"A kalória egy kalória" megsérti a termodinamika második törvényét

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 szemben áll a táplálkozási és orvosi létesítmények többségének régóta érvényes ajánlásaival (pl., 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. Az iróniás következtetés az, hogy az izokalórikus étrenden történő súlygyarapodás elvének meg kell felelnie mindig független legyen a makrotápanyagok összetételétől, a termodinamika második törvényét sértené.

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). Amikor a "törvényről" beszélünks a termodinamika szempontjából "fontos megbizonyosodni arról, hogy az egyik magában foglalja a második törvényt is. Az első törvény jellegében nagyon eltér a második törvénytől [9, 11, 12]. Az első törvény természetvédelmi törvény: azt mondja, hogy a forma energia változhat, de a teljes mindig konzerválódik.A második törvény a eloszlás törvény: meghatároz egy mennyiséget, az entrópiát, S-t, amelyet hagyományosan rendellenességgel vagy nagy valószínűséggel azonosítunk. A második törvény azt mondja, hogy bármely (valódi) irreverzibilis folyamatban az entrópiának növekednie kell (ΔS> 0); az egyensúly az nem várt. 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 lehet útfüggetlen, és minden étrend esetében azonos, úgy gondolja, hogy ez azt jelenti, hogy a szénhidrát és a fehérje egyenértékű tüzelőanyag, amint azt az 1. ábra mutatja. A diagram ezt mutatja, ez egy állapotváltozó, az 1. út szabad energiájának (ΔG ') meg kell egyeznie a 2 + 3 út energiájának energiájával. Ha az 1. és 2. út ΔG' értékeit a kaloriméterértékeiknek vesszük, akkor ezek kb. egyenlő (

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 glükoneogeneziséhez körülbelül 6 ATP szükséges [13, 14]. Természetesen a szabad energiák koncentrációtól függenek, tehát in vivo az értékek eltérnek a standard állapotértékektől, de ezek a koncentrációk folyamatos függvényei, és számos olyan feltétel áll fenn, amelyek mellett a ΔG 'nem nulla. Más szavakkal, annak feltételezése, hogy a fehérje és a szénhidrát energetikailag egyenértékű, ellentmondáshoz vezet.