"Калорія калорією" порушує другий закон термодинаміки

Річард Д. Файнман

1 Департамент біохімії, Державний університет Нью-Йорка, медичний центр, Бруклін, штат Нью-Йорк, 11203, США

Євген Дж. Файн

1 Департамент біохімії, Державний університет Нью-Йорка, медичний центр, Бруклін, штат Нью-Йорк, 11203, США

2 Відділ ядерної медицини, Медичний центр Якобі, Бронкс, Нью-Йорк 10461 США

Це стаття з відкритим доступом, що поширюється на умовах ліцензії Creative Commons Attribution (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0), яка дозволяє необмежене використання, розповсюдження та відтворення на будь-якому носії за умови оригіналу твору правильно цитується.

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 завжди має бути незалежним від складу макроелементів, порушує 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 "закони термодинаміки", важливо бути впевненим, що один включає другий закон. Перший закон сильно відрізняється за своїм характером від другого закону [9,11,12]. Перший закон - закон збереження: він говорить, що форма енергії може змінюватися, але загальна кількість завжди зберігається. Другий закон - закон розсіювання: 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 не очікується. 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 та однаковим для всіх дієт. Вважаємо, що це означає, що вуглеводи та білки є еквівалентними видами палива, як показано на малюнку Рисунок 1. 1. Діаграма вказує, що, оскільки вона є змінною стану, вільна енергія (ΔG ') для Шляху 1 повинна дорівнювати енергії для шляху 2 + 3. Якщо значення ΔG' для шляху 1 і шляху 2 приймаються як їх калориметр значення, вони будуть приблизно рівними (

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, тому значення in vivo 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.

Шляхи окислення макроелементів.

Неефективність

Другий закон був розроблений в контексті промислової революції та спроби зрозуміти ефективність машин. Закон описує теоретичні обмеження ефективності двигунів, а також застосовується до живих (незворотних) систем. Другий закон говорить, що жодна машина не є повністю ефективною. Частина доступної енергії втрачається під час нагрівання та внутрішньої перебудови хімічних сполук та інших змін в ентропії. Іншими словами, хоча перший закон діє навіть у незворотних процесах - енергія все ще зберігається - другий закон говорить, що щось втрачено, щось непоправно. Ефективність машини залежить від того, як працює машина, а для біохімічної машини - від природи палива та процесів, які здійснює організм. Простий приклад - неефективність бензину з низьким випробуванням у бензинових двигунах із високим тиском. Якби "калорія - це калорія" була правдою, ніхто б не платив додатково за високоякісний бензин. (Значення калориметрів бензину будуть однаковими, незалежно від того, чи він містить антидетонаційну сполуку). Звичайно, при дієтах для схуднення неефективність бажана, і вона пов’язана з гормональним рівнем та активністю ферментів

Ефективність та термогенез

Залежність ефективних калорій від% вуглеводів при дієті на 2000 ккал. Ефективні калорії визначали шляхом віднімання втрат внаслідок термогенезу, як описано в тексті.

Рекомендації щодо боротьби з ожирінням часто вимагають невеликого зниження калорій [16]. Насправді, враховуючи стійкість систем стаціонарного стану до невеликих збурень, сумнівно, що це перспективна стратегія. Тим не менше, якщо взяти ціль за номінальну, якщо її можна було б досягти простою зміною складу макроелементів, такий метод представляється вартим серйозного розгляду. Наведені вище аргументи показують, що таке явище можливе. Існують правдоподібні аргументи того, як це могло відбутися, і вагомі експериментальні докази його виникнення [4].

Висновки

Огляд простих термодинамічних принципів показує, що зміна ваги при ізокалорійних дієтах, як очікується, не залежить від шляху (метаболізм макроелементів), і справді такий загальний принцип буде порушенням другого закону. Гомеостатичні механізми здатні забезпечити, що протягом великої частини часу вага не сильно коливається із зміною дієти - це можна сказати справжній «чудодійний метаболічний ефект», - але він має безліч винятків. Думка про те, що це теоретично потрібно у всіх випадках, помилково базується на рівновазі, оборотних умовах, які не виконуються для живих організмів, і недостатній оцінці другого закону. Другий закон термодинаміки говорить, що слід очікувати зміни ефективності для різних метаболічних шляхів. Таким чином, за іронією долі, вислів про те, що "калорія - це калорія", принципово порушує другий закон термодинаміки.

Наведений вище аналіз можна сказати надмірним, хоча в інтелектуальному порядку важливо не застосовувати закони термодинаміки неналежним чином. Однак є і практичні наслідки. Серйозність епідемії ожиріння свідчить про те, що ми атакуємо її усіма доступними засобами. Метаболічні переваги при дієтах з низьким вмістом вуглеводів добре відомі в літературі. Це відбувається не завжди, але важливим моментом є те, що воно може статися. Ігнорувати його можливості та не досліджувати точні умови, за яких це виявляється, означало б відрізати себе від потенційної вигоди. Ступінь, до якої метаболічні переваги матимуть значний вплив при лікуванні ожиріння, невідома, і в дослідженнях дієт з низьким вмістом вуглеводів широко говорять, що "потрібно зробити більше роботи". Однак, якщо помилкова думка буде продовжена, що є порушення фізичних законів, ця робота не буде виконана, а якщо буде виконана, буде опублікована через опір редакції. Напад на епідемію ожиріння призведе до відмови від багатьох старих ідей, які не дали результатів. "Калорія - це калорія" - це може бути гарним місцем для початку.