A fogyókúrás étrendek termodinamikája

Eugene J Fine

1 Nukleáris Medicina Tanszék, Jacobi Medical Center, Bronx, NY, USA

2 Biokémiai Tanszék, SUNY Downstate Medical Center, Brooklyn, NY 11203, USA

Richard D Feinman

3 Biokémiai Tanszék, SUNY Downstate Medical Center, Brooklyn, NY 11203, USA

Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyet a Creative Commons Nevezési Licenc (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0) feltételei szerint terjesztenek, és amely korlátlan felhasználást, terjesztést és sokszorosítást tesz lehetővé bármely adathordozón, feltéve, hogy az eredeti mű megfelelően idézve.

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 súlycsökkentés 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 izokaloros, alacsony zsírtartalmú étrendekhez képest, az úgynevezett anyagcsere-előny (lásd a 2. táblázat táblázatot). 2). 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?

2. táblázat

Izokaloros, alacsony szénhidráttartalmú (CHO) és magasabb szénhidráttartalmú vizsgálatok

Referencia	% CHO	% CHO	Wt. veszteség (kg) ± SEM	o
Alacsony	Magas	Alacsony CHO kar (alanyok száma)	Magas CHO kar
Rabast és mtsai (1978) [31]	10.	68	14.0 ± 1,4 (25)	9,8 ± 1,0 (20)	0.10
Rabast és mtsai (1981) [32]	12.	70	12.5 ± 0,9 (7)	9,5 ± 0,7 (7)	0. A növekvő entrópia leggyakoribb jelzője a hő, bár korántsem ez az egyetlen bizonyíték a fokozott entrópiára.

Állandó hőmérsékleten és nyomáson működő rendszerekben (azaz biológiai rendszerekben) az első és a második törvény a Gibbs-féle szabad energiában (ΔG) van kombinálva, amely a lehető legnagyobb hasznos munkát jelenti, amelyet a folyamat elvégezhet. 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 (ábra (1B ábra). 1B). (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 hagyományos (Atwater) glükózérték kb. 4 kilokalória energia/gramm (ábra (1A ábra). 1A). 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 . Az entrópia (vagyis a termodinamika második törvénye) ebben az eredménytelenségben jelenik meg. A kaloriméter hője már nem értelmezhető egyszerű módon. A hasznos ATP-ben tárolt energia 40% -os hatékonyságot képvisel (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 (ábra (1B ábra 1B).

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 azáltal, hogy megfelelően számolja a kiválasztott tömeget, valamint a nagy entrópia molekulákban kisugárzott és kivitt hőt.

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. (Ábra (1C ábra 1C).

Fogyás a megnövekedett anyagcsere-hatékonyság miatt

A termodinamika második törvényének lényege, hogy garantálja az összes anyagcsere-folyamat hatékonyságát. A hatékonyság változása azonban nem kizárt. Valójában a termodinamika törvényei hallgatnak 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

Asztal 1

Az út hatása az oxidáció energetikájára

Makrotáp és út	Tömeg	ATP/mol	Kcal/gm	Hatékonyság (%)
Glükóz → CO2	180	38	1.54	38.5
Glükóz → glikogén → glükóz → CO2	180	36	1.40	35
"Átlagos" AA → CO2	1.32	33
AA → Fehérje → AA → CO2	-4	1.08	27.
Palmitate → CO2	256	129	3.68	40,9
Palmitát → Keton → CO2	256	121	3.45	38.3

* Feinman, Fine: 2003: Metabolikus szindróma és kapcsolódó rendellenességek (1): 209–219 [2]

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.