Ноль калорий. Часть вторая: ноль пользы
Перед второй частью статьи хочу поблагодарить читателей, комментаторов и кураторов за проявленный интерес. Спасибо, ваше внимание и доверие - мотивация и благодарность для меня. Я буду продолжать этот блог и надеюсь, что буду поддерживать интерес и смогу рассказывать полезные вещи и дальше.
Уилбур Этуотер создал хорошую систему, первую внятную классификацию питательных веществ, обширную базу данных, на которой основаны все современные расчеты питательной ценности тех или иных продуктов. Но давайте подумаем немного: а насколько же она полезна на практике? Да-да, так часто бывает в науке, только мы все красиво и грамотно разложили по полочкам, как вдруг приходит одна деталька, не укладывающаяся в нашу красивую теорию, но настойчиво твердящая: возьми меня! Пристрой куда-то! Так релятивистские эффекты не укладываются в ньютоновскую механику, изотопы путали Менделеева при построении периодической системы элементов, и много других примеров.
С системой Этуотера, правда, не совсем так. Дело в том, что она имела законченную структуру и полную научную ценность – но чисто термохимическую ценность. В определенных пределах она очень хорошо описывала свойства пищи и ее основных компонентов: белков, жиров и углеводов. Но дальше начинались ограничения именно ее практического приложения.
Например, аналогия дыхания и полного окисления до максимальной степени. Для углерода это так, но для азота и серы это невозможно. Догадываетесь, почему? NO2 и SO3 ждет гидролиз и образование азотной и серной кислот. Да, так не бывает, азот, которого очень много в белках, выделяется в виде мочевины, солей аммония – то есть, никак не сгорает полностью.
Далее, есть несъедобные вещества, и речь не о любителях есть гвозди и прочее. Банальные целлюлозные структуры – трава, текстиль, бумага, древесина – не разлагаются в человеческом желудке, и даже в рубце у травоядных – с трудом. Нужно ли напоминать, с другой стороны, как охотно эти предметы горят? Ну и наконец, по Этуотеру, (энергия, получаемая с пищей) = (энергии, содержащейся в пище) – (энергия, теряемая в составе кала, мочи, выделений и газов). Здесь также есть проблемы чисто методического характера. Как учесть энергию, необходимую на выпаривание мочи перед сжиганием? Как измерить пот и газы (их обычно не учитывают)? Насколько удобно сжигать кал и опять же, как быть с азотом, который в организме недоокисляется, а тут будет сгорать?
Надо отдать Этуотеру должное, он разработал первый в своем роде респираторный калориметр. В отличие от описанной в прошлой статье калориметрической бомбы, в такой калориметр с внутренними габаритами около 1,2 на 2,4 метра можно было поместить целого человека, и вовсе не сжигать, а измерять выделяемое им тепло в спокойном состоянии и при различных физических нагрузках. Так ему удалось создать замкнутую систему, которая согласно первому закону термодинамики показывала превращения энергии из химической, в пище, в тепловую, в результате человеческой деятельности. Поддержание работы и проведение экспериментов на респираторном калориметре обходилось в $10000 в год, так что это был если и не БАК своего времени, то уж точно уникальный прибор с новым возможностями, на котором было проведено около 500 опытов начиная с 1896 года.
Ну а поскольку жиры и углеводы давали большее тепловыделение, по сравнению с белками, то Этуотер, будучи диетологом, создал довольно смелую непосредственную причинно-следственную связь: кто ест много энергонасыщенной пищи, тот потребляет больше топлива, чем перерабатывает, и толстеет. Заменяйте жиры и углеводы белками и пищевыми волокнами, господа и дамы – таков был его вывод. Да, и не пейте крепких напитков! Оказалось, что алкоголь сам по себе является очень калорийным – даже более, чем углеводы. Будучи порядочным ученым, Этуотер публиковал открыто все свои данные, и к его сильному огорчению, как члену Общества трезвенников и борца с алкоголизмом, эти данные стали использовать алкогольные компании в своей рекламе. Мол, смотрите, алкоголь – топливо для человека, а вы говорите, от него только вред! Наверное, это было первое в истории использование понятия калорийности в недобросовестной рекламе.
Но я ведь говорил в начале статьи, что все не так просто. Что доказал Этуотер? Что человек – это некий «черный ящик» по переработке пищи, и чем калорийнее пища (жирнее, углеводнее, алкогольнее), тем больше от человека исходит тепла/больше физических упражнений он может выполнить. И это согласуется со сжиганием самой пищи в калориметрической бомбе. Но ведь в основе этого всего – первый закон термодинамики, который гласит, что энергия не создается заново и не уничтожается, а только переходит в разные формы. И в термохимии он реализуется в виде закона Гесса.
Предположим, нам нужно превратить вещество А в вещество В. И мы можем сделать это в одну реакцию, а можем в три. Так вот, допустим, что вещество В получается сразу в одну стадию из А с выделением (знак +) тепла (Q1). Теперь получим вещество В из А в несколько стадий. Сначала затратим (знак -) тепло (Q2) на нагрев и превращение А в С, потом полученное вещество С нагреем еще (-Q3) до образования вещества D, из которого, с бурным выделением тепла (+Q4) получится вещество B. Так вот, закон Гесса говорит нам, что Q1 = - Q2 - Q3 + Q4, то есть, каким бы путем мы ни шли, тепловой эффект превращения А в В всегда один и тот же. Выходит, повторюсь, исследования Этуотера и понятие о калорийности пищи дают нам совершенно верную информацию о том, сколько энергии входит и выходит из человека в процессе питания, и ни капли не указывают на то, каким химическим превращениям подвергается эта самая пища! А имя этим реакциям – метаболизм.
Собственно, в организмах животных существуют два основных пути метаболизма – катаболизм (расщепление сложных веществ на более простые) и анаболизм (синтез необходимых организму веществ из ранее расщепленных простых – катаболитов). Если мы говорим только про то, на что непосредственно при расщеплении идет употребленная пища, то можно очень поверхностно и принципиально сказать о катаболизме основных типов питательных веществ углеводов, жиров и белков. А также – пару слов об энергетическом обмене.
Вы можете самостоятельно изучить такие понятия, как окислительное фосфорилирование, цикл Кребса, гликолиз, бета-окисление, и в большинстве случаев люди при виде этих цепочек реакций хватаются за голову. Но при описании этого всего тоже можно применить концепцию «черного ящика»: неважно, что там внутри. Главное – что на входе и на выходе.
Итак, прежде всего нужно объяснить такой важный момент. Организм – не колба с реактивами, и большинство химических реакций, с выделением тепла, окислительно-восстановительных, с образованием нерастворимых веществ он в себе выдержать не может. И в то же время эта система настолько сложна и приспособлена, выверена и стандартизирована, что изучать и познавать ее поистине удивительно. Вот и для сложных случаев, когда нужна энергия для проведения реакции, либо нужен транспорт для отведения этой энергии и передачи ее другим реакциям, у клеток живых организмов с самых древних времен есть специальное соединение: аденозинтрифосфат (АТФ).
АТФ – это некая «валюта», единица передачи энергии. Помните из прошлой статьи про энергию, запасенную в химических связях? Так вот, стандартной единицей энергии является энергия связи между вторым и третьим фосфатом (изредка второй фосфат тоже отщепляется):
Красным показаны эти энергонасыщенные (т. н. макроэргические) химические связи. Обычно один фосфатный остаток отщепляется от молекулы АТФ, превращая ее в аденозинДИфосфат – АДФ. Ее, в свою очередь можно снова превратить в «платежеспособную» энергетическую валюту АТФ, о чем будет идти речь ниже.
Так вот, как просто объяснить гликолиз – расщепление углеводов? Это расщепление одного из самых распространенных сахаров – глюкозы – на две молекулы пировиноградной кислоты. При этом на одну затраченную молекулу глюкозы образуется две молекулы АТФ. Соответственно, это быстрый путь получения энергии здесь и сейчас. В тканях, особенно в печени и мышцах, содержится полимеризованная глюкоза – гликоген. В печени она играет роль «водонапорной башни» или «расширительного бачка» для регулирования уровня глюкозы в крови. А в мускулатуре – топливного склада для интенсивных физических нагрузок. Поскольку именно за счет расщепления АТФ химическая энергия превращается в механическую энергию мускулов, запасы гликогена «на местах» в клетках мышц крайне важны. Поэтому при общем истощении и голодании человек чувствует слабость в мышцах – запасы гликогена истрачены и глюкоза вырабатывается уже внутри организма путем глюконеогенеза (но это уже анаболизм, а мы ведем речь о расщеплении веществ).
Так, а что насчет молекул АДФ? Действительно, чтобы не строить молекулу заново, АДФ «перезаряжают», но это – гораздо более сложный, а главное – медленный процесс, идущий в митохондриях клеток. Основной из этих процессов называется окислительным фосфорилированием. Делается это с помощью, опять же, молекулы глюкозы, расщепляемой на две молекулы уже другой, янтарной кислоты, а также молекул-переносчиков электронов и сложнейших мембранных белковых комплексов, из которых наиболее любопытный – АТФ-синтаза. Если это интересно, я могу написать об этом подробнее. Но если оставить детали и говорить опять о входе и выходе, то затраты одной молекулы глюкозы при окислительном фосфорилировании позволяют превратить в АТФ более 30 холостых молекул АДФ. Менее эффективным этот процесс делает только необходимость сложных превращений и транспортировки молекул в митохондрии и обратно, а также участие кислорода (а его доступ в ткани ограничен).
Теперь перейдем к жирам. Жиры – это эфиры глицерина и различных жирных кислот. Глицерин – это углеродный скелет из трех атомов с гидроксильной группой на каждом атоме. А эфиром он становится, когда кислород гидроксильной группы становится общим и у спирта, и у органической кислоты. Результат – жир – выглядит примерно так:
Если описывать буквально в двух словах, то процесс расщепления жиров – липолиза в организме начинается с отщепления жирных кислот от глицерина, а затем бета-окисления. Бета-окисление начинается активацией молекулы жирной кислоты молекулами АТФ. Затем идет полное окисление жирной кислоты до углекислого газа с выделением огромного количества АТФ – примерно от 100 до 150 молекул. И опять же, данный процесс идет снова внутри митохондрий, что требует времени и работы большого количества сложных белковых молекул, и транспорта жирных кислот и продуктов через митохондриальные мембраны.
Таким образом, если опираться на гликолиз, как процесс наиболее быстрого и местного выделения энергии (может идти здесь и сейчас, без участия кислорода), то окислительное фосфорилирование и бета-окисление чудовищно проигрывают ему в плане возможности отдать быстро то количество энергии, которое они производят из одной молекулы своего пищевого источника – полисахарида (углеводы) или триглицерида (жиры). Именно поэтому повышенное употребление углеводов и жиров приводит к такому диетическому дисбалансу и ожирению. Жиры в особенности являются колоссальным источником энергии, а при физической нагрузке первым влет расходуется гликоген мышц, затем – настает усталость из-за накопления в мышцах молочной кислоты (метаболита) и отсутствия запасов энергии, и уж только после этого начинается расщепление жиров для получения АТФ, глюконеогенеза глюкозы из глицериновых остатков. И это притом, что истощение запасов гликогена только заставляет «тронуться лед» жировых запасов, превышающих по потенциальной производительности АТФ гликолиз в 50-70 раз.
Дело не в калорийности самих продуктов! Дело в разной АТФ-генности разных типов пищи и доступности этих энергетических запасов для расщепления организмом! Хотя, энергия, выделяющаяся при сжигании пищевых веществ, все же коррелирует с энергией, извлекаемой из них нашим организмом.
Но теперь вы знаете, что в информации с этикеток про энергетическую ценность на самом деле ноль пользы, а еще, что ноль калорий принципиально не может быть. Что жирная пища - колоссальный запас энергии, и этот запас организм откладывает на самое потом из всех путей получения энергии.
Напоследок хочу сказать вот о чем. Я не рассказал вам про белки. Ешьте белковую пищу. Белки – это то, из чего мы состоим. Это – все-все функциональные молекулы в нашем организме. Белки состоят из аминокислот, как из кубиков Лего, они катаболизируются специальными ферментами на отдельные пептиды и аминокислоты, чтобы потом анаболизм построил из них все наше тело – лучшая иллюстрация пословицы «ты – то, что ты ешь». Белки – это основа всего живого, и из 20 различных аминокислот, из которых мы все с вами построены, только 12 могут синтезироваться в наших организмах. Остальные 8 мы просто обязаны получать с пищей для нормальной жизни, роста, развития. Обязательно ешьте полноценные животные белки, если у вас есть убеждения насчет угнетенного состояния сельскохозяйственных животных – ищите способ выразить ваши убеждения волонтерским трудом, активизмом, покупкой более дорогих продуктов, позиционирующих себя как заботящихся о животных на своих фермах, но никогда не экономьте на питании себя, своих близких и детей. Информация, которую я очень поверхностно изложил, правдива, доступна и проверяема. Обладая такой информацией вредить своему или чужому здоровью – преступно.