время чтения: 26 минут
2314 просмотров
24 октября 2023

От массы к энергии: основы физиологии калорий

От массы к энергии: основы физиологии калорий
AleksandarGeorgiev
iStock

Автор — Грег Наколс.

Люди, скептично настроенные по отношению к калориям, спрашивают, почему мы используем именно эту единицу энергии для прогнозирования изменения массы тела. В этой статье мы рассмотрим весь путь массы в организме и объясним, как она неразрывно связана с энергией.

Ключевые моменты:

  1. Калории — это единица тепла, при этом потребление и расход калорий используются для изменения массы тела. Это может показаться странным (использовать понятия “тепло” и “масса” как взаимозаменяемые) — но лишь при отсутствии базовых знаний о физиологии обмена веществ.
  2. В начале статьи мы не будем рассматривать понятие “калория”, а лишь проследим за тем, какой путь масса проходит по телу с момента, как вы кладете пищу в рот, и до ее выведения из организма.
  3. До выведения потребляемая пища используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ), который клетки вашего организма используют для обеспечения практически всех основных функций.
  4. АТФ не используется на 100% эффективно, и при каждом использовании часть энергии выделяется в виде тепла. Это ключевой момент, который связывает массу и тепло, что дает нам возможность изменять вес тела за счет подсчета и контроля потребления и расхода калорий.

Калории используют для описания энергетической ценности пищи и затрат на физические нагрузки по меньшей мере с 1800-х годов (1, 2), и с тех пор множество исследований подтвердило, что энергетический баланс является основным фактором, определяющим долгосрочные изменения массы тела (3).

Как бы то ни было, скептики все равно существуют. Нам скептицизм нравится, и мы понимаем, почему у некоторых людей возникают вопросы, ведь, в конце концов, калории — единицы измерения тепла (показывают количество энергии, необходимое, чтобы повысить температуру 1 кг воды на 1 градус Цельсия). Калории измеряются в продуктах питания путем сжигания в калориметрической бомбе. В случае с людьми измеряется количество выделяемого нами тепла. Человеческий организм извлекает энергию из пищи более сложным способом, нежели огонь. При этом человеческое тело, конечно, устроено сложнее прихотливого обогревателя, поэтому определенный скептицизм вполне уместен.

В начале этой статьи мы полностью проигнорируем понятия энергии и тепла и полностью сосредоточимся на более конкретном понятии массы. Как она поглощается организмом и выводится из него? Когда вы поймете, каким образом организм набирает и теряет массу, вам будет гораздо легче понять, почему именно калория, единица тепловой энергии, служит достоверным и надежным показателем.

И еще кое-что, прежде чем мы начнем: если вы уже пользуетесь моделью “потребление калорий — расход калорий” (Calories in – Calories out, CICO), статья все равно будет вам небесполезна. Начнем с того, что в ней мы опишем некоторые интересные факты из области физиологии, которые вы наверняка не знали. Кроме того, наша линия аргументации поможет и вам объяснить скептикам базовые принципы CICO.

Откуда приходит и куда уходит масса?

Тело состоит из множества тканей и веществ, но подавляющую часть массы тела составляют мышцы, жировая ткань, кости, органы и, конечно, вода внутри клеток. При отсутствии серьезных заболеваний органы и кости не способны значительно меняться в весе (это относительно: конечно, они могут становиться легче или тяжелее на несколько фунтов, но в этих колебаниях все равно будут определенные пределы) — и по этой причине мы, по большей части, не будем обращать на них внимание. Мы коротко остановимся на воде, потому что изменения в гидратации влияют на вес только в краткосрочной перспективе, но долгосрочного эффекта оказать не могут. При снижении веса вы будете терять воду, при увеличении — набирать, но в средней и долгосрочной перспективе процентное содержание воды в организме остается достаточно постоянным. Серьезные колебания массы тела в средней и долгосрочной перспективе в первую очередь обусловлены изменениями в мышечной и жировой массе, поэтому мы сосредоточим свое внимание именно на них.

Давайте же рассмотрим, как из еды получается масса, из которой формируется ваша мышечная и жировая ткань.

Когда мы принимаем пищу, она распадается до базовых строительных блоков: белки расщепляются до аминокислот, сложные углеводы расщепляются до простых сахаров (чтобы в итоге превратиться в глюкозу), а жиры расщепляются до свободных жирных кислот. Эти простые строительные блоки (а также витамины и минералы, содержащиеся в пище) в основном транспортируются по кишечнику и затем направляются в печень (углеводы и белки — по венам, жиры — по лимфатическим сосудам). Клетчатка проходит через стенки тонкого кишечника без распада, но иногда все же распадается до жирных кислот в толстом кишечнике; они, в свою очередь, тоже транспортируются в печень.

Уточним: я сказал, что аминокислоты, жирные кислоты и простые сахара по большей части транспортируются через стенки кишечника в систему кровообращения. Небольшая их часть не всосется и окажется в кале (4). У здоровых людей, питающихся нормально, эта часть будет относительно небольшой (хотя она может несколько увеличиться, если вы едите много нерастворимой клетчатки). Однако при ряде заболеваний или при избыточном потреблении жиров организм может выделять чуть больше съеденного. Обычно это сопровождается диареей или стеатореей (при особом желании можете на свой страх и риск зугуглить, что это такое). Если у вас нормальный кал — беспокоиться не о чем. То, что выходит вместе с калом, не учитывается в потреблении калории (или, иными словами, потреблении массы). До тех пор, пока потребляемое не проникло сквозь стенки кишечника, оно не считается попавшим внутрь организма). Весь ваш пищеварительный тракт, от рта до ануса, непрерывно связан с внешним миром. “Внутренний” мир начинается под кожей и внутри кишечника.

Теперь, когда масса оказалась внутри тела, вам придется выбрать что-то из следующих действий:

  1. Хранить ее.

  2. Использовать.

  3. Избавиться от нее.

Хранение

Аминокислоты используются для построения и восстановления белков. В норме количество белка, которое производит организм, примерно равно количеству белка, который он расщепляет за определенный период времени. Это означает, что чистого изменения массы не происходит. Однако если есть спусковой механизм, в результате которого синтезируется гораздо больше белка, чем тратится (как, например, когда спусковым механизмом служит силовая тренировка, во время которой в мышцах синтезируется больше сократительных и структурных белков). Часть этих аминокислот войдет в новые синтезированные белки, что приведет к наращиванию массы. 

По большей части глюкоза хранится в виде гликогена (длинной, разветвленной цепи молекул глюкозы) в двух местах: в печени и скелетных мышцах. В печени может храниться около 100 г глюкозы, в мышцах — еще 300-600 г. Это зависит от того, насколько вы успели подкачаться. Каждый грамм гликогена притягивает около 3-4 г воды (5), поэтому переход от максимального запаса гликогена к нулевому может изменить массу тела на ~3,5 кг (~7-8 фунтов), однако емкость запасов гликогена изменяется не слишком сильно и потому не может быть причиной долгосрочных изменений в массе тела.

Наконец, свободные жирные кислоты преобразуются в триглицериды и транспортируются в мышцы и жировые клетки. Жир в мышцах может храниться как внутриклеточно, так и внеклеточно. Внутриклеточный жир считается "хорошим", поскольку обеспечивает мышцам легкий доступ к сжиганию жиров во время тренировки. Внеклеточный жир — "плохой", потому что провоцирует воспаления и метаболические заболевания. Подавляющее большинство жировых запасов хранится в виде триглицеридов в специальных жировых отложениях под кожей или вокруг органов. В отличие от белков и гликогена, организм способен накапливать и впоследствии избавляться от огромного количества жирных кислот.

1.png

Использование

Почти за все интересные процессы в организме отвечают белки, поэтому я не буду слишком подробно останавливаться на "использовании" аминокислот: это превратит небольшую статью в небольшую библиотеку.

Глюкоза и жирные кислоты в первую очередь используются для производства аденозинтрифосфата (АТФ), необходимого организму в качестве энергии для практически всех миллиардов химических реакций, протекающих внутри него в каждый момент времени. Конечными продуктами их распада являются углекислый газ (CO2) и вода (H2O). Аминокислоты также могут быть использованы для производства АТФ. Сначала их необходимо дезаминировать (удалить ту часть аминокислоты, что содержит азот), после чего оставшиеся кусочки могут быть использованы для тех же реакций, в результате которых образуются АТФ, CO2 и H2O.

Наконец, при недостатке аминокислот, жирных кислот или глюкозы организм может синтезировать недостающий макронутриент из других источников, которых у него много. Все три питательных вещества могут расщепляться и образовывать пируват, молекулу, находящуюся на "метаболическом перекрестке". Пируват может использоваться для производства большего количества глюкозы в процессе глюконеогенеза (что происходит чаще при очень высоком потреблении белка и очень низком потреблении углеводов), большего количества жирных кислот в процессе липогенеза de novo (что часто происходит при излишнем потреблении углеводов) и большего количества аминокислот (что часто происходит при недостаточном потреблении белка). Кроме того, пируват может использоваться для образования кетонов для производства АТФ.

2.png

Выведение

Все станет понятно на этом этапе. Я думаю, что чаще всего людям непонятно, куда на самом деле уходит масса при похудении. Большая ее часть покидает организм либо через выдох, либо через мочеиспускание. CO2, образующийся при производстве АТФ из глюкозы, жирных кислот или аминокислот, транспортируется в легкие и выдыхается. Азотсодержащие частицы расщепленных аминокислот попадают в печень и превращаются в мочевину, а затем выводятся с мочой вместе с водой, образующейся при производстве АТФ (6).

Вспомним: пища попадает в вас через рот, и затем большая часть углеводов, белков и жиров поступает в кровь в виде глюкозы, аминокислот и триглицеридов. Аминокислоты могут входить в состав новых белков, глюкоза может запасаться в виде гликогена, а триглицериды — в жировой ткани. Из этих трех вариантов синтез и распад белков, а также увеличение и уменьшение накопленного жира могут способствовать долгосрочным изменениям массы, в то время как изменения накопленного гликогена будут влиять лишь на краткосрочные колебания массы. Когда глюкоза, аминокислоты и жирные кислоты расщепляются для производства АТФ, основными побочными продуктами становятся H2O, CO2 и мочевина. Эта масса выводится из организма через выдох и мочеиспускание.

3.pngСвязь между массой и энергией

К этому моменту вы уже должны были хорошо понять, какой маршрут масса проходит через тело, что позволяет нам вернуться к главному вопросу: как это связано с калориями, единицами измерения тепла?

Ключ к этому вопросу — АТФ. Вспомним: глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты расщепляются и производят АТФ до того, как их побочные продукты (H2O, CO2 и мочевина) покинут организм. АТФ служит источником энергии почти для всех химических реакций в организме. При этом производство и использование АТФ эффективно не на 100%. АТФ служит источником энергии почти для всех химических реакций в организме. Около 40%  энергии идет на выполнение полезной работы, а остальные 60% рассеиваются в виде тепла (т. е. калорий; 8). Важно, что эффективность этих реакций неизменно составляет ~40% независимо от того, из чего синтезировалась АТФ — из распада аминокислот, глюкозы или жирных кислот (9). Наконец, при использовании АТФ теряется еще некоторое количество тепла; кстати, эффективность использования АТФ также составляет около 40% (40% энергии используется для выполнения полезной работы, а 60% теряется в виде тепла).

Таким образом, определенная масса аминокислот, глюкозы или жирных кислот может использоваться для производства определенного количества АТФ, а относительно фиксированная часть энергии, идущая на производство и использование АТФ, будет рассеиваться в виде тепла. Ваш организм может произвести примерно одинаковое количество АТФ (и, соответственно, тепла) из 1 г глюкозы и 1 г аминокислот, поэтому их энергоемкость одинакова и составляет 4 калории на грамм. С другой стороны, из 1 г жира можно получить чуть более чем в два раза больше АТФ, чем из 1 г глюкозы или аминокислот, поэтому жир рассчитывается как 9 калорий на грамм (7).

Поскольку масса макроэлементов в пище или в тканях организма сопряжена с выработкой АТФ, а использование АТФ сопряжено с выделением тепла, разница между потреблением и расходом энергии служит отличным показателем изменения массы.

4_.pngЯ надеюсь, что эта статья прояснит, почему для набора или потери веса мы говорим о калориях — или хотя бы даст вам полезную аргументацию в споре со скептиками CICO. Во второй части статьи я расскажу о том, почему этот процесс может быть сложнее и почему CICO может иногда давать сбои, несмотря на очевидную точность.

Примечание: впервые эта статья была опубликована в Томе 1, выпуске 8 MASS Research Review

Оригинал: https://www.strongerbyscience.com/energy-balance-calories/

Источники:
1.

Hargrove JL. History of the calorie in nutrition. J Nutr. 2006 Dec;136(12):2957-61.

2.

Levine JA. Measurement of energy expenditure. Public Health Nutr. 2005 Oct;8(7A):1123-32.

3.

Howell S, Kones R. “Calories in, calories out” and macronutrient intake: The Hope, Hype, and Science of Calories. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2017 Aug 1:ajpendo.00156.2017. doi: 10.1152/ajpendo.00156.2017.

4.

Encyclopedia Britannica. Feces. 2017.

5.

Olsson KE, Saltin B. Variation in total body water with muscle glycogen changes in man. Acta Physiol Scand. 1970 Sep;80(1):11-8.

6.

A note about ketones: some amino acids and fatty acids are converted to ketones before being metabolized as energy. Some of those ketones may wind up in your urine, which can be detected with Ketostix. However, even if you’re eating a ketogenic diet and you have a relatively high concentration of ketones in your urine (i.e. 15mg/dL or 1.5mmol/L), you’d be excreting less than 1/4g of ketones per day, assuming a normal urine output of 1.5L per day. Another byproduct of ketone metabolism is acetone. You exhale a bit of acetone and sweat out a bit more, but most of it will leave your body via urine as well.

7.

Food and Agricultural Organization of the United Nations. Calculation of the Energy Content of Food.

8.

Nath S. The thermodynamic efficiency of ATP synthesis in oxidative phosphorylation. Biophys Chem. 2016 Dec;219:69-74. doi: 10.1016/j.bpc.2016.10.002. Epub 2016 Oct 15. PMID: 27770651.

9.

Anaerobic energy production is less efficient than aerobic energy production, but since aerobic energy production accounts for such an overwhelmingly large proportion of total energy production, getting into the weeds of anaerobic ATP production wouldn’t provide much additional clarity.

Показать еще
связаться с редакцией
У вас есть пожелания и вопросы по блогу, напишите их нам, мы постараемся учесть.
стать автором
Вам интересна тема, умеете работать с текстом — у нас есть для вас предложение.
предложить тему
Поделитесь с нами, о чем бы вы хотели почитать в нашем блоге.
Спасибо за подписку!
Мы рады, что вы с нами
Подпишитесь на новости!
Отправляя форму, я даю согласие на обработку персональных данных