Термодинамика на диетите за отслабване

Eugene J Fine

1 Катедра по ядрена медицина, Медицински център Jacobi, Бронкс, Ню Йорк, САЩ

2 Катедра по биохимия, SUNY Downstate Medical Center, Бруклин, NY 11203, САЩ

Ричард Д. Файнман

3 Катедра по биохимия, SUNY Downstate Medical Center, Бруклин, Ню Йорк 11203, САЩ

Това е статия с отворен достъп, разпространявана при условията на лиценза за признание на Creative Commons (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), която позволява неограничено използване, разпространение и възпроизвеждане на всякакъв носител, при условие че оригиналната творба е правилно цитиран.

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). 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?

Таблица 2

Изследвания с изокалорични нисковъглехидратни (СНО) спрямо по-високо въглехидратни

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 максималната 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 (Фигура 1B). 1B). (Подобни уравнения могат да бъдат написани за липиди или протеини, но ние ограничаваме нашата дискусия до глюкоза за простота).

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 (Фигура 1А). 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 проявява в тази 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 окисление на въглехидрати, както и на липиди, докато протеините обикновено се окисляват при по-ниска стойност от приблизително 30–35% (Фигура (Фигура 1B 1B).

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 отделената маса и топлината, излъчена и изнесена в молекули с висока ентропия.

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 (Фигура 1C 1C).

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 мълчат 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. Полиморфизми, 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

маса 1

Ефект на пътя върху енергията на окисляване

* Адаптирано от Feinman, Fine: 2003 Метаболитен синдром и свързани с него разстройства (1): 209–219 [2]

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.

• Цели за отслабване за деца с наднормено тегло
• Игри за отслабване (23 забавни игри и приложения за отслабване!)
• Калкулатор на целите за отслабване Дефицит на калории за отслабване
• Програмата за субсидии за отслабване не се изплаща, след като участниците хвърлят килограми
• Загубата на тегло се мазни под мишниците Ви направете тези 5 упражнения у дома, за да се отървете незабавно от него