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.

Начало тут.

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.