От массы к энергии: основы физиологии калорий

Автор — Грег Наколс.

Ключевые моменты:

1. Калории, по сути, представляют собой меру энергии, которая измеряется в единицах тепла. Баланс между поступлением и расходованием этих единиц энергии напрямую влияет на изменения массы тела. Хотя с первого взгляда может показаться необычным связывать понятия «тепло» и «масса», эта связь становится очевидной при рассмотрении основ физиологии метаболизма.
2. Вместо того, чтобы углубляться в само определение «калории», мы сосредоточимся на отслеживании перемещения и трансформации пищи в организме, начиная с момента ее попадания в ротовую полость и заканчивая ее выведением.
3. Перед тем, как пища будет выведена, она служит источником для синтеза аденозинтрифосфата (АТФ) — универсальной энергетической валюты, которую клетки организма используют для поддержания всех жизненно важных процессов.
4. Важно понимать, что процесс использования АТФ не является абсолютно эффективным. При каждом биохимическом превращении часть энергии рассеивается в виде тепла. Именно этот момент является критическим для установления связи между массой и тепловой энергией, позволяя нам отслеживать и регулировать вес тела через контроль потребления и затрат калорий.

Начиная с XIX века, калории служат мерой энергетической ценности пищи и физических затрат, и многочисленные исследования с тех пор подтвердили, что энергетический баланс является ключевым фактором, влияющим на долгосрочные изменения веса тела.

Несмотря на это, скептицизм остается. Нам, как авторам, нравится конструктивный скептицизм, и мы понимаем его происхождение, ведь калории, по сути, являются единицами измерения тепла. В продуктах они определяются путем сжигания в калориметрической бомбе, а для человека — измерением выделяемого тепла. Однако организм извлекает энергию из пищи более сложным путем, чем простой огонь, и, учитывая сложность человеческого тела, определенная доля сомнений вполне оправдана.

В данной статье мы временно отойдем от концепций энергии и тепла, чтобы сосредоточиться на более конкретном аспекте — массе: как она усваивается и выводится организмом. Понимание механизмов набора и потери массы поможет осознать, почему калория, будучи единицей тепловой энергии, так надежно отражает эти процессы.

И еще одно: даже если вы уже придерживаетесь модели «потребление калорий — расход калорий» (CICO), эта статья все равно будет для вас полезной. Мы поделимся интересными физиологическими фактами, которые могут быть вам неизвестны, а также предоставим аргументы, которые помогут объяснить базовые принципы CICO скептически настроенным собеседникам.

Откуда приходит и куда уходит масса?

Человеческий организм представляет собой сложную систему, состоящую из разнообразных элементов, однако его общую массу в основном формируют мышечные волокна, жировые отложения, костная структура, внутренние органы и внутриклеточная жидкость. При отсутствии патологических состояний, вес внутренних органов и костей остается достаточно стабильным, демонстрируя лишь незначительные флуктуации. Поэтому в дальнейшем анализе мы уделим этим компонентам минимальное внимание. Вода, хоть и играет важную роль, в контексте долгосрочных изменений массы тела оказывает лишь временное влияние. Несмотря на то, что водный баланс может варьироваться (уменьшаться при похудении и увеличиваться при наборе веса), его общее содержание в организме остается относительно постоянным на протяжении длительного времени. Следовательно, существенные изменения веса в более длительной перспективе напрямую связаны с трансформациями мышечной и жировой массы. Именно на этих двух составляющих мы и сконцентрируем наше дальнейшее рассмотрение.

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

Прием пищи запускает процесс ее расщепления на фундаментальные компоненты. Белки трансформируются в аминокислоты, комплексные углеводы – в простые сахара (основным из которых является глюкоза), а жиры — в свободные жирные кислоты. Эти элементарные составляющие, наряду с витаминами и минералами, поступают в кишечник. Оттуда они направляются в печень: углеводы и белки – посредством венозной системы, жиры – через лимфатические сосуды. Клетчатка, не подвергаясь расщеплению в тонком кишечнике, может частично трансформироваться в жирные кислоты в толстом кишечнике, после чего также попадает в печень.

Следует отметить, что аминокислоты, жирные кислоты и простые сахара преимущественно всасываются в кровоток через стенки кишечника. Незначительная их часть выводится из организма с калом. У здоровых людей, соблюдающих сбалансированное питание, эта доля невелика, хотя может возрастать при употреблении большого количества нерастворимой клетчатки. Однако при определенных патологиях или чрезмерном потреблении жиров, экскреция этих веществ может увеличиваться, что зачастую сопровождается диареей или стеатореей. При нормальном стуле поводов для беспокойства нет. Иначе говоря, вещества, не покинувшие просвет кишечника, не считаются усвоенными организмом и не влияют на подсчет калорий или массы. Весь пищеварительный тракт, от полости рта до ануса, является продолжением внешнего мира. Истинное проникновение в организм происходит лишь под кожей и через стенки 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 служат строительным материалом для белков и участвуют в их восстановлении. В нормальном состоянии организм поддерживает баланс между производством и распадом белка, что исключает существенные изменения в общей массе. Однако, при наличии стимула, например, силовых тренировок, когда синтез сократительных и структурных белков в мышцах значительно превышает их распад, происходит прирост массы. Часть аминокислот направляется на создание новых белковых структур, что и объясняет это увеличение.

Основная часть глюкозы запасается в виде гликогена, представляющего собой разветвленную цепь глюкозных молекул, в печени и скелетных мышцах. В печени накапливается около 100 граммов глюкозы, а в мышцах – от 300 до 600 граммов, в зависимости от уровня тренированности. Каждый грамм гликогена способен удерживать примерно 3-4 грамма воды, поэтому полная исчерпание запасов гликогена может привести к снижению массы тела на 3,5 кг. Тем не менее, объем гликогеновых хранилищ не подвержен значительным колебаниям, поэтому этот фактор не объясняет долгосрочные изменения веса.

Свободные жирные кислоты трансформируются в триглицериды и перемещаются к мышечным и жировым клеткам. Жир в мышцах может локализоваться как внутри клеток, так и вне их. Внутриклеточный жир считается полезным, так как обеспечивает быстрый доступ к энергии для мышц во время физической активности. Внеклеточный жир, напротив, провоцирует воспалительные процессы и метаболические нарушения. Основная масса жировых запасов представлена триглицеридами, хранящимися в специализированных жировых депо под кожей или вокруг внутренних органов. В отличие от белков и гликогена, организм обладает высокой способностью к накоплению и последующему расходованию значительных количеств жирных кислот.

 

Использование

Практически все важные биохимические превращения в организме функционируют благодаря белкам. Исходя из этого, я не буду углубляться в сложности превращения аминокислот, так как это раздуло бы объем статьи до размеров энциклопедии.

Энергетическая единица организма, аденозинтрифосфат (АТФ), производится в основном за счет глюкозы и жирных кислот. Этот процесс обеспечивает энергией бесчисленное множество реакций, происходящих в теле ежесекундно. Конечными продуктами такого распада становятся углекислый газ и вода. Аминокислоты также могут быть подвергнуты трансформации для синтеза АТФ. Предварительно их необходимо подвергнуть дезаминированию — процессу удаления азотосодержащей группы. Оставшиеся фрагменты затем вступают в те же метаболические пути, что и глюкоза с жирами, приводя к образованию АТФ, CO2 и H2O.

При дефиците любого из этих трех основных макронутриентов — белков, жиров или углеводов — организм способен синтезировать недостающее вещество из других имеющихся ресурсов. Все три типа питательных элементов могут быть расщеплены до пирувата, ключевой молекулы на метаболическом перекрестке. Пируват служит отправной точкой для производства глюкозы (глюконеогенез), что активизируется при высоком потреблении белка и низком — углеводов. Он также может трансформироваться в жирные кислоты (липогенез de novo), что чаще наблюдается при избытке углеводов. Кроме того, пируват участвует в синтезе аминокислот, что актуально при недостаточном поступлении белка с пищей. Наконец, пируват может быть преобразован в кетоновые тела, служащие для генерации АТФ.

 

Выведение

На этом этапе все станет очевидным. Чаще всего люди недоумевают, куда же на самом деле девается масса тела при снижении веса. Основная ее часть покидает организм двумя путями: с выдыхаемым воздухом и с мочой. Углекислый газ, который формируется при производстве АТФ из глюкозы, жиров или аминокислот, транспортируется кровью к легким и выходит наружу при выдохе. Азотсодержащие компоненты разрушенных аминокислот, пройдя через печень, превращаются в мочевину и затем выводятся из организма в составе мочи вместе с водой, образующейся в процессе синтеза АТФ (6).

Вспомним, как это работает: пища, попадая в организм через рот, в основном расщепляется до глюкозы, аминокислот и триглицеридов, которые затем всасываются в кровь. Аминокислоты могут использоваться для построения новых белков, глюкоза — запасаться в виде гликогена, а триглицериды — откладываться в жировой ткани. Из этих трех вариантов, изменение синтеза и распада белков, а также накопление или потеря жира, могут приводить к долгосрочным изменениям веса, тогда как колебания уровня гликогена влияют лишь на краткосрочные вариации массы. При расщеплении глюкозы, аминокислот и жирных кислот для получения АТФ, основными побочными продуктами являются вода, углекислый газ и мочевина. Эта масса выводится из тела с выдохом и при мочеиспускании.

 

Связь между массой и энергией

К настоящему моменту уже должно быть ясно, какой путь проходит масса в организме, что подводит нас к ключевому вопросу: как это связано с калориями, единицами тепловой энергии?

Суть этого вопроса заключается в АТФ. Как мы помним, глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты подвергаются расщеплению, производя АТФ, прежде чем их конечные продукты (вода, углекислый газ и мочевина) покинут тело. АТФ является источником энергии для практически всех биохимических процессов. Важно отметить, что производство и использование АТФ не является 100% эффективным. Примерно 40% энергии идет на выполнение полезной работы, а оставшиеся 60% рассеиваются в виде тепла (то есть калорий). Примечательно, что эффективность этих реакций остается неизменной (~40%) независимо от того, из чего синтезировалась АТФ — из аминокислот, глюкозы или жирных кислот. Кроме того, при потреблении АТФ также происходит потеря части энергии в виде тепла; эффективность использования АТФ также составляет около 40% (40% энергии направляется на полезную работу, а 60% теряется как тепло).

Таким образом, определенное количество аминокислот, глюкозы или жирных кислот может быть преобразовано в определенное количество АТФ, а относительно постоянная доля энергии, затрачиваемая на синтез и использование АТФ, будет рассеиваться в виде тепла. Ваш организм способен произвести примерно одинаковое количество АТФ (и, соответственно, тепла) из 1 грамма глюкозы и 1 грамма аминокислот, поэтому их энергетическая ценность одинакова и составляет 4 калории на грамм. С другой стороны, 1 грамм жира позволяет получить более чем в два раза больше АТФ, чем 1 грамм глюкозы или аминокислот, что соответствует 9 калориям на грамм.

Поскольку масса макронутриентов в пище или в тканях тела связана с генерацией АТФ, а потребление АТФ — с выделением тепла, разница между потреблением и расходом энергии служит надежным индикатором изменений массы тела.

Я надеюсь, стало понятно, почему для набора или потери веса мы говорим о калориях! 

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

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