Chế độ ăn Keto cho môn sức bền: Oxy hóa chất béo và hiệu quả chạy bộ

Thích nghi với chế độ ăn ketogenic (keto) làm tăng đáng kể tốc độ oxy hóa chất béo trong khi tập luyện, giúp tăng hơn gấp đôi khả năng đốt mỡ tối đa so với chế độ dinh dưỡng giàu carbohydrate [5, 14, 18, P1]. Đối với chạy siêu bền ở cường độ thấp—thường được thực hiện dưới 60% mức tiêu thụ oxy tối đa (VO2max)—hiệu suất vận động nhìn chung vẫn được duy trì [9]. Tuy nhiên, do chất béo đòi hỏi nhiều oxy hơn trên mỗi mol adenosine triphosphate (ATP) tạo ra so với carbohydrate, việc dựa chủ yếu vào lipid làm tăng tổng lượng oxy tiêu hao cho chuyển động ở cường độ từ trung bình đến cao (>70% VO2max), làm giảm hiệu quả chạy bộ (running economy) và ngăn cản sự cải thiện thành tích khi cần duy trì tốc độ nhanh hơn [9, 12, 16, P2, P3].

Sự thay đổi trong tốc độ oxy hóa chất béo

Với chế độ ăn truyền thống giàu carbohydrate, ít chất béo (HCLF), tốc độ oxy hóa chất béo tối đa (FATMAX) thường chỉ đạt 0,3 đến 0,6 g/phút ở cường độ tập luyện từ 48% đến 65% VO2max, và mức oxy hóa chất béo sẽ giảm dần về gần bằng 0 ở cường độ trên khoảng 85% VO2max [5].

Quá trình thích nghi với chế độ ăn ít carbohydrate, nhiều chất béo (LCHF) hoặc ketogenic sẽ làm thay đổi đặc tính chuyển hóa này. Dữ liệu cắt ngang và thực nghiệm cho thấy các vận động viên sức bền thích nghi với keto đạt khả năng oxy hóa chất béo đỉnh cao gấp 2,3 lần so với những người không thích nghi, đạt tốc độ FATMAX vượt quá 1,5 g/phút và lên tới 1,9 g/phút [5, 14, 18, P1]. Hơn nữa, việc thích nghi với keto chuyển dịch điểm giao thoa carbohydrate (carbohydrate crossover point)—cường độ mà tại đó carbohydrate trở thành nguồn nhiên liệu chiếm ưu thế—lên mức trên 80% VO2max [5]. Trong các bài chạy biến tốc cường độ cao (6 × 800 m ở mức 86,4% VO2max), những người chạy thích nghi với keto vẫn duy trì tốc độ oxy hóa chất béo tối đa trung bình là 1,58 g/phút, với khoảng 30% vận động viên vượt mức 1,85 g/phút [5]. Mặc dù quá trình oxy hóa chất béo tăng lên nhanh chóng chỉ sau 5 ngày hạn chế carbohydrate, việc tăng cường sử dụng lipid này vẫn duy trì ngay cả khi carbohydrate được nạp vào cấp tính trước buổi tập [18].

Bên cạnh việc sử dụng cơ chất, những thay đổi trong chế độ ăn này còn ảnh hưởng đến các chỉ số chuyển hóa: ở những vận động viên thi đấu trung niên, tình trạng đường huyết tiền tiểu đường ghi nhận khi áp dụng chế độ ăn HCLF đã được đảo ngược sau khi thích nghi với chế độ ăn LCHF [5]. Tuy nhiên, quá trình oxy hóa trực tiếp các thể ketone (beta-hydroxybutyrate và acetoacetate) bên trong ty thể cơ xương cô lập vẫn ở mức tối thiểu, nghĩa là sự gia tăng oxy hóa chất béo của toàn bộ cơ thể hầu như hoàn toàn do quá trình chuyển hóa axit béo thúc đẩy [13].

Hiệu quả chạy bộ và chi phí oxy của quá trình chuyển hóa chất béo

Hiệu quả vận động đề cập đến thể tích oxy tiêu thụ để duy trì một tốc độ chạy hoặc công suất nhất định. Tác động của quá trình thích nghi với keto đối với hiệu quả vận động phụ thuộc rất lớn vào cường độ tập luyện [9, P3].

Ở cường độ thấp (<60% VO2max), chẳng hạn như tốc độ chạy đều phổ biến trong các giải chạy siêu marathon cự ly dài, hiệu suất vận động tổng thể vẫn được duy trì sau khi áp dụng chế độ ăn keto [9]. Tuy nhiên, ở cường độ trên 70% VO2max, hiệu suất bắt đầu bị suy giảm do mức hấp thụ oxy gia tăng mà không thể giải thích đơn thuần bằng sự thay đổi tỷ số trao đổi hô hấp (RER) hay tổng mức tiêu hao năng lượng [9].

Sự suy giảm hiệu quả vận động ở cường độ cao hơn bắt nguồn từ nguyên lý hóa sinh cơ bản:

• Tỷ lệ Phosphate/Oxy (P/O): Lượng ATP tạo ra trên mỗi nguyên tử oxy là 2,58 đối với glucose, so với khoảng 2,33 đối với axit béo và 2,50 đối với thể ketone [12].
• Năng lượng trên mỗi lít oxy: Quá trình oxy hóa carbohydrate tạo ra nhiều năng lượng hơn từ 5,5% đến ~8% trên mỗi lít oxy tiêu thụ so với quá trình oxy hóa chất béo [16].

Do việc đốt cháy axit béo đòi hỏi nhiều oxy hơn để tạo ra một lượng ATP tương đương, nên việc di chuyển ở một tốc độ dưới mức tối đa nhất định đòi hỏi mức tiêu thụ oxy cao hơn [12, 16]. Ở các vận động viên đi bộ thể thao ưu tú, việc áp dụng chế độ ăn keto (<50 g carbohydrate/ngày, 78% năng lượng từ chất béo) đã làm tăng quá trình oxy hóa chất béo toàn thân lên 1,57 g/phút ở mức ~80% VO2peak, nhưng lại làm tăng chi phí oxy cho chuyển động, làm triệt tiêu sự cải thiện thành tích thi đấu 10 km vốn quan sát thấy ở các nhóm ăn nhiều carbohydrate và nạp carbohydrate theo chu kỳ [9, 16, P2]. Tương tự, chế độ ăn LCHF liên tục ở những người chạy bộ phong trào đã làm giảm quá trình oxy hóa carbohydrate và tăng oxy hóa chất béo ở ngưỡng lactate, nhưng hiệu quả chạy bộ tại ngưỡng này chỉ được cải thiện ở những vận động viên tuân theo phác đồ carbohydrate theo chu kỳ [10].

Cơ chế tế bào và ty thể

Sự dịch chuyển ở cấp độ tế bào sang quá trình oxy hóa chất béo được thúc đẩy bởi sự điều hòa enzyme trong cơ xương. Chế độ ăn ít carbohydrate làm tăng biểu hiện của thụ thể kích hoạt chất tăng sinh peroxisome delta (PPARδ), từ đó làm tăng biểu hiện của pyruvate dehydrogenase kinase 4 (PDK4) [11, 19, 20]. PDK4 phosphoryl hóa tiểu đơn vị xúc tác E1 của phức hợp pyruvate dehydrogenase (PDC), làm bất hoạt pyruvate dehydrogenase (PDH) và ngăn chặn các sản phẩm cuối của quá trình đường phân đi vào ty thể [11, 19, 20, 21]. Quá trình phosphoryl hóa này được thúc đẩy theo cơ chế dị lập thể bởi sự gia tăng tỷ lệ ATP/ADP, NADH/NAD+ và acetyl-CoA/CoA tự do trong ty thể [20]. Trong cơ xương người, hoạt tính PDK tăng từ ba đến năm lần trong vòng 3 đến 6 ngày áp dụng chế độ ăn nhiều chất béo, ít carbohydrate, làm giảm hơn 70% lượng PDH hoạt động mà không làm thay đổi tổng hàm lượng enzyme hay hoạt tính của beta-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase (β-HAD) [21].

Về cấu trúc và sức khỏe ty thể, việc duy trì chế độ ăn keto dài hạn có liên quan đến việc giảm biểu hiện phức hợp thể viêm NLRP3, giảm tạo isoprostane và tăng hoạt tính citrate synthase [14]. Ở những người chưa qua tập luyện hoặc người cao tuổi, các can thiệp bằng chế độ ăn keto giúp tăng cường sản xuất ATP của ty thể, tỷ lệ ATP:O2 và các chỉ số tuổi thọ [11, 13]. Tuy nhiên, ở các vận động viên sức bền ưu tú và được tập luyện bài bản—những người vốn đã có khối lượng ty thể và hoạt tính enzyme oxy hóa nền tảng rất phát triển—chế độ ăn keto không mang lại sự gia tăng bổ sung về công suất ty thể hay công suất hiếu khí tổng thể (VO2max) [11, 13, 18].

Kết quả thành tích trong các nội dung siêu bền

Do các cuộc chạy siêu bền (chẳng hạn như cự ly 100 km hoặc 100 dặm) thường diễn ra ở cường độ dưới mức tối đa thấp, nơi việc cung cấp oxy không phải là yếu tố giới hạn duy nhất, việc thích nghi với keto cung cấp nguồn năng lượng ổn định từ chất béo mà không gây suy giảm nghiêm trọng hiệu quả vận động như ở cường độ cao hơn [9, 18]. Trong một nghiên cứu kéo dài 12 tuần trên các vận động viên nam được tập luyện sức bền thực hiện bài kiểm tra tính giờ cự ly 100 km, chế độ ăn keto đã làm tăng đáng kể tốc độ oxy hóa chất béo nhưng không tạo ra sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về thành tích thời gian tổng thể so với chế độ ăn nhiều carbohydrate [18].

Tuy nhiên, vẫn tồn tại những đánh đổi tiềm ẩn. Ngay cả trong môi trường siêu bền, các vận động viên ưu tú thích nghi với keto vẫn cho thấy mức tăng các dấu ấn viêm sau tập luyện, chẳng hạn như interleukin-6 (IL-6), sau các cự ly chạy dưới mức tối đa kéo dài (19–25 km) [14]. Ngoài ra, các phản ứng chuyển hóa đối với chế độ ăn keto có thể có sự khác biệt theo giới tính: trong khi các vận động viên nam cho thấy sự gia tăng đáng kể quá trình oxy hóa chất béo lên tới 80% VO2max, những sự thay đổi này lại không được quan sát thấy một cách nhất quán ở các vận động viên nữ trong các bài kiểm tra tăng dần cường độ [9].