Резюме

Заден план

Обикновено се смята, че „калорията е калория“, т.е. диетите с еднакво калорично съдържание ще доведат до идентична промяна на теглото, независимо от състава на макроелементите, и често се прави апел към законите на термодинамиката. По-рано показахме, че термодинамиката не поддържа такава гледна точка и че може да се очаква диети с различно съдържание на макроелементи да предизвикат различни промени в телесната маса. По-специално диетите с ниско съдържание на въглехидрати са заявили „метаболитно предимство“, което означава по-голяма загуба на тегло, отколкото при изокалорични диети с по-високо съдържание на въглехидрати. В този преглед, за педагогическа яснота, ние преформулираме теоретичната дискусия, за да свържем директно термодинамичната неефективност с промяната на теглото. Проблемът в очертанията: Възможно ли е метаболитно предимство теоретично? Ако да, какви биохимични механизми биха могли да го обяснят правдоподобно? И накрая, какви експериментални доказателства съществуват, за да се определи дали се случва или не?

Резултати

Намалената термодинамична ефективност ще доведе до повишена загуба на тегло. Законите на термодинамиката мълчат относно съществуването на променлива термодинамична ефективност в метаболитните процеси. Следователно такава променливост е разрешена и може да бъде свързана с разликите в загубеното тегло. Следователно съществуването на променлива ефективност и метаболитно предимство е по-скоро емпиричен въпрос, отколкото теоретичен, потвърден от много експериментални изокалорични проучвания в очакване на правилно извършен мета-анализ. Все още не са известни механизми, но се предлагат правдоподобни механизми на метаболитно ниво.

Заключения

Променливата термодинамична ефективност поради диетични манипулации е разрешена от физическите закони, подкрепена е от много експериментални данни и може да бъде разумно обяснена с правдоподобни механизми.

Заден план

Ограничаването на въглехидратите като обща стратегия за отслабване продължава да набира популярност и неговата полезност и като цяло защитен ефект в липидния профил и гликемичния контрол продължава да се демонстрира, поне в експериментална обстановка [1–4]. Темата въпреки това остава противоречива. Критиците, които дават ефикасност на диетите с ниско съдържание на въглехидрати, твърдят, че те действат стриктно с ограничаване на калориите и няма особен ефект от намаляването на въглехидратите. Освен ограничаването на калориите, няколко проучвания показват повишена загуба на тегло при диети с ниско съдържание на въглехидрати в сравнение с изокалорични диети с ниско съдържание на мазнини, така нареченото метаболитно предимство (вж. Таблица 2). Въпреки че не е доказана явна експериментална грешка, критиците продължават да твърдят, че нещо трябва да се обърка, защото законите на термодинамиката биха били нарушени [5], че „калорията е калория“ [6] По-рано показахме [2, 7] че това не е правилно и тук имаме за цел да разгледаме фундаменталната физика, лежаща в основата на явлението метаболитно предимство. Може да бъде описан контур: Може ли да се случи метаболитно предимство? Ако е така, какви механизми могат да обяснят подобно явление? Всъщност случва ли се?

Метаболитно предимство: може ли да се случи?

По-рано представихме аргументи, че няма нарушение на физическите принципи [2, 7] и, по ирония на съдбата, че предполагането на промяна в телесната маса, която да бъде независима от състава на макроелементите, само по себе си би било нарушение на втория закон на термодинамиката [7]. Тук ние преформулираме тези аргументи по по-педагогически директен начин и предоставяме прости примери.

Неразбирането, което продължава да се повтаря в израза „калорията е калория“, изглежда е изключителна препратка към първия закон на термодинамиката. Трудността на този теоретичен подход е, че той е само част от съответната физика и връзката му с биологичните системи. Първият закон казва, че при всяка трансформация общата енергия в системата може да бъде отчетена от топлината, добавена към системата, работата, извършена от системата върху околната среда и промяната в енергийното съдържание на всички компоненти на системата. Важно е да се разбере обаче, че първият закон не казва какво ще бъде относителното разпределение между тези ефекти за всеки процес. Всъщност първият закон дори не ни позволява да кажем дали изобщо ще настъпи процесът. За да се разбере напредъка на физическата промяна е необходимо да се разбере вторият закон, който въвежда субект, известен като ентропията, S, мярка за разстройство във всички процеси. Във всички реални (необратими) процеси ентропията се увеличава, обикновено се записва ΔS> 0. Най-често срещаният маркер за увеличаване на ентропията е топлината, въпреки че в никакъв случай не е единственото доказателство за повишена ентропия.

В системи с постоянна температура и налягане (т.е. биологични системи), първият и вторият закон се комбинират в свободната енергия на Гибс, ΔG, което представлява максимум полезна работа, която може да бъде извършена от процеса. Действителният процес обаче като цяло води до по-малко полезна работа от разрешената от теоретично наличния ΔG поради неефективност при улавяне на енергия. Трябва да се включи правилно отчитане на ентропията и ефективността, за да разберем използването на енергията в биологичните и биохимичните системи.

Биологични системи и термодинамика

Също така е важно при обсъждането на биологичните системи да се разбере, че те са отворени системи, т.е.приемат хранителни вещества и кислород и отделят въглероден диоксид, вода, урея и други отпадъчни продукти, както и топлина. Важността по отношение на съображенията за теглото е, че масата и енергията се запазват (по-общото твърдение на първия закон на термодинамиката), но те не се запазват изцяло в организма.

За да илюстрираме правилното тълкуване на първия закон на термодинамиката, разгледайте субект, чийто енергиен разход в покой се покрива от производството на 95 мола АТФ. Тъй като окисляването на един мол глюкоза осигурява 38 мола АТФ, ще са необходими 2,5 мола глюкоза, за да се отговори на енергийните нужди на този индивид. Важно е да се отбележи, че полученият въглероден диоксид, вода и топлина не се задържат в организма. Полезната задържана енергия е в 95 мола АТФ (Фигура 1В). (Подобни уравнения могат да бъдат написани за липиди или протеини, но ние ограничаваме нашата дискусия до глюкоза за простота).

отслабване

Илюстрацията по-горе може да бъде сравнена с окисляването на глюкозата в калориметър, при който не се получава полезна енергия и общата енергия на окисление се измерва като произведената топлина. Този процес е напълно неефективен. Традиционната (Atwater) стойност за глюкозата, получена в калориметъра, е приблизително 4 килокалории енергия на грам (Фигура 1А). За разлика от това, живият организъм по-горе метаболизира и окислява глюкозата, така че приблизително четиридесет процента от енергията на окисляване се запазва като полезен АТФ (38 мола на мол глюкоза), докато шестдесет процента се отделя като топлина, неефективността при този режим на окисление . Ентропията (т.е. вторият закон на термодинамиката) се появява в това неефективност. Топлината на калориметъра вече не може да се тълкува по прост начин. Енергията, съхранявана в полезен АТФ, представлява ефективност от 40% (пренебрегвайки разликата в ентропията между структурите на продуктите и реагентите). Тази стойност се доближава до ефективността за окисляване на въглехидратите, както и на липидите, докато протеините обикновено се окисляват при по-ниска стойност от около 30–35% (Фигура 1В).

Обобщение на термодинамиката в живия организъм

1. Вторият закон на термодинамиката диктува, че има неизбежна метаболитна неефективност във всички биологични и биохимични процеси с най-често срещани продукти с топлина и молекули с висока ентропия (въглероден диоксид, вода, урея).

2. Първият закон на термодинамиката е изпълнен в живите (отворени) системи чрез правилно отчитане на масата екскретира се и топлината се излъчва и изнася във високи ентропийни молекули.

Загуба на тегло поради намален калориен прием

Най-честият пример за отслабване е намаляването на калорийния прием. С риск от прекалено опростяване, ако субектът ни погълне по-малко от 2,5 мола глюкоза и произведе, например, само 90 мола АТФ от храната, тогава хомеостазата ще изисква включване на ендогенни складове на тялото за по-нататъшно окисляване. Тогава това окисление би осигурило допълнителните 5 мола АТФ, необходими. Окисляването на телесните запаси (липидна или чиста телесна маса) ще доведе до производство на допълнителен въглероден диоксид, урея, вода и топлина. Екскрецията на тези продукти ще доведе до загуба на тегло. (Фигура 1В).

Загуба на тегло поради повишена метаболитна неефективност

Същността на втория закон на термодинамиката е, че той гарантира неефективност във всички метаболитни процеси. Вариацията на ефективността обаче не е изключена. Всъщност законите на термодинамиката са мълчи относно съществуването на променлива ефективност. Ако ефективността може да варира (както в примера за окислително разединяване), тогава „калория е калория“ вече не е вярно твърдение. Ролята на разединяването на протеините при хората, както е посочено, все още не е напълно дефинирана [10]. Термодинамичните принципи обаче позволяват променлива ефективност и нейното съществуване трябва да се определя емпирично.

Метаболитно предимство: как може да се случи?

Възможно е метаболитната ефективност да бъде намалена чрез окислително разединяване, както е описано по-горе. Полиморфизмите, свързващи разединяващите протеини със затлъстяването или склонността към наддаване на тегло, са установени при хората [11, 12], въпреки че те не са твърдо установени и ефектът от диетичната намеса е неизвестен. Други механизми са по-добре разбрани и са описани по-долу.

Циклиране на субстрата и оборот на протеини

Тиреотоксикоза

Индуциран от протеини белтъчен оборот

Стимулиран с глюконеогенеза обмен на протеини при ограничаване на въглехидратите

Следващата хипотеза се предлага от класически проучвания на глада, направени при хронично гладуващи затлъстели индивиди [27, 28]. Метаболизмът на мозъка изисква 100 грама глюкоза на ден. В ранната фаза на глад запасите от гликоген бързо се намаляват, така че изискването за глюкоза се удовлетворява от глюконеогенезата. Приблизително 15-20 грама се получават от производството на глицерол поради липолиза, но окисляването на мастни киселини обикновено не може да се използва за производство на глюкоза. Следователно, разграждането на протеини трябва да осигури останалата част от субстрата за превръщане в глюкоза в ранните фази на глад. До 6-седмично гладуване кетонните тела плюс глицеролът могат да заменят 85% от метаболитните нужди на мозъка, а останалата част все още произтича от глюконеогенезата, дължаща се на протеини. Трябва да се спомене, че тъй като основната роля на кетоните е да спестяват протеини, може да се очаква, че зависимостта от протеини всъщност ще намалее с времето, може би свързано с анекдотичното наблюдение на "удрянето на стената" при диети за отслабване.

Метаболитно предимство: случва ли се?

След като установихме, че няма теоретична бариера за метаболитното предимство и че съществуват правдоподобни механизми, които биха могли да отчетат такъв ефект, трябва да попитаме дали той може да бъде демонстриран експериментално, т.е. характеристика на стратегиите за намаляване на теглото, по-специално диети с много ниско съдържание на въглехидрати. Ако е така, ще има повишена загуба на тегло при същия калориен прием или метаболитно предимство. Неотдавнашен модел на животни осигурява подкрепа за по-голяма метаболитна неефективност при плъхове, хранени с въглехидратни диети, в сравнение с по-високи въглехидрати, което води до загуба на излишно тегло [30]. Данните при хора в Таблица 2 илюстрират 10 клинични изпитвания на изокалорични диети с по-ниско спрямо по-високо въглехидратно рамо във всяко проучване [31-40]. Вижда се, че по-ниското въглехидратно рамо в 9 от 10 проучвания показва повишено намаляване на теглото в сравнение с по-високо въглехидратното рамо. Три от изследванията показват статистическа значимост (p-тият биномиален коефициент показва, че тази вероятност е p

Заключения

Препратки

Westman EC, Mavropoulos J, Yancy WS, Volek JS: Преглед на нисковъглехидратните кетогенни диети. Curr Atheroscler Rep.2003, 5: 476-83.

Feinman RD, Fine EJ: Термодинамика и метаболитно предимство на диетите с ниско съдържание на въглехидрати. Метаболитен синдром и свързани нарушения. 2003, 1: 209-219. 10.1089/154041903322716688. http://miranda.ingentaselect.com/vl=2236146/cl=61/nw=1/rpsv/cw/mal/15404196/v1n3/s7/p209

Aljada A, Mohanty P, Dandona P: Липиди, въглехидрати и сърдечни заболявания. Метаболитен синдром и свързани нарушения. 2003, 1: 185-188. 10.1089/154041903322716651.

Yancy WS, Westman EC, French PA, Califf RM: Диети и клинични коронарни събития: истината е там. Тираж. 2003, 107: 10-6. 10.1161/01.CIR.0000049205.35749.00.

Buchholz AC, Schoeller DA: Калорията калория ли е? Am J Clin Nutr. 2004, 79: 899S-906S.

Bray GA: Диети с ниско съдържание на въглехидрати и реалности при отслабване. J Am Med Assoc. 2003, 289: 1853-1855. 10.1001/jama.289.14.1853.

Feinman RD, Fine EJ: „Калорията е калория“ нарушава втория закон на термодинамиката. Nutr J. 2004, 3: 9-10.1186/1475-2891-3-9. http://www.nutritionj.com/content/3/1/9

Cannon B, Nedergaard J: Биохимията на неефективна тъкан: кафява мастна тъкан. Есета Biochem. 1985, 20: 110-64.

Boehm EA, Jones BE, Radda GK, Veech RL, Clarke K: Повишено отделяне на протеини и намалена ефективност в сърцето на плъхове, перфузирани с палмитат. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2001, 280 (3): H977-H983.

Hesselink MKC, Mensink M, Schrauwen P: Човешкият разединяващ протеин-3 и затлъстяването: Актуализация. Изследване на затлъстяването. 2003, 11 (12): 1429-1443.

Oppert JM, Vohl MC, Chagnon M, Dionne FT, Cassard-Doulcier AM, Ricquier D, Perusse L, Bouchard C: ДНК полиморфизъм в гена на несвързания протеин (UCP) и човешките телесни мазнини. Int J Obes Relat Metab Disord. 1994, 18: 526-31.

Nagai N, Sakane N, Ueno LM, Hamada T, Moritani T: Вариантът -3826 A → G на разединяващия протеин-1 намалява постпрандиалната термогенеза след хранене с високо съдържание на мазнини при здрави момчета. J Clin Endocrinol Metab. 2003, 88 (12): 5661-5667. 10.1210/jc.2003-030672.

Morowitz H: Основи на биоенергетиката. 1978, Ню Йорк: Academic Press

Voet D, Voet JG: Основи на биохимията. 2004, Ню Йорк: Джон Уайли и синове, 3

Silva JE: Термогенният ефект на тиреоидния хормон и неговите клинични последици. Ann Intern Med. 2003, 139: 205-13.

Anthony JC, Anthony TG, Layman DK: Добавянето на левцин подобрява възстановяването на скелетната мускулатура при плъхове след упражнения. J Nutr. 1999, 129: 1102-6.

Anthony JC, Anthony TG, Kimball SR, Jefferson LS: Сигнални пътища, участващи в транслационния контрол на протеиновия синтез в скелетните мускули от левцин. J Nutr. 2001, 131: 856S-860S.

Лаик ДК: Ролята на левцина в диетите за отслабване и хомеостазата на глюкозата. J Nutr. 2003, 133: 261S-267S.

Johnston CS, Day CS, Swan PD: Термогенезата след хранене се увеличава 100% при диета с високо съдържание на протеини и ниско съдържание на мазнини спрямо диета с високо съдържание на въглехидрати и ниско съдържание на мазнини при здрави млади жени. J Am Coll Nutr. 2002, 21: 55-61.

Robinson SM, Jaccard C, Persaud C, Jackson AA, Jequier E, Schutz Y: Обмен на протеини и термогенеза в отговор на хранене с високо съдържание на протеини и високо съдържание на въглехидрати при мъжете. Am J Clin Nutr. 1990, 52: 72-80.

Karst H, Steiniger J, Noack R, Steglich HD: Диета-индуцирана термогенеза при човека: термични ефекти на единични протеини, въглехидрати и мазнини в зависимост от количеството им енергия. Ann Nutr Metab. 1984, 28: 245-52.

Westerterp KR, Wilson SA, Rolland V: Термогенеза, индуцирана от диета, измерена в продължение на 24 часа в дихателна камера: ефект на диетичния състав. Int J Obes Relat Metab Disord. 1999, 23: 287-92. 10.1038/sj.ijo.0800810.

Young VR, Yu Y-M, Fukagaw NK: Енергии на цялото тяло и азотни (протеинови) кораби. В: Енергиен метаболизъм. Детерминанти на тъкани и клетъчни последствия. Редактиран от: Kinney JM, Tucker HN. 1992, Ню Йорк: Raven Press, 139-161.

Waterlow JC: Оборот на протеини със специално позоваване на човека. Q J Exp Physiol. 1984, 69: 409-38.

Muramatsu T, Takai D, Kita K, Okumura J: Изследвания за измерване на разграждането на протеини в цялото тяло in vivo в пилето. Int J Biochem. 1990, 22: 153-8. 10.1016/0020-711X (90) 90282-8.

White RG, Hume ID, Nolan JV: Разход на енергия и белтъчен оборот при три вида валаби (Marsupialia: Macropodidae). J Comp Physiol [B]. 1988, 158: 237-46.

Оуен OE, Morgan AP, Kemp HG, Sullivan JM, Herrera MG, Cahill GF: Метаболизъм на мозъка по време на гладуване. J Clin Invest. 1967, 46: 1589-95.

Cahill GF: Гладът при човека. N Engl J Med. 1970, 282: 668-75.

Bisschop PH, Pereira Arias AM, Ackermans MT, Endert E, Pijl H, Kuipers F, Meijer AJ, Sauerwein HP, Romijn JA: Ефектите от вариацията на въглехидратите в изокалоричните диети върху гликогенолизата и глюконеогенезата при здрави мъже. J Clin Endocrinol Metab. 2000, 85: 1963-7. 10.1210/jc.85.5.1963.

Marsset-Baglieri A, Fromentin G, Tomei D: Увеличаването на протеина в диета без въглехидрати увеличава загубата на мазнини по време на 35%, но не и 75% ограничаване на енергията при плъхове. Journal of Nutrition. 2004, 134: 2646-2652.

Rabast U, Kasper H, Schonborn J: Сравнителни проучвания при затлъстели лица, хранени с въглехидратно ограничени и висококалохидратни диети с 1000 калории. Nutr Metab. 1978, 22: 269-77.

Rabast U, Hahn A, Reiners C, Ehl M: Промени в хормоните на щитовидната жлеза при затлъстели лица по време на гладуване и много нискокалорична диета. Int J Obes. 1981, 5: 305-11.

Golay A, Eigenheer C, Morel Y, Kujawski P, Lehmann T, de Tonnac N: Отслабване с диета с ниско или високо съдържание на въглехидрати ?. Int J Obes Relat Metab Disord. 1996, 20: 1067-72.

Golay A, Allaz AF, Morel Y, de Tonnac N, Tankova S, Reaven G: Подобна загуба на тегло при диети с ниско или високо съдържание на въглехидрати. Am J Clin Nutr. 1996, 63: 174-8.

ML Piatti PM, Magni F, Fermo I, Baruffaldi L, Nasser R, Santambrogia G, Librenti MC, Galli-Kienle M, Pontiroli AE, Pozza G: Хипокалоричната високопротеинова диета подобрява окисляването на глюкозата и щади чистата телесна маса: Сравнение с високата -Въглехидратна диета. Метаболизъм. 1994, 43: 1481-87. 10.1016/0026-0495 (94) 90005-1.

Layman DK, Boileau RA, Erickson DJ, Painter JE, Shiue H, Sather C, Christou DD: Намаленото съотношение на диетични въглехидрати към протеини подобрява телесния състав и липидните профили в кръвта по време на загуба на тегло при възрастни жени. J Nutr. 2003, 133: 411-7.

Lean ME, Han TS, Prvan T, Richmond PR, Avenell A: Отслабване с високо и ниско съдържание на въглехидрати 1200 kcal диети при свободно живеещи жени. Eur J Clin Nutr. 1997, 51: 243-8. 10.1038/sj.ejcn.1600391.

Baba NH, Sawaya S, Torbay N, Habbal Z, Azar S, Hashim SA: Високопротеинова срещу високо въглехидратна хипоенергична диета за лечение на затлъстели хиперинсулинемични пациенти. Int J Obes Relat Metab Disord. 1999, 23: 1202-6. 10.1038/sj.ijo.0801064.

Young CM, Scanlan SS, Im HS, Lutwak L: Ефект на телесния състав и други параметри при затлъстели млади мъже с въглехидратно ниво на редукционна диета. Am J Clin Nutr. 1971, 24: 290-6.

Greene P, Willett W, Devecis J, Skaf A: Сравнение на пилотното 12-седмично хранене при отслабване: Диети с ниско съдържание на мазнини срещу ниско съдържание на въглехидрати (кетогенни). Изследване на затлъстяването. 2003, 11: A23-