A fogyókúrás étrendek termodinamikája

Absztrakt

Háttér

Általában úgy tartják, hogy "a kalória egy kalória", vagyis hogy az azonos kalóriatartalmú étrend a makrotápanyagok összetételétől függetlenül azonos súlyváltozást eredményez, és gyakran fellebbeznek a termodinamika törvényeire. Korábban kimutattuk, hogy a termodinamika nem támasztja alá ezt a nézetet, és a különböző makrotápanyag-tartalmú étrendek várhatóan különböző változásokat idéznek elő a testtömegben. Különösen az alacsony szénhidráttartalmú diéták "anyagcsere-előnyre" hivatkoztak, ami nagyobb súlycsökkenést jelent, mint a magasabb szénhidráttartalmú izokalórikus étrendeknél. Ebben az áttekintésben a pedagógiai érthetőség érdekében átfogalmazzuk az elméleti vitát, hogy a termodinamikai hatékonyságot közvetlenül összekapcsoljuk a súly változásával. A probléma vázlata: Elméletileg lehetséges-e a metabolikus előny? Ha igen, milyen biokémiai mechanizmusokkal lehet ezt megalapozottan megmagyarázni? Végül milyen kísérleti bizonyítékok állnak rendelkezésre annak megállapítására, hogy előfordul-e vagy sem?

Eredmények

A csökkent termodinamikai hatékonyság fokozott fogyást eredményez. A termodinamika törvényei nem foglalkoznak a változó termodinamikai hatékonyság létezésével az anyagcsere folyamatokban. Ezért az ilyen változékonyság megengedett, és összefüggésbe hozható a lefogyott súly különbségeivel. A változó hatékonyság és az anyagcsere-előny megléte ezért inkább empirikus, mint elméleti kérdés, amelyet sok kísérleti izokalorikus tanulmány megerősít, a megfelelően elvégzett metaanalízisig. A mechanizmusok még nem ismertek, de metabolikus szinten hihető mechanizmusokat javasolnak.

Következtetések

Az étrendi manipuláció miatti változó termodinamikai hatékonyságot a fizikai törvények megengedik, sok kísérleti adat alátámasztja, és elfogadható mechanizmusokkal ésszerűen magyarázható.

Háttér

A szénhidrát-korlátozás, mint a fogyás általános stratégiája, továbbra is egyre népszerűbb, és a lipidprofilban és a glikémiás kontrollban való hasznossága és általában védő hatása továbbra is bizonyított, legalábbis kísérleti körülmények között [1–4]. A téma ennek ellenére továbbra is ellentmondásos. Azok a kritikusok, akik biztosítják az alacsony szénhidráttartalmú étrend hatékonyságát, azt állítják, hogy szigorúan kalóriakorlátozással járnak el, és a szénhidrát-csökkentésnek nincs különösebb hatása. A kalória-korlátozáson túl számos tanulmány kimutatta az alacsony szénhidráttartalmú étrend fokozott fogyását az alacsony zsírtartalmú izokalórikus étrendekhez képest, az úgynevezett anyagcsere-előny (lásd a 2. táblázatot). Bár egyértelmű kísérleti hibát nem mutattak be, a kritikusok továbbra is azt állítják, hogy valaminek bajban kell lennie, mert a termodinamika törvényeit megsértenék [5], hogy "a kalória egy kalória" [6] Korábban már bemutattuk [2, 7] hogy ez nem helyes, és itt szándékozunk áttekinteni az anyagcsere-előny jelenségének alapjául szolgáló alapvető fizikát. Vázlatot lehet leírni: Megtörténhet-e anyagcsere-előny? Ha igen, milyen mechanizmusok vezethetik egy ilyen jelenséget? Valójában előfordul-e?

Anyagcsere előny: megtörténhet-e?

Korábban már bemutattunk olyan érveket, amelyek szerint nincs megsértve a fizikai elvek [2, 7], és ironikus módon az, hogy a testtömeg változásának azt javasolva, hogy független legyen a makrotápanyagok összetételétől, maga is a termodinamika második törvényének megsértését jelentené [7]. Itt ezeket az érveket pedagógiai szempontból közvetlenebb módon fogalmazzuk meg, és egyszerű példákat hozunk fel.

A „kalória egy kalória” kifejezésben továbbra is megismétlődő félreértés a termodinamika első törvényére utal. Ennek az elméleti megközelítésnek az a nehézsége, hogy csak része a vonatkozó fizikának és a biológiai rendszerekhez való viszonyának. Az első törvény azt mondja, hogy bármilyen átalakításban a rendszer teljes energiája a rendszerhez adott hővel, a rendszer által a környezetével végzett munkával és a rendszer összes elemének energiatartalmának változásával számolható el. Fontos azonban megérteni, hogy az első törvény nem mondja meg, hogy ezeknek a hatásoknak milyen relatív eloszlása lesz bármely folyamat esetében. Valójában az első törvény még azt sem engedi megmondani, hogy a folyamat egyáltalán bekövetkezik-e. A fizikai változás előrehaladásának megértéséhez meg kell értenünk a második törvényt, amely bevezeti az entópiának nevezett entitást, S, az összes folyamat rendellenességének mértékét. Minden valós (irreverzibilis) folyamatban növekszik az entrópia, általában ΔS> 0. A növekvő entrópia leggyakoribb jelzője a hő, bár korántsem az egyetlen bizonyíték a fokozott entrópiára.

Állandó hőmérsékletű és nyomású rendszerekben (azaz biológiai rendszerek) az első és a második törvény a Gibbs-féle szabad energiában, ΔG, amely a maximális a folyamat által elvégezhető hasznos munka. A tényleges folyamat azonban általában kevésbé hasznos munkát eredményez, mint amennyit az elméletileg rendelkezésre álló ΔG megenged az energia-megkötés hatékonysága miatt. Meg kell adni az entrópia és a hatékonyság megfelelő elszámolását, ha meg akarjuk érteni az energia felhasználását a biológiai és biokémiai rendszerekben.

Biológiai rendszerek és termodinamika

A biológiai rendszerek tárgyalása során is fontos megérteni, hogy ezek nyitott rendszerek, azaz tápanyagokat és oxigént vesznek fel, és szén-dioxidot, vizet, karbamidot és egyéb salakanyagokat, valamint hőt választanak ki. A súly szempontjai szempontjából az a fontos, hogy a tömeg és az energia megmaradjon (a termodinamika első törvényének általánosabb megállapítása), de nem konzerválódnak teljesen a szervezetben.

A termodinamika első törvényének megfelelő értelmezésének szemléltetése céljából vegyünk figyelembe egy olyan alanyot, amelynek nyugalmi energiaköltségét 95 mol ATP termelése fedezi. Mivel egyetlen mol glükóz oxidációja 38 mol ATP-t eredményez, 2,5 mol glükózra lesz szükség az egyén nyugalmi energiaigényének kielégítéséhez. Fontos megjegyezni, hogy a keletkező szén-dioxid, víz és hő nem marad meg a szervezetben. A hasznos visszatartott energia 95 mol ATP-ben van (1B. Ábra). (Hasonló egyenleteket lehet írni lipidekre vagy fehérjékre is, de az egyszerűség kedvéért a glükózra szorítkozunk).

A fenti ábra összehasonlítható a glükóz oxidációjával egy kaloriméterben, amelyben nem nyerünk hasznos energiát, és az oxidáció teljes energiáját megtermelt hőként mérjük. Ez a folyamat teljesen hatástalan. A kaloriméterben kapott glükóz hagyományos (Atwater) értéke körülbelül 4 kilokalória energia/gramm (1A. Ábra). Ezzel szemben a fenti élő organizmus metabolizálja és oxidálja a glükózt, így az oxidációs energia körülbelül negyven százaléka megmarad hasznos ATP-ként (38 mol/mol glükóz)), míg hatvan százaléka hőként szabadul fel, ez az oxidációs mód hatástalansága . Ebben megjelenik az entrópia (vagyis a termodinamika második törvénye) eredménytelenség. A kaloriméter hője már nem értelmezhető egyszerű módon. A hasznos ATP-ben tárolt energia a hatékonyság 40% (figyelmen kívül hagyva a termékek és a reagensek szerkezete közötti entrópia különbségét). Ez az érték megközelíti a szénhidrátok és a lipidek oxidációjának hatékonyságát, míg a fehérjék általában alacsonyabb, körülbelül 30–35% -os értéken oxidálódnak (1B. Ábra).

Az élő szervezet termodinamikájának összefoglalása

1. A termodinamika második törvénye azt írja elő, hogy minden biológiai és biokémiai folyamatban elkerülhetetlen az anyagcsere-hatékonyság, hő- és magas entrópiamolekulákkal (szén-dioxid, víz, karbamid), mint leggyakoribb termékekkel.

2. A termodinamika első törvénye teljesül az élő (nyitott) rendszerekben a tömeg megfelelő elszámolásával ürült és a hő nagy entrópia molekulákban sugárzott és exportált.

Súlycsökkenés a csökkent kalóriabevitel miatt

A fogyás leggyakoribb példája a kalóriabevitel csökkentése. A túlzott leegyszerűsítés kockázatával, ha alanyunk kevesebb, mint 2,5 mol glükózt emészt le, és például csak 90 mol ATP-t termel az ételből, akkor a homeosztázisnak az endogén testraktárak felvételére lenne szüksége a további oxidációhoz. Ez az oxidáció további 5 mol szükséges ATP-t biztosít. A testraktárak oxidációja (lipid vagy sovány testtömeg) további szén-dioxid, karbamid, víz és hő termelését eredményezi. Ezen termékek kiválasztása súlycsökkenést eredményez. (1C. Ábra).

Fogyás a megnövekedett anyagcsere-hatékonyság miatt

A termodinamika második törvényének lényege, hogy az garantálja az összes anyagcsere-folyamat hatékonyságát. A hatékonyság változása azonban nem kizárt. Valójában a termodinamika törvényei az csendes a változó hatékonyság létezéséről. Ha a hatékonyság változhat (mint az oxidatív szétkapcsolás példájában), akkor a "kalória egy kalória" már nem igaz állítás. A fehérjék szétkapcsolásának szerepe az emberekben, amint jeleztük, még nem teljesen definiált [10]. A termodinamikai elvek azonban változtatható hatékonyságot tesznek lehetővé, és létezését empirikusan kell meghatározni.

Anyagcsere előny: hogyan történhetett meg?

Lehetséges, hogy az anyagcsere hatékonysága csökkenthető az oxidatív szétkapcsolással a fent leírtak szerint. Emberekben azonosítottak olyan polimorfizmusokat, amelyek összekapcsolják a fehérjék szétkapcsolását az elhízással vagy a súlygyarapodásra való hajlandósággal [11, 12], bár ezek nincsenek megalapozva, és az étrendi beavatkozás hatása ismeretlen. Más mechanizmusokat jobban megértünk és az alábbiakban ismertetjük.

A szubsztrát ciklus és a fehérjeforgalom

Thyrotoxicosis

A fehérje indukálta a fehérjeforgalmat

Glükoneogenezissel stimulált fehérjeforgalom a szénhidrát-korlátozásban

A krónikusan éheztetett, elhízott egyéneknél végzett éhezés klasszikus tanulmányaiból az alábbi hipotézist javasolják [27, 28]. Az agy anyagcseréje napi 100 gramm glükózt igényel. Az éhezés korai szakaszában a glikogénkészletek gyorsan csökkennek, így a glükózigényt a glükoneogenezis teljesíti. Körülbelül 15–20 gramm áll rendelkezésre a glicerin termeléséből a lipolízis következtében, de a zsírsav oxidációja általában nem használható glükóz előállítására. Ezért a fehérjebontásnak biztosítania kell a szubsztrát többi részét, hogy az éhezés korai szakaszában glükózzá alakuljon át. 6 hetes éhezésig a ketontestek és a glicerin pótolják az agy anyagcsereszükségletének 85% -át, a fennmaradó rész továbbra is a fehérje miatt bekövetkező glükoneogenezisből származik. Meg kell említeni, hogy mivel a ketonok alapvető szerepe a fehérjék kímélése, várható, hogy az idő múlásával a fehérjére való támaszkodás valójában csökken, talán a fogyás étrendjén a "falnak ütés" anekdotikus megfigyelésével kapcsolatban.

Anyagcsere előny: megtörténik-e?

Miután megállapítottuk, hogy nincs elméleti gátja az anyagcsere-előnynek, és hogy vannak olyan hihető mechanizmusok, amelyek ilyen hatással járhatnak, meg kell kérdeznünk, hogy kísérletileg bizonyítható-e, vagyis hogy a javasolt hatások elegendőek-e ahhoz, hogy gyakorlati szempontból hasznosak legyenek a súlycsökkentő stratégiák jellemzője, különös tekintettel a nagyon alacsony szénhidráttartalmú étrendre. Ha igen, akkor megnő a fogyás ugyanazon kalóriabevitel vagy anyagcsere előny szempontjából. Egy nemrégiben készült állatmodell alátámasztja az alacsonyabb szénhidráttartalmú étrenddel táplált patkányok nagyobb metabolikus hatékonyságát a magasabb szénhidráttal összehasonlítva, ami túlsúly csökkenéshez vezet [30]. A 2. táblázatban szereplő humán adatok 10 klinikai vizsgálatot mutatnak be az izokalorikus étrendekről, alacsonyabb és magasabb szénhidráttartalmú karokkal minden egyes kísérletben [31–40]. Látható, hogy az alacsonyabb szénhidráttartalmú kar 10 vizsgálatból 9-ben fokozott súlycsökkenést mutat a magasabb szénhidráttartalmú karhoz képest. A tanulmányok közül három statisztikai szignifikanciát mutat (a p. Binomiális együttható azt mutatja, hogy ez a valószínűség p

Következtetések

Hivatkozások

Westman EC, Mavropoulos J, Yancy WS, Volek JS: Az alacsony szénhidráttartalmú ketogén étrend áttekintése. Curr Atheroscler Rep. 2003, 5: 476-83.

Feinman RD, Fine EJ: Az alacsony szénhidráttartalmú diéták termodinamikája és metabolikus előnyei. Metabolikus szindróma és a kapcsolódó rendellenességek. 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: lipidek, szénhidrátok és szívbetegségek. Metabolikus szindróma és a kapcsolódó rendellenességek. 2003, 1: 185-188. 10.1089/154041903322716651.

Yancy WS, Westman EC, francia PA, Califf RM: Diéták és klinikai koszorúér-események: az igazság ott van. Keringés. 2003, 107: 10-6. 10.1161/01.CIR.0000049205.35749.00.

Buchholz AC, Schoeller DA: A kalória egy kalória? Am J Clin Nutr. 2004, 79: 899S-906S.

Bray GA: Alacsony szénhidráttartalmú étrend és a fogyás valósága. J Am Med Assoc. 2003, 289: 1853-1855. 10.1001/jama.289.14.1853.

Feinman RD, Fine EJ: "A kalória egy kalória" megsérti a termodinamika második törvényét. Nutr J. 2004, 3: 9-10.1186/1475-2891-3-9. http://www.nutritionj.com/content/3/1/9

Cannon B, Nedergaard J: Egy nem hatékony szövet biokémiája: barna zsírszövet. Esszék Biochem. 20, 110-64 (1985)].

Boehm EA, Jones BE, Radda GK, Veech RL, Clarke K: Fokozott leválasztási fehérjék és csökkent hatékonyság a palmitáttal perfundált hipertireózisú patkány szívében. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2001, 280 (3): H977-H983.

Hesselink MKC, Mensink M, Schrauwen P: Humán szétkapcsoló fehérje-3 és elhízás: frissítés. Elhízás-kutatás. 2003, 11 (12): 1429-1443.

Oppert JM, Vohl MC, Chagnon M, Dionne FT, Cassard-Doulcier AM, Ricquier D, Perusse L, Bouchard C: DNS polimorfizmus a szétkapcsolódó fehérje (UCP) génben és az emberi testzsírban. Int J Obes Relat Metab Disord. 1994, 18: 526-31.

Nagai N, Sakane N, Ueno LM, Hamada T, Moritani T: A szétkapcsolódó protein-1 gén -3826 A → G változata csökkenti az étkezés utáni termogenezist az egészséges fiúk magas zsírtartalmú étkezése után. J Clin Endocrinol Metab. 2003, 88 (12): 5661-5667. 10.1210/jc.2003-030672.

Morowitz H: A bioenergetika alapjai. 1978, New York: Academic Press

Voet D, Voet JG: A biokémia alapjai. 2004, New York: John Wiley és Sons, 3

Silva JE: A pajzsmirigyhormon termogén hatása és klinikai következményei. Ann Intern Med. 2003, 139: 205-13.

Anthony JC, Anthony TG, Layman DK: A leucin-kiegészítés fokozza a vázizmok helyreállítását patkányokban a testmozgás után. J Nutr. 1999, 129: 1102-6.

Anthony JC, Anthony TG, Kimball SR, Jefferson LS: A vázizom fehérjeszintézisének transzlációs szabályozásában szerepet játszó jelátviteli utak leucin által. J Nutr. 2001, 131: 856S-860S.

Layman DK: A leucin szerepe a fogyókúrás étrendben és a glükóz homeosztázisban. J Nutr. 2003, 133: 261S-267S.

Johnston CS, Day CS, Swan PD: Az étkezés utáni termogenezis 100% -kal megnő a magas fehérjetartalmú, alacsony zsírtartalmú étrendben, szemben a magas szénhidráttartalmú és alacsony zsírtartalmú étrenddel egészséges, fiatal nőknél. J Am Coll Nutr. 2002, 21: 55-61.

Robinson SM, Jaccard C, Persaud C, Jackson AA, Jequier E, Schutz Y: Fehérjeforgalom és termogenezis válaszként a magas fehérjetartalmú és magas szénhidráttartalmú táplálkozásra férfiaknál. Am J Clin Nutr. 1990, 52: 72-80.

Karst H, Steiniger J, Noack R, Steglich HD: Az étrend által kiváltott termogenezis az emberben: egyes fehérjék, szénhidrátok és zsírok hőhatása energiamennyiségüktől függően. Ann Nutr Metab. 1984, 28: 245-52.

Westerterp KR, Wilson SA, Rolland V: A diéta indukálta 24 órán át mérhető termogenezis légzőkamrában: a diéta összetételének hatása. Int J Obes Relat Metab Disord. 1999, 23: 287-92. 10.1038/sj.ijo.0800810.

Young VR, Yu Y-M, Fukagaw NK: Az egész test energiája és a nitrogén (fehérje) Reationships. In: Energiacsere. Szövetdeterinánsok és sejtkövetkezmények. Szerkesztette: Kinney JM, Tucker HN. 1992, New York: Raven Press, 139-161.

Waterlow JC: Fehérjeforgalom, különös tekintettel az emberre. Q J Exp Physiol. 1984, 69: 409-38.

Muramatsu T, Takai D, Kita K, Okumura J: Az egész test fehérjebontásának in vivo mérésének vizsgálata a csirkében. Int. J. Biochem. 1990, 22: 153-8. 10.1016/0020-711X (90) 90282-8.

White RG, Hume ID, Nolan JV: Az energiafogyasztás és a fehérjeforgalom három wallabies fajban (Marsupialia: Macropodidae). J Comp Physiol [B]. 1988, 158: 237-46.

Owen OE, Morgan AP, Kemp HG, Sullivan JM, Herrera MG, Cahill GF: Az agy metabolizmusa koplalás alatt. J Clin Invest. 1967, 46: 1589-95.

Cahill GF: Éhezés az emberben. 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: Az izokalorikus étrend szénhidrát-variációinak hatása a glikogenolízisre és a glükoneogenezisre egészséges férfiaknál. J Clin Endocrinol Metab. 2000, 85: 1963-7. 10.1210/jc.96.5.5.1963.

Marsset-Baglieri A, Fromentin G, Tomei D: A fehérje növelése szénhidrátmentes étrendben fokozza a zsírveszteséget patkányok 35% -os, de 75% -os energiakorlátozása során. Journal of Nutrition. 2004, 134: 2646-2652.

Rabast U, Kasper H, Schonborn J: Összehasonlító vizsgálatok elhízott alanyoknál, akiknek korlátozott szénhidráttartalmú és magas szénhidráttartalmú 1000 kalóriatartalmú étrendet fogyasztottak. Nutr Metab. 1978, 22: 269-77.

Rabast U, Hahn A, Reiners C, Ehl M: A pajzsmirigyhormon-változások elhízott alanyoknál koplalás és nagyon alacsony kalóriatartalmú étrend alatt. Int J Obes. 5, 305-11 (1981)].

Golay A, Eigenheer C, Morel Y, Kujawski P, Lehmann T, de Tonnac N: Fogyás alacsony vagy magas szénhidráttartalmú étrend mellett ?. Int J Obes Relat Metab Disord. 1996, 20: 1067-72.

Golay A, Allaz AF, Morel Y, de Tonnac N, Tankova S, Reaven G: Hasonló fogyás alacsony vagy magas szénhidráttartalmú étrend esetén. 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: A hipokaloros magas fehérjetartalmú étrend javítja a glükóz-oxidációt és megkíméli a sovány testtömeget: összehasonlítás a magas -Szénhidrát diéta. Anyagcsere. 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: Az étrendi szénhidrát és a fehérje csökkent aránya javítja a testösszetételt és a vér lipidprofilját a felnőtt nők fogyása során. J Nutr. 2003, 133: 411-7.

Lean ME, Han TS, Prvan T, Richmond PR, Avenell A: Fogyás magas és alacsony szénhidráttartalmú 1200 kcal-os étrend mellett szabadon élő nőknél. 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: Magas fehérjetartalmú és magas szénhidráttartalmú hipoenergetikus étrend elhízott hiperinsulinémiás alanyok kezelésére. Int J Obes Relat Metab Disord. 1999, 23: 1202-6. 10.1038/sj.ijo.0801064.

Young CM, Scanlan SS, Im HS, Lutwak L: A testösszetétel és egyéb paraméterek hatása elhízott fiatal férfiaknál a csökkentett étrend szénhidrátszintjében. Am J Clin Nutr. 1971, 24: 290-6.

Greene P, Willett W, Devecis J, Skaf A: Kísérleti 12 hetes táplálás fogyás összehasonlítása: alacsony zsírtartalmú és alacsony szénhidráttartalmú (ketogén) diéták. Elhízás-kutatás. 2003, 11: A23-