"Калорія калорією" порушує другий закон термодинаміки

Анотація

Принцип "калорія - це калорія", що зміна ваги при гіпокалорійних дієтах не залежить від складу макроелементів, широко поширена в популярній та технічній літературі і часто обгрунтовується апеляцією до законів термодинаміки. Тут ми розглядаємо деякі аспекти термодинаміки, які впливають на втрату ваги та вплив складу макроелементів. Основна увага приділяється так званій метаболічній перевазі при дієтах з низьким вмістом вуглеводів - більша втрата ваги порівняно з ізокалорійними дієтами різного складу. Два закони термодинаміки мають відношення до систем, що розглядаються в харчуванні, і, тоді як перший закон є законом збереження (енергії), другий - законом дисипації: щось (негативна ентропія) втрачається, і тому в дієтичні втручання. Тут ми припускаємо, що нерозуміння другого закону пояснює суперечку щодо ролі впливу макроелементів на втрату ваги, і ми розглядаємо деякі аспекти елементарної термодинаміки. Ми використовуємо дані в літературі, щоб показати, що термогенезу достатньо для прогнозування метаболічних переваг. Тоді як гомеостаз забезпечує рівновагу за багатьох умов, оскільки загальний принцип "калорія - це калорія" порушує другий закон термодинаміки.

Огляд

Нещодавнє усвідомлення епідемії ожиріння збігається і, можливо, сприяло різкому зростанню популярності різноманітних дієт з низьким вмістом вуглеводів. Цей швидкий перехід у дієтичних звичках значної частини населення та віртуальна революція в харчовій промисловості є незвичним тим, що він суперечить давнім рекомендаціям більшості закладів харчування та медицини (наприклад, [1, 2]). Незважаючи на поодинокі приклади, такі як нещодавня редакційна стаття Уолтера Віллета, яка вказує на необхідність розуміння дієти з низьким вмістом вуглеводів [3], все ще мало реального визнання з боку фахівців з питань харчування або медичних організацій. Одним із аспектів цих дієт, який був особливо суперечливим, є так звана метаболічна перевага - ідея про те, що більше ваги може втрачати калорії на калорії порівняно з дієтами з підвищеним вмістом вуглеводів.

У попередньому огляді метаболічних переваг [4] ми показали, що насправді немає теоретичного порушення законів термодинаміки, і ми забезпечили правдоподібний механізм. Взагалі шляхи для глюконеогенезу, необхідні для постачання обов’язкової глюкози (наприклад, у мозок та ЦНС), у поєднанні з підвищеним обміном білка, можуть пояснювати відсутність енергії. Тут ми спрощуємо термодинамічний аргумент і розглядаємо деякі відповідні принципи. Більше того, ми показуємо, що добре відомі дані в традиційній літературі з харчових продуктів передбачають метаболічну перевагу, і ніхто не повинен дивуватися. Іронічний висновок полягає в тому, що принцип, згідно з яким збільшення ваги при ізокалорійних дієтах повинен бути завжди незалежність від складу макроелементів порушила б другий закон термодинаміки.

Що ми маємо на увазі під "калорія - це калорія?"

Термодинаміка

Думка про те, що "калорія - це калорія", походить від нерозуміння законів термодинаміки. Існує два закони термодинаміки. (Нульовий закон, що встановлює поняття температури, і третій закон, що описує абсолютний нуль, тут не мають значення). Говорячи про "законs термодинаміки "важливо бути впевненим, що один включає другий закон. Перший закон сильно відрізняється за своїм характером від другого закону [9, 11, 12]. Перший закон є законом збереження: він говорить, що форма енергії може змінюватися, але загальний обсяг завжди зберігається. Другий закон - a розсіювання Закон: він визначає величину, ентропію, S, яку ми традиційно ототожнюємо з розладом або високою ймовірністю. Другий закон говорить, що в будь-якому (реальному) незворотному процесі ентропія повинна зростати (ΔS> 0); баланс є ні очікуваний. Ентропію насправді можна ідентифікувати з незворотністю.

Важливо розуміти, що саме другий закон рухає хімічними реакціями. Перший закон є законом про бухгалтерію і говорить нам, що загальна енергія, що відводиться на роботу, тепло і зміни хімічного складу, буде постійною. Це не говорить нам, чи відбудеться така реакція, або якщо вона відбудеться, якими будуть відносні розподіли форм енергії. Щоб передбачити тенденцію реакції, ми маємо застосувати другий закон, який говорить, що ентропія повинна зростати. У хімічній реакції при постійній температурі та тиску ентропійний та енергетичний ефекти поєднуються у зміну вільної енергії Гіббса ΔG, знак якого передбачає напрямок реакції, а величина вказує на максимальну кількість роботи, яку можна здійснити з реакції.

Застосування ΔG '

Щоб зрозуміти наслідки поняття "калорія - це калорія", енергетичний вихід може бути незалежним від шляху і однаковим для всіх дієт. Вважаємо, що це означає, що вуглеводи та білки є еквівалентними видами палива, як показано на малюнку 1. Діаграма вказує, це змінна стану, вільна енергія (ΔG ') для Шляху 1 повинна дорівнювати енергії для контуру 2 + 3. Якщо значення ΔG' для тракту 1 і шляху 2 приймаються як їх калориметричні значення, вони становитимуть рівний (

4 ккал/г, шлях 1 з поправкою на уреагенез). Це означає, що ΔG 'для шляху 3 перетворення білка у вуглевод (також виправлене) має бути приблизно нульовим. Існує принаймні одна умова, коли це не відповідає дійсності, стандартний стан; загалом вважається, що для глюконеогенезу з одного моля аланіну потрібно близько 6 АТФ [13, 14]. Звичайно, вільні енергії залежать від концентрації, отже в природних умовах значення будуть відрізнятися від стандартних значень стану, але вони є безперервними функціями концентрацій, і буде безліч умов, за яких ΔG 'не дорівнює нулю. Іншими словами, припущення, що білки та вуглеводи енергетично еквівалентні, призводить до суперечності.