkertaisemmista molekyyleistä rakennetaan monimutkaisempia molekyylejä.

Katabolisissa reaktioissa monimutkaisempia molekyylirakenteita pilkotaan yksinkertaisemmiksi molekyyleiksi.

Energian tuotanto

ADP + Pi      –                ATP
NAD^{+              –}                 NADH +H⁺

• Energianlähteenä voi hyödyntää hiilihydraatteja, rasvoja ja proteiineja
• Solut saavat energiaa orgaanisista molekyyleistä hapettamalla niitä esimerkiksi:
  – Glukoosin hapetus tapahtuu sytoplasman glykolyysissä
  – Rasvahappojen hapetus = β-oksidaatio

β–oksidaatiossa rasvahappojen käyttö energiantuotantoon alkaa siten, että rasvat hajotetaan rasvahapoiksi ja glyseroliksi.

Glyseroli hapetetaan solulimassa glyseraldehydi-3-fosfaatiksi ja se voidaan käyttää joko energiantuotantoon (n. 5 % triglyseridistä saatavasta energiasta) tai glukoosin tuottamiseen glukoneogeneesissä.

Rasvahapot hapetetaan mitokondrioissa β–oksidaatiossa. Aluksi rasvahapot aktivoidaan mitokondrion ulkokalvolla kiinnittämällä rasvahapon karboksyyliryhmään koentsyymi-A. Näin muodostunut asyyli-KoA kulkee mitokondrion sisäkalvon läpi aktiivisella kuljetuksella. Näin siksi, että soluliman ja mitokondrion asyyli-KoA:lla on eri tehtävät – solulimassa anabolia, mitokondriossa katabolia.

Mitokondrion matriksissa rasvahappo hajotetaan kaksihiilisiksi pätkiksi (asetyyli-KoA), joka edelleen hapetetaan sitruunahappokierrossa.

Kuvan lähde: Nina Peitsaro

Anabolinen ja katabolinen aineenvaihdunta vuorottelevat elimistössä päivittäisten rutiinien lisäksi myös iän ja elämäntilanteen mukaan. Fyysinen harjoittelu ja sairaudesta toipuminen kallistavat aineenvaihduntaa anaboliseksi, jolloin aineenvaihdeunta rakentaa lihaskudosta tai korjaa sairauden aiheuttamia vaurioita. Myös kasvavien lasten aineenvaihdunta on anabolinen, mutta vanhemmilla ihmisillä ja hyvin vähän liikkuvilla aineenvaihdunta on yleensä pitkäkestoisessa katabolisessa tilassa.

Anabolisen aineenvaihdunnan käynnistyminen

Anabolinen aineenvaihdunta käynnistyy yleensä ruokailun jälkeen. Ravinnosta saaduista perusmolekyyleistä muodostetaan elimistössä suurempia molekyylejä, kuten lihasten tarvitsemia proteiineja.

Kun ruokailusta kuluu enemmän aikaa ja ravintoaineiden saatavuus ruoansulatuskanavan kautta vähenee, aineenvaihdunnan painopiste siirtyy katabolisten reaktioiden puolelle.

Anaboliset reaktiot kuluttavat energiaa

Anaboliset reaktiot kuluttavat energiaa ATP:n tai NADH:n (ja NADPH:n) muodossa.
ATP à ADP + Pi
NADH + H+ — NAD+

Katabolinen aineenvaihdunta tuottaa ravintoaineista soluhengityksen avulla energiaa. Anabolinen aineenvaihdunta rakentaa ja uusii elimistön rakenteita mm. proteiinisynteesissä.

Kehon energiantuotanto: Kuinka hiilihydraatit tuottavat energiaa

Hiilihydraatit ovat energiansaannin kannalta tehokkaimpia ravintoaineita. Myös rasvat ja proteiinit voidaan hyödyntää energiaksi.

Rasvat ovat hiilihydraatteja edullisempi tapa varastoida energiaa, sillä niissä on yli kaksinkertainen määrä energiaa painoyksikköä kohden.

Hiilihydraateista pilkotut sokerit imeytyvät verenkiertoon ohutsuolessa. Glukoosi kohottaa verensokeria, johon haima reagoi erittämällä vereen insuliinia. Insuliini kiinnittyy solun pinnassa olevaan insuliinireseptoriin, jolloin solussa olevat sokerikanavat (kalvorakkulat) siirtyvät solukelmulle ja päästävät glukoosimolekyylin solun sisälle.

Solulimassa glukoosi osallistuu glykolyysiin eli reaktioiden sarjaan, jossa glukoosimolekyyli hajotetaan pyruvaatiksi. Glukoosi on solujen energiantuotannon yleisin lähtöaine. Fruktoosin aineenvaihdunta tapahtuu maksassa, jossa se muutetaan lipogeneesissä triglyseridiksi eli rasvaksi.

Glukoosi, joka ei ravitse solujen energiantarvetta, varastoituu maksa- ja lihassoluihin glykogeeneinä, joista energiavarasto on nopeasti purettavissa. Glukoosi, joka ei ravitse solujen energiantarvetta tai mahdu glykogeenivarastoihin, siirtyy insuliinin avaamien sokerikanavien avulla rasvakudoksen rasvasoluihin, jossa se muutetaan lipogeneesissa rasvaksi.

Lipogeneesi

Insuliini säätelee lipogeneesiä, jossa veren ylimääräiset glukoosimolekyylit muutetaan triglyserideiksi eli rasvoiksi maksassa, rasvakudoksessa ja toimivan maitorauhasen soluissa. Lipogeneesissä yhdestä glukoosimolekyylistä muodostuu ensin kaksi glyserolimolekyyliä, joihin liittyy glukoosin auenneesta renkaasta muodostunut, pelkistynyt rasvahappoketju.

• Keho käyttää arviolta 45 % ravinnosta saatavista hiilihydraateista energiantuotantoon ja 55 % hiilihydraateista muutetaan lipogeneesissä rasvahapoiksi.

Rasva-aineenvaihdunta on hyvin dynaaminen. Osa vapaista rasvahapoista hyödynnetään glukoneogeneesissä ja osa varastoituu rasvasoluihin. Rasvasoluista vapautuu kuitenkin jatkuvasti rasvasoluja verenkiertoon. Yksittäisen lipidimolekyylin elinaika on arviolta 2-10 vuorokautta.

Solulimassa tapahtuva reaktioketju – glykolyysi tuottaa energiaa

Glykolyysi tuottaa energiaa ATP-molekyylien muodossa. Soluissa, joilla on käytettävissään happea, energiaa tuottava reaktio etenee glykolyysistä mitokondrioiden soluhengitykseen.

Haima ja haiman tehtävät aineenvaihdunnassa

Haima osallistuu ravintoaineiden aineenvaihduntaan erittämiensä ruoansulatusentsyymien sekä insuliinin ja glukagonin avulla.

Haima muodostuu kahdesta toiminnallisesti erilaisesta solukkotyypistä: avorauhas- ja umpirauhasosasta. Avorauhasosa tuottaa ruoansulatusentsyymejä, jotka pilkkovat kaikkia ravintoaineita (sokereita, rasvoja, proteiineja ja nukleiinihappoja).

Haiman erittämät ruoansulatusentsyymit ja niiden tehtävät

• Amylaasi: pilkkoo sokereita
• Peptidaasit: pilkkovat proteiineja
• Lipaasit: pilkkovat rasvahappoja
• Nukleaasit: pilkkovat nukleiinihappoja (DNA ja RNA)

Insuliini ja glukagoni säätelevät sokeriaineenvaihduntaa

Haiman umpirauhasosa tuottaa elintärkeitä hormoneja: insuliinia ja glukagonia. Useimmista kehon umpirauhasista poiketen glukagonin ja insuliinin eritystä säätelee veressä olevan sokerin määrä eikä aivojen hypotalamus.

Jos veren sokeripitoisuus on matala, haiman Alfa-solut erittävät glukagonia, joka nostaa verensokeria purkamalla maksaan ja lihaksiin varastoituneita glykogeenejä.

Jos veren sokeripitoisuus on korkea, haiman Beta-solut erittävät insuliinia, joka kiinnittyessään solun insuliinireseptoriin, päästää sokerimolekyylin solun sisälle, jossa se osallistuu energiantuotantoon glykolyysissa ja mahdollisesti edelleen mitokondrion soluhengityksessä.

Glukagoni ja glykogeenit

Keho varastoi osan ravinnosta saaduista sokereista maksa- ja lihassoluihin glykogeeneinä, joista energia on nopeasti purettavissa energiaa tuottavan glykolyysin ja soluhengityksen tarvitsemiksi lyhytketjuisiksi sokereiksi.

Kun haiman erittämä glukagoni kiinnittyy maksa- tai lihassolun pinnalla olevaan reseptoriinsa, sokerin pitkäketjuiset varastomolekyylit eli glykogeenit alkavat hajota solussa lyhytketjuisemmiksi sokereiksi. Glykogeeneistä puretut sokerit kulkeutuvat maksasta verenkiertoon, jolloin verensokeri nousee.

Glukagonin purkaa glykogeenejä ja käynnistää glukoneogeneesin

Verensokerin lasku lisää glukagonin eritystä haimasta. Glukagoni purkaa maksa- ja lihassolujen sokerivarastoja, jolloin verensokeri jälleen nousee.

Glukagoni käynnistää myös maksassa ja munuaisten kuorikerroksessa tapahtuvan glukoneogeneesin, joka syntetisoi glukoosia muista yhdisteistä. Glukoneogeneesin yhteydessä maksassa ja munuaisissa alkaa syntyä ketoaineita.

Insuliinin merkitys glukoosin aineenvaihdunnalle

Kaikkien solujen pinnalla on insuliinireseptoreita. Insuliinin kiinnittyminen solureseptoriinsa laukaisee solun sisällä toisiolähettijärjestelmän. Tämä saa aikaan sen, että solun sisällä olevat transmembraanisia (kalvon läpi ulottuvia) sokerikanavaproteiineja kuljettavat kalvorakkulat kiinnittyvät solukelmuun.

Insuliini saa siis sokerikanavat siirtymään solun ulkopinnalle jolloin glukoosi pääsee siirtymään verestä sokerikanavan läpi solun sisälle.

Mutta on hyvä muistaa, että insuliini myös varastoi ylimääräiset glukoosimolekyylit rasvakudoksen, maksan ja maitorauhasten rasvasoluihin eli adiposyytteihin, joissa sokerit muutetaan lipogeneesissä rasvahapoiksi. Näin veren runsas insuliini- ja glukoosipitoisuus aiheuttavat lihomista.

Glykolyysi

Solu saa energiantuotantoon tarvitsemansa glukoosin joko solun ulkopuolelta tai lihassolun sisällä olevasta glykogeenistä.

Glykolyysi on monesta reaktiovaiheesta muodostuva reaktioketju. Solulimassa tapahtuvassa glykolyysissä glukoosi hajotetaan palorypälehapon anionimuodoksi eli pyruvaatiksi. Anaerobinen energiansaanti perustuu glykolyysiin, joka tuottaa kaksi ATP-molekyyliä ja kaksi NADH-molekyyliä.

Jos solulla on happea käytettävissään, energiantuotanto jatkuu soluhengityksessä mitokondrioissa. Pyruvaateista saadaan mitokondrioissa eräiden entsyymien avulla tapahtuvassa oksidatiivisessa dekarboksylaatiossa asetyylikoentsyymi-A:ta.

Jos solulta puuttuu mitokondriot (kuten veren punasoluilta) tai happea ei ole käytettävissä, pyruvaatti pelkistyy maitohapoksi.

• Anaerobinen glykolyysi päättyy pyruvaatin pelkistyessä maitohapoksi
• Aerobinen glykolyysi jatkaa energiantuotantoa ja tuottaa pyruvaatista edelleen asetyylikoentsyymi-A:ta.

Sokerikanavaproteiinit kiertävät jatkuvasti soluliman ja solukelmun välillä. Kun insuliinipitoisuus laskee veressä, solu imee sokerikanavia sisältävät solukelmun osat sisäänsä.

Ihminen voi kuluttaa vuorokauden aikana painonsa verran ATP-molekyylejä.

ATP eli Adenosiinitrifosfaatti on runsasenerginen mitokondrioiden soluhengityksessä, tai glykolyysin solulimassa tuottama yhdiste. ATP:tä käytetään energian siirtoon ja lyhytaikaiseen varastointiin lihaksissa.

Kun elimistön solut tarvitsevat ATP-molekyyleihin sitoutunutta energiaa, ATPaasi-entsyymi pilkkoo runsasenergisiä sidoksia fosfaattiryhmien väliltä.

ATP:ssä on emäsoasa (adeniini), sokeriosa (riboosi) ja 3 fosfaattiosaa. Kun ATP:stä irtoaa yksi fosfaattiosa, siitä tulee adenosiinidifosfaattia eli ADP:tä ja kun ADP:stä irtoaa fosfaattiosa, syntyy adenosiinimonofosfaatti eli AMP.

Ihminen kuluttaa vuorokauden aikana arviolta painonsa verran ATP-molekyylejä. Yksi ATP-molekyyli kierrätetään jopa 1000-1500 kertaa vuorokauden aikana.

ATP on lihassupistuksen ainoa energianlähde. Sitä on hieman varastoituneena lihaksissa, mutta nämä varastot hyödynnetään nopeasti.

Energian varastomolekyyli: ADP+ADP à ATP+AMP

Kuinka ketogeneesin aineenvaihdunta toimii

Paasto, intensiivinen liikunta tai vähähiilihydraattinen ruokavalio saa aineenvaihdunnan tuottamaan ketoaineita energianlähteeksi. Muutaman päivän vähähiilihydraattinen jakso siirtää aineenvaihdunnan ketoosiin, jolloin ketoaineiden käyttö energianlähteenä tehostuu. Ketoaineiden tuotanto käynnistyy aina, kun veren insuliinipitoisuus laskee.

Haima erittää insuliinia verensokerin eli glukoosipitoisuuden kohotessa. Kun veressä ei ole glukoosia energianlähteenä, aineenvaihdunta ryhtyy hyödyntämään ketoaineita energianlähteenä ja ”polttamaan” rasvoja.

Rasvahappojen hapetus = β-oksidaatio

β–oksidaatiossa rasvahappojen käyttö energiantuotantoon alkaa siten, että rasvat hajotetaan rasvahapoiksi ja glyseroliksi.

Glyseroli hapetetaan solulimassa glyseraldehydi-3-fosfaatiksi ja se voidaan käyttää joko energiantuotantoon (n. 5 % triglyseridistä saatavasta energiasta) tai glukoosin tuottamiseen glukoneogeneesissä.

Rasvahapot hapetetaan mitokondrioissa β–oksidaatiossa. Aluksi rasvahapot aktivoidaan mitokondrion ulkokalvolla kiinnittämällä rasvahapon karboksyyliryhmään koentsyymi-A. Näin muodostunut asyyli-KoA kulkee mitokondrion sisäkalvon läpi aktiivisella kuljetuksella. Näin siksi, että soluliman ja mitokondrion asyyli-KoA:lla on eri tehtävät – solulimassa anabolia, mitokondriossa katabolia.

Mitokondrion matriksissa rasvahappo hajotetaan kaksihiilisiksi pätkiksi (asetyyli-KoA), joka edelleen hapetetaan sitruunahappokierrossa.

Lähteet:

Scientific American

KetoSchool

CNN

Wikipedia – Ketoasidoosi

Wikipedia – Glykolyysi

Wikipedia – Ketoaine

Wikipedia – Ketogeneesi

Wikipedia – Glukoneogeneesi

Solunetti – Solun aineenvaihdunta

Solun aineenvaihdunta – Nina Peitsaro

Safkatutka

Laihdutus.info