"A kalória egy kalória" megsérti a termodinamika második törvényét

Richard D Feinman

1 Biokémiai Tanszék, New York-i Állami Egyetem Downstate Medical Center, Brooklyn, NY 11203 USA

Eugene J Fine

1 Biokémiai Tanszék, New York-i Állami Egyetem Downstate Medical Center, Brooklyn, NY 11203 USA

2 Nukleáris Medicina Tanszék, Jacobi Medical Center, Bronx, NY 10461 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 médiumban, feltéve, hogy az eredeti mű megfelelően idézik.

Absztrakt

A "kalória egy kalória" elve, miszerint a hipokalorikus étrendek súlyváltozása független a makrotápanyagok összetételétől, széles körben elterjedt a népszerű és a szakirodalomban, és gyakran a termodinamika törvényeihez való fellebbezéssel indokolják. Itt tekintjük át a termodinamika néhány aspektusát, amelyek befolyásolják a fogyást és a makrotápanyagok összetételének hatását. A hangsúly az úgynevezett anyagcsere-előny az alacsony szénhidráttartalmú étrendben - nagyobb súlycsökkenés a különböző összetételű izokalórikus étrendekhez képest. A termodinamika két törvénye releváns a táplálkozásban figyelembe vett rendszerek szempontjából, és míg az első törvény az (energia) megőrzésének törvénye, a második egy disszipációs törvény: valami (negatív entrópia) elvész, és ezért az egyensúly nem várható diétás beavatkozások. Javasoljuk, hogy a második törvény félreértése magyarázza a makrotápanyagok súlycsökkenésre gyakorolt szerepével kapcsolatos vitát, és tekintsük át az elemi termodinamika néhány szempontját. Az irodalom adatait felhasználva bizonyítjuk, hogy a termogenezis elegendő a metabolikus előny megjóslásához. Míg a homeosztázis sok körülmények között biztosítja az egyensúlyt, általános elvként a "kalória egy kalória" megsérti a termodinamika második törvényét.

Felülvizsgálat

Az elhízás járványának közelmúltbeli tudata egybeesik az alacsony szénhidráttartalmú diéták népszerűségének drámai növekedésével, és hozzájárulhatott ehhez. Ez a lakosság jelentős részének táplálkozási szokásainak gyors megváltozása és az élelmiszeripar virtuális forradalma szokatlan, mivel közvetlenül ellentétes a táplálkozási és orvosi létesítmények többségének régóta fennálló ajánlásaival (pl. [1], 2]). Elszigetelt példák ellenére, például Walter Willet nemrégiben megjelent szerkesztősége rámutat az alacsony szénhidráttartalmú étrend megértésének szükségességére [3], a táplálkozási szakemberek vagy az egészségügyi szervezetek még mindig kevéssé fogadják el őket. Ezeknek a diétáknak az egyik szempontja, amely különösen ellentmondásos, az úgynevezett anyagcsere-előny - az az elképzelés, hogy a nagyobb szénhidráttartalmú étrendekhez képest több kalória fogyhat.

A metabolikus előnyök korábbi áttekintésében [4] megmutattuk, hogy valójában nincs elméleti megsértés a termodinamika törvényeiben, és elfogadható mechanizmust biztosítottunk. Általában a glükoneogenezis útjai, amelyek szükségesek a kötelező glükóz ellátásához (pl. Az agy és a központi idegrendszer számára), a megnövekedett fehérjeforgalommal kombinálva számolhatnak a hiányzó energiával. Itt egyszerűsítjük a termodinamikai érvelést, és áttekintünk néhány vonatkozó alapelvet. Megmutatjuk továbbá, hogy a hagyományos táplálkozási szakirodalom jól megalapozott adatai megjósolják az anyagcsere előnyét, és senki sem csodálkozhat. Ironikus következtetés az, hogy az az elv, miszerint az izokalórikus étrenden történő súlygyarapodásnak mindig függetlennek kell lennie a makrotápanyagok összetételétől, megsértené a termodinamika második törvényét.

Mit értünk a "kalória egy kalória?"

Termodinamika

Az az elképzelés, hogy "a kalória egy kalória", a termodinamika törvényeinek félreértéséből fakad. A termodinamikának két törvénye van. (A hőmérséklet fogalmát létrehozó nulladik törvény és az abszolút nullát leíró harmadik törvény itt nem releváns). A "termodinamika törvényeiről" szólva fontos megbizonyosodni arról, hogy az egyik a második törvényt is tartalmazza. Az első törvény jellegében nagyon eltér a második törvénytől [9,11,12]. Az első törvény egy természetvédelmi törvény: azt mondja, hogy az energia formája változhat, de a teljes mindig konzervált. A második törvény disszipációs törvény: meghatározza a mennyiséget, az entrópiát, S-t, amelyet hagyományosan rendezetlenséggel vagy nagy valószínűséggel azonosítunk. A második törvény azt mondja, hogy bármely (valódi) irreverzibilis folyamatban az entrópiának növekednie kell (ΔS> 0); egyensúly nem várható. Az entrópia valójában azonosítható az irreverzibilitással.

Fontos megérteni, hogy ez a második törvény vezérli a kémiai reakciókat. Az első törvény egy könyvelési törvény, amely azt mondja nekünk, hogy a munkának, a hőnek és a kémiai összetétel változásának tulajdonított összes energia állandó lesz. Nem árulja el, hogy bekövetkezik-e egy ilyen reakció, vagy ha mégis, akkor milyen lesz az energiaformák relatív eloszlása. A reakció bekövetkezésének tendenciájának megjóslásához alkalmaznunk kell a második törvényt, amely szerint az entrópiának növekednie kell. Kémiai reakcióban, állandó hőmérsékleten és nyomáson, az entrópiás és az energetikai hatásokat a Gibbs-féle szabad energia változásába, ΔG kombinálják, amelynek jele megjósolja a reakció irányát, és amelynek nagysága a reakcióból megvalósítható munka maximális mennyiségét jelzi.

A ΔG alkalmazása

A "kalória egy kalória" következményeinek megértése érdekében az energiahozam útvonaltól független lehet, és minden étrend esetében azonos, úgy gondolja, hogy ez azt jelenti, hogy a szénhidrát és a fehérje egyenértékű üzemanyag, amint azt az 1. ábra mutatja. 1. A diagram azt mutatja, hogy mivel ez egy állapotváltozó, az 1. út szabad energiájának (ΔG ') meg kell egyeznie a 2 + 3. Út energiájával. Ha az 1. és a 2. út ΔG' értékeit a kaloriméterüknek vesszük értékek, akkor körülbelül egyenlőek lesznek (

4 kcal/g, az 1. út korrigálva volt az ureagenezishez). Ez azt jelenti, hogy a 3. út ΔG '-jának a fehérje szénhidráttá történő átalakulásának (szintén korrigálva) körülbelül nullának kell lennie. Van legalább egy feltétel, ahol ez nem igaz, a standard állapot; általában úgy vélik, hogy az egy mol alanin glükoneogenezise körülbelül 6 ATP-t igényel [13,14]. Természetesen a szabad energiák koncentrációtól függenek, így az in vivo értékek eltérnek a standard állapotértékektől, de ezek a koncentrációk folyamatos függvényei, és számos olyan körülmény áll fenn, amelyek mellett a ΔG 'nem nulla. Más szavakkal, annak feltételezése, hogy a fehérje és a szénhidrát energetikailag egyenértékű, ellentmondáshoz vezet.

A makrotápanyagok oxidációjának útjai.

Eredménytelenség

A második törvényt az ipari forradalom és a gépek hatékonyságának megértésére tett kísérlet keretében dolgozták ki. A törvény leírja a motorok hatékonyságának elméleti korlátjait, és érvényes az élő (irreverzibilis) rendszerekre is. A második törvény szerint egyetlen gép sem teljesen hatékony. A rendelkezésre álló energia egy része hőveszteségként, a kémiai vegyületek belső átrendeződésében és az entrópia egyéb változásaiban veszít el. Más szavakkal, bár az első törvény még visszafordíthatatlan folyamatokban is érvényes - az energia még mindig konzerválódik -, a második törvény azt mondja, hogy valami elveszett, valami helyrehozhatatlan. A gép hatékonysága függ a gép működésétől, biokémiai gépnél pedig az üzemanyag jellegétől és a szervezet által felvett folyamatoktól. Egyszerű példa az alacsony tesztű benzin hatékonysága a nagy sűrítésű benzinmotorokban. Ha a "kalória kalória" igaz lenne, senki sem fizetne külön a magas tesztbenzinért. (A benzin kaloriméter-értékei ugyanazok lesznek, függetlenül attól, hogy antikockás vegyületet tartalmaznak-e). A fogyókúrás étrendeknél természetesen kívánatos az eredménytelenség, amely a hormonális szinthez és az enzimaktivitásokhoz kötődik

Hatékonyság és termogenezis

A hatékony kalóriák függése a szénhidrát% -ától 2000 kcal-os étrendben. Az effektív kalóriákat a termogenezis miatti veszteségek kivonásával határoztuk meg, a szövegben leírtak szerint.

Az elhízás elleni küzdelemre vonatkozó ajánlások gyakran a kalória kismértékű csökkentését teszik szükségessé [16]. Valójában, tekintettel az egyensúlyi állapotú rendszerek kis zavarokkal szembeni ellenállására, kétséges, hogy ez egy ígéretes stratégia. Mindazonáltal, ha a célt névértéken vesszük, ha a makrotápanyagok összetételének egyszerű megváltoztatásával elérhető lenne, egy ilyen módszer komoly megfontolásra érdemesnek tűnik. A fenti érvek azt mutatják, hogy ilyen jelenség lehetséges. Vannak elfogadható érvek a megvalósulásának módjáról, és jelentős kísérleti bizonyítékok vannak annak előfordulására [4].

Következtetések

Az egyszerű termodinamikai elvek áttekintése azt mutatja, hogy az izokalorikus étrendek súlyváltozása várhatóan nem lesz független az úttól (a makrotápanyagok metabolizmusától), és egy ilyen általános elv valóban a második törvény megsértését jelentené. A homeosztatikus mechanizmusok képesek biztosítani, hogy sok esetben a testsúly nem ingadozik sokat az étrend változásával - ez mondhatni az igazi "csodálatos anyagcsere-hatás" -, de sok kivétel alól van szó. Az az elképzelés, hogy erre elméletileg minden esetben szükség van, tévesen egyensúlyon, reverzibilis állapotokon alapszik, amelyek nem állnak fenn az élő szervezetek esetében, valamint a második törvény elégtelen értékelésén. A termodinamika második törvénye szerint a különböző anyagcsere-utak hatékonyságának változása várható. Így ironikus módon az a diktum, miszerint a "kalória egy kalória", elvben sérti a termodinamika második törvényét.

A fenti elemzés túlzottan megölhetőnek mondható, bár intellektuálisan fontos, hogy a termodinamika törvényeit ne helytelenül hívjuk fel. Ennek azonban vannak gyakorlati következményei is. Az elhízás-járvány súlyossága azt sugallja, hogy minden rendelkezésünkre álló eszközzel megtámadjuk. Anyagcsere-előny alacsony szénhidráttartalmú étrend esetén az irodalomban jól megalapozott. Nem mindig fordul elő, de az a fontos, hogy előfordulhat. Ha figyelmen kívül hagyjuk annak lehetőségeit, és nem vizsgáljuk meg azokat a pontos feltételeket, amelyek mellett úgy tűnik, elválasztanánk magunkat a potenciális haszontól. Nem ismert, hogy az anyagcsere-előny mennyire lesz jelentős hatással az elhízás kezelésére, és az alacsony szénhidráttartalmú diéták tanulmányaiban széles körben elhangzott, hogy "több munkát kell elvégezni". Ha azonban a téves elképzelés fennmarad a fizikai törvények megsértése miatt, akkor a munkát nem fogják elvégezni, és ha elkészül, akkor a szerkesztőségi ellenállás miatt publikálatlan marad. Az elhízási járvány megtámadása sok régi ötlet feladását vonja maga után, amelyek nem voltak eredményesek. A "kalória egy kalória" lehet jó hely a kezdéshez.