Калория равна калории, но это не точно
Нам всем привычны значения калорийности “9/4/4” для жиров, углеводов и белков. Знаете, откуда они взялись? Нет, это не количество энергии, выделяющееся при сжигании этих питательных веществ в калориметре. Из калориметра мы достанем 9.4 ккал на грамм жиров, 4.1 ккал на грамм углеводов и щедрые 5.65 ккал на грамм белков. Примерно. Точные значения будут зависеть от жирнокислотного и аминокислотного состава конкретного жира и белка, а также от степени полимерности и разветвленности углевода. А 9/4/4-то откуда взялись?
Эти цифры нам известны благодаря работам американского химика Уилбура Олина Этуотера, он кстати большая шишка в нутрициологии. Этуотер посвятил кучу времени изучению того, как наше тело получает энергию из питательных веществ. В конце 19го века Этуотер вместе с физиком Эдвардом Беннетом Розой и физиологом Фрэнсисом Гано Бенедиктом соорудили первый калориметр, в котором мог жить человек. В этом самом калориметре учёные впервые измерили уровень метаболизма человеческого тела через выделяемое тепло (это собственно то, что называют “прямая калориметрия”) и доказали, что первое начало термодинамики применимо к человеку, а не только к животным. Да, тогда считали, что человек в вопросах преобразования энергии какой-то особенный. С помощью этих исследований Этуотер определил так называемые коэффициенты усвояемости питательных веществ, которые и преобразовали 9.4/4.1/5.65 в 9/4/4. Та система, которой мы сегодня пользуемся для подсчета калорий из продуктов питания, называется “системой Этуотера”.
Энергия, которую мы получаем из еды — это энергия химических связей между атомами в молекулах питательных веществ. И вполне логично, что не все химические связи из этих молекул мы можем использовать. Например, в отличие от связей между атомами углерода и водорода, которые мы полностью окисляем до углекислого газа и воды, наше тело ничего не может сделать со связями N-H в аминогруппах белков. Нет у нас таких ферментов, поэтому аминогруппы мы просто-напросто теряем в составе мочевины. А калориметр аминогруппы окислить может, оттого такая большая разница между сжиганием белка в калориметре и в теле. В случае углеводов и жиров потери гораздо меньше, но они тоже есть. Вот например, гликозидные связи между моносахаридами в углеводах энергоёмкие? А как же, любые связи энергоёмкие, но энергию от разрыва гликозидных связей мы не запасаем, она просто рассеивается в виде тепла, запасать энергию мы начинаем внутри клетки, а не в просвете ЖКТ. Добрый Этуотер за нас всё посчитал и привёл к “9/4/4”. Таким образом, в системе Этуотера мы оперируем так называемой метаболизируемой энергией — то есть той энергией, которую тело может использовать после учета потерь (через тепло, испарения с поверхности кожи, через кишечник, почки и тд).
Окей, у нас есть метаболизируемая энергия, которую мы хотим потратить, допустим, на сокращение мышцы. Но молекулярный мотор мышцы, миозин, не щёлкает непосредственно глюкозу как орешки, чтоб переводить энергию химических связей в энергию механическую. Как орешки миозин щёлкает АТФ. Соответственно, энергию химических связей из молекул моносахаридов, аминокислот и жирных кислот нужно перевести в энергию химических связей в молекуле АТФ. Это обмен валют такой. Не будете вы в токийском супермаркете тенге расплачиваться, вам их сперва нужно обменять на иены.
Нам всем привычны значения калорийности “9/4/4” для жиров, углеводов и белков. Знаете, откуда они взялись? Нет, это не количество энергии, выделяющееся при сжигании этих питательных веществ в калориметре. Из калориметра мы достанем 9.4 ккал на грамм жиров, 4.1 ккал на грамм углеводов и щедрые 5.65 ккал на грамм белков. Примерно. Точные значения будут зависеть от жирнокислотного и аминокислотного состава конкретного жира и белка, а также от степени полимерности и разветвленности углевода. А 9/4/4-то откуда взялись?
Эти цифры нам известны благодаря работам американского химика Уилбура Олина Этуотера, он кстати большая шишка в нутрициологии. Этуотер посвятил кучу времени изучению того, как наше тело получает энергию из питательных веществ. В конце 19го века Этуотер вместе с физиком Эдвардом Беннетом Розой и физиологом Фрэнсисом Гано Бенедиктом соорудили первый калориметр, в котором мог жить человек. В этом самом калориметре учёные впервые измерили уровень метаболизма человеческого тела через выделяемое тепло (это собственно то, что называют “прямая калориметрия”) и доказали, что первое начало термодинамики применимо к человеку, а не только к животным. Да, тогда считали, что человек в вопросах преобразования энергии какой-то особенный. С помощью этих исследований Этуотер определил так называемые коэффициенты усвояемости питательных веществ, которые и преобразовали 9.4/4.1/5.65 в 9/4/4. Та система, которой мы сегодня пользуемся для подсчета калорий из продуктов питания, называется “системой Этуотера”.
Энергия, которую мы получаем из еды — это энергия химических связей между атомами в молекулах питательных веществ. И вполне логично, что не все химические связи из этих молекул мы можем использовать. Например, в отличие от связей между атомами углерода и водорода, которые мы полностью окисляем до углекислого газа и воды, наше тело ничего не может сделать со связями N-H в аминогруппах белков. Нет у нас таких ферментов, поэтому аминогруппы мы просто-напросто теряем в составе мочевины. А калориметр аминогруппы окислить может, оттого такая большая разница между сжиганием белка в калориметре и в теле. В случае углеводов и жиров потери гораздо меньше, но они тоже есть. Вот например, гликозидные связи между моносахаридами в углеводах энергоёмкие? А как же, любые связи энергоёмкие, но энергию от разрыва гликозидных связей мы не запасаем, она просто рассеивается в виде тепла, запасать энергию мы начинаем внутри клетки, а не в просвете ЖКТ. Добрый Этуотер за нас всё посчитал и привёл к “9/4/4”. Таким образом, в системе Этуотера мы оперируем так называемой метаболизируемой энергией — то есть той энергией, которую тело может использовать после учета потерь (через тепло, испарения с поверхности кожи, через кишечник, почки и тд).
Окей, у нас есть метаболизируемая энергия, которую мы хотим потратить, допустим, на сокращение мышцы. Но молекулярный мотор мышцы, миозин, не щёлкает непосредственно глюкозу как орешки, чтоб переводить энергию химических связей в энергию механическую. Как орешки миозин щёлкает АТФ. Соответственно, энергию химических связей из молекул моносахаридов, аминокислот и жирных кислот нужно перевести в энергию химических связей в молекуле АТФ. Это обмен валют такой. Не будете вы в токийском супермаркете тенге расплачиваться, вам их сперва нужно обменять на иены.
А будут ли у нас потери по ходу конвертации энергии из питательных веществ в энергию АТФ? Во-первых, да, тепловые, нет ни одной химической реакции с КПД 100%. Во-вторых, важнее не столько тепловые потери, сколько энергетические "инвестиции" в окисление нутриентов, чтоб в конечном итоге получить прибыль — АТФ. Например, при полном окислении молекулы глюкозы можно собрать урожай из 32-34 АТФ. Это брутто прибыль. Но чтоб "разорвать" кольцо глюкозы нужно затратить 2 молекулы АТФ. Это налог. И за вычетом этого налога мы получим нетто прибыль — 30-32 молекулы АТФ. А вот среднестатистическая нетто прибыль с одной молекулы аминокислоты — 22 АТФ, потому что инвестиции в окисление аминокислот выше. Правильнее, конечно, пересчитывать прибыль в АТФ не на молекулу нутриента, а на один углеродный атом в ней. Так, на один С атом жирной кислоты мы получаем нетто 6.6 молекул АТФ, на один С атом глюкозы — 5.3, а на один С атом аминокислоты (вернее, усреднённое по всем аминокислотам, так как они все очень разные) — лишь 3.9.
Внимание, вопрос. Так можем ли мы из 1г углеводов и из 1г белков выжать одинаковое количество килокалорий — 4? По системе Этуотера — да, по факту — нет. Потому что система Этуотера оперирует брутто метаболизируемой энергией. А корректнее оперировать нетто метаболизируемой энергией (НМЭ). То есть той, которая конвертировалась в АТФ за вычетом всех налогов. Так вот по системе НМЭ калорийность жиров и углеводов практически не меняется, а для белков падает до 3.2 ккал на грамм. И нет, это не мои фантазии, вы можете подробно почитать о НМЭ и об аргументах за использование этой системы на сайте FAO — продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН. А ведь НМЭ ещё и не учитывает бОльших энергозатрат на метаболизм белка, чем на метаболизм углеводов и жиров. Чем выше потребление белка, тем выше его оборот — то есть синтез новых и разрушение старых белковых структур. Синтез белка - матричный процесс: сначала нужно синтезировать мРНК с ДНК, потом белок с мРНК, на это тратится много молекул АТФ. Протеолиз белка в протеасоме тоже энергетически дорог. То же самое и с обезвреживанием токсичного аммиака — продукта отщепления аминогрупп, не включившихся в азотсодержащие молекулы. Аммиак нужно включить в мочевину, это не бесплатно. А чем выше абсолютное потребление белка или пропорция его в рационе — тем больше всех вышеописанных операций телу нужно совершить. Практические подтверждения мы найдем в исследованиях, где вроде как энергетически эквивалентная (на ту же калорийность, то бишь) замена жиров и/или углеводов белком приводит к бОльшим потерям жировой массы. “Вроде как энергетически эквивалентная” здесь ключевое. Мы теперь понимаем, что это по системе Этуотера она эквивалентная, а по НМЭ — нет. Так что магии здесь никакой, только биохимия и физиология.
С полимерными углеводами, кстати, тоже не так просто. Углеводы — очень гетерогенная по строению группа. В завсимости от ветвления полисахаридной цепи мы либо можем расщеплять их собственными ферментами (крахмал, гликоген), либо ферментами бактерий толстого кишечника (частично усвояемые волокна), либо вообще никакими ферментами (неусвояемые волокна). Очевидно, из последних мы никакой энергии не усвоим. Из одного грамма частично усвояемых получим 2.6 ккал по системе Этуотера и 1.9 ккал по системе НМЭ, так как Этуотер не учитывает использование части энергии самими бактериями. Они ж благотворительностью не занимаются, они волокна расщепляют, чтоб самим поесть, а нам скармливают остаточные метаболиты — махонькие жирные кислоты. Кислотки, я бы даже сказала — ацетат, пропионат и бутират.
Внимание, вопрос. Так можем ли мы из 1г углеводов и из 1г белков выжать одинаковое количество килокалорий — 4? По системе Этуотера — да, по факту — нет. Потому что система Этуотера оперирует брутто метаболизируемой энергией. А корректнее оперировать нетто метаболизируемой энергией (НМЭ). То есть той, которая конвертировалась в АТФ за вычетом всех налогов. Так вот по системе НМЭ калорийность жиров и углеводов практически не меняется, а для белков падает до 3.2 ккал на грамм. И нет, это не мои фантазии, вы можете подробно почитать о НМЭ и об аргументах за использование этой системы на сайте FAO — продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН. А ведь НМЭ ещё и не учитывает бОльших энергозатрат на метаболизм белка, чем на метаболизм углеводов и жиров. Чем выше потребление белка, тем выше его оборот — то есть синтез новых и разрушение старых белковых структур. Синтез белка - матричный процесс: сначала нужно синтезировать мРНК с ДНК, потом белок с мРНК, на это тратится много молекул АТФ. Протеолиз белка в протеасоме тоже энергетически дорог. То же самое и с обезвреживанием токсичного аммиака — продукта отщепления аминогрупп, не включившихся в азотсодержащие молекулы. Аммиак нужно включить в мочевину, это не бесплатно. А чем выше абсолютное потребление белка или пропорция его в рационе — тем больше всех вышеописанных операций телу нужно совершить. Практические подтверждения мы найдем в исследованиях, где вроде как энергетически эквивалентная (на ту же калорийность, то бишь) замена жиров и/или углеводов белком приводит к бОльшим потерям жировой массы. “Вроде как энергетически эквивалентная” здесь ключевое. Мы теперь понимаем, что это по системе Этуотера она эквивалентная, а по НМЭ — нет. Так что магии здесь никакой, только биохимия и физиология.
С полимерными углеводами, кстати, тоже не так просто. Углеводы — очень гетерогенная по строению группа. В завсимости от ветвления полисахаридной цепи мы либо можем расщеплять их собственными ферментами (крахмал, гликоген), либо ферментами бактерий толстого кишечника (частично усвояемые волокна), либо вообще никакими ферментами (неусвояемые волокна). Очевидно, из последних мы никакой энергии не усвоим. Из одного грамма частично усвояемых получим 2.6 ккал по системе Этуотера и 1.9 ккал по системе НМЭ, так как Этуотер не учитывает использование части энергии самими бактериями. Они ж благотворительностью не занимаются, они волокна расщепляют, чтоб самим поесть, а нам скармливают остаточные метаболиты — махонькие жирные кислоты. Кислотки, я бы даже сказала — ацетат, пропионат и бутират.
Только вот вы мне скажите, вы когда пищевую ценность брокколи, бородинского хлеба или яблока смотрите, вы точно знаете, какая пропорция пищевых волокон из них неусвояемая, а какая частично усвояемая? Это раз. Два — пищевые волокна снижают всасываемость жиров и белков в кишечнике, таким образом косвенно понижая их калорийность. Зато какашки у нас становятся калорийнее за счет этих потерь. Соответственно, чем больше волокон в рационе, тем меньше энергии мы способны экстрагировать из белков и жиров.
Так что да, употреблённая калория равна калории. Только не по системе Этуотера, а с учётом потерь через выделительные системы, АТФ-инвестиций в окисление и отсроченных энергозатрат на метаболизм нутриента, аминокислотного состава конкретного белка и жирнокислотного состава конкретного жира, косвенного влияния одних веществ на биодоступность других, особенностей физиологии конкретного человека (лактазная недостаточность, атрофия эпителия кишечника, нелеченный диабет 1 типа и тд). Сможете ли вы всё это учесть? В полевых условиях — естественно, нет. Стоит ли из-за этого переживать? Тоже нет. Стоит ли заменять все остальные питательные вещества белком и добавлять 200% клетчатки к рациону? Боже упаси. Стоит просто помнить о том, что наше тело круче и интереснее, чем мы привыкли думать.
Так что да, употреблённая калория равна калории. Только не по системе Этуотера, а с учётом потерь через выделительные системы, АТФ-инвестиций в окисление и отсроченных энергозатрат на метаболизм нутриента, аминокислотного состава конкретного белка и жирнокислотного состава конкретного жира, косвенного влияния одних веществ на биодоступность других, особенностей физиологии конкретного человека (лактазная недостаточность, атрофия эпителия кишечника, нелеченный диабет 1 типа и тд). Сможете ли вы всё это учесть? В полевых условиях — естественно, нет. Стоит ли из-за этого переживать? Тоже нет. Стоит ли заменять все остальные питательные вещества белком и добавлять 200% клетчатки к рациону? Боже упаси. Стоит просто помнить о том, что наше тело круче и интереснее, чем мы привыкли думать.
Калория равна калории, но это не точно. Часть 2
В прошлом посте мы поговорили, откуда взялась система калорийности “4/9/4” для белков/жиров/углеводов и почему она завышает реальную энергетическую ценность белка и усвояемых пищевых волокон (а бонусом и про алкоголь в инстаграме вспомнили). Сегодня расскажу о другой прикольной штуке, которую (практически) не используют в пищевой индустрии - про специальные факторы Этуотера.
Итак, мы помним, что в конце XIX века химик Уилбур Олин Этуотер подарил миру заветные цифры “4/9/4”. Это так называемые общие или генерализованные факторы Этуотера. Они говорят нам, что в среднем калорийность одного грамма любого белка из любого источника пищи равна 4, любого жира - 9, любого углевода - 4. Как эти факторы появились? Если очень коротко, то это тепло, выделяемое при сжигании питательного вещества в калориметре, помноженное на коэффициент усвояемости. Коэффициенты усвояемости учитывают потери энергии через кишечник, почки, испарения и выделения с поверхности кожи. Например, если сжечь в калориметре 1г жира, в среднем тепла выделится на 9.4 ккал. Коэффициент усвояемости жиров - 95%. Соответственно, с учётом этого коэффициента, наше тело может выжать из 1г жира 8.9 ккал, которые мы привычно округляем до 9.
Однако и жиры, и белки, и углеводы - разнообразны по строению. Жирные кислоты в составе триглицеридов имеют разную длину и степень насыщенности. Разные белки имеют разный аминокислотный состав. Разные углеводы имеют разную полимерность и разветвлённость. И, очевидно, разные жиры, белки и углеводы будут иметь разную удельную теплоту сгорания в калориметре. Допустим, взрываем в калориметре грамм желатина - получаем 5.27 ккал, взрываем грамм пшеничного глютена - получаем 5.9. Почему? Потому что аминокислотный состав разный. Желатин на треть собран из глицина - самой крохотной аминокислоты. А чем меньше химических связей (сейчас говорим об одинарных связях) в молекуле, тем меньше в ней энергии.
В общем, посмотрев на это всё и суммировав 50 лет исследований, учёные Аннабель Мерилл и Бернис Уатт не выдержали и в 1955 году предложили расширить систему Этуотера и использовать специальные факторы, которые бы учитывали контекст продукта, в составе которого мы употребляем тот или иной белок, жир и углевод. По такой системе, например, 1 грамм белка, употреблённого в составе картофеля, будет "стоить" 2.8 ккал, а 1 грамм белка, употреблённого в составе курицы — 4.2 ккал. "2.8" и "4.2" — специальные факторы Этуотера для белка в картошке и белка в курице, соответственно. Почему так? Разный аминокислотный состав и разная вторичная и третичная структура белка (соотношение альфа-спиралей и бета-листов, количество дисульфидных мостиков и т.д.). Первое будет давать разную теплоту сгорания, второе — разную "доступность" белка для пищеварительных ферментов, а следовательно, разные коэффициенты усвояемости. Хотя ключевое значение для таких различий в специальных факторах будет давать иной нюанс — о нём несколькими абзацами позже.
То же самое для жиров: специальный фактор для 1г жира из мяса или яиц — 9 ккал; из молока, сливочного масла, растительных масел — 8.8; а из злаков, овощей, фруктов — 8.4. Ещё раз — это энергетическая ценность 1 г жира в составе конкретного продукта. Понятное дело, что для "выжимки" 100г чистого жира из помидоров и семян подсолнечника понадобится очень разное количество исходного сырья.
Что касается углеводов, специальные факторы существуют только для суммы всех углеводов из продукта: и полностью усвояемых, и пищевых волокон. Исходя из этого, ясно, почему специальный фактор для 1г углеводов из шлифованного риса — 4ккал, а для 1г углеводов из фруктов и овощей — 3.5-3.6. Овощи и фрукты содержат клетчатку, которую не отделяли от ди- и моносахаридов при подсчёте специальных факторов.
В прошлом посте мы поговорили, откуда взялась система калорийности “4/9/4” для белков/жиров/углеводов и почему она завышает реальную энергетическую ценность белка и усвояемых пищевых волокон (а бонусом и про алкоголь в инстаграме вспомнили). Сегодня расскажу о другой прикольной штуке, которую (практически) не используют в пищевой индустрии - про специальные факторы Этуотера.
Итак, мы помним, что в конце XIX века химик Уилбур Олин Этуотер подарил миру заветные цифры “4/9/4”. Это так называемые общие или генерализованные факторы Этуотера. Они говорят нам, что в среднем калорийность одного грамма любого белка из любого источника пищи равна 4, любого жира - 9, любого углевода - 4. Как эти факторы появились? Если очень коротко, то это тепло, выделяемое при сжигании питательного вещества в калориметре, помноженное на коэффициент усвояемости. Коэффициенты усвояемости учитывают потери энергии через кишечник, почки, испарения и выделения с поверхности кожи. Например, если сжечь в калориметре 1г жира, в среднем тепла выделится на 9.4 ккал. Коэффициент усвояемости жиров - 95%. Соответственно, с учётом этого коэффициента, наше тело может выжать из 1г жира 8.9 ккал, которые мы привычно округляем до 9.
Однако и жиры, и белки, и углеводы - разнообразны по строению. Жирные кислоты в составе триглицеридов имеют разную длину и степень насыщенности. Разные белки имеют разный аминокислотный состав. Разные углеводы имеют разную полимерность и разветвлённость. И, очевидно, разные жиры, белки и углеводы будут иметь разную удельную теплоту сгорания в калориметре. Допустим, взрываем в калориметре грамм желатина - получаем 5.27 ккал, взрываем грамм пшеничного глютена - получаем 5.9. Почему? Потому что аминокислотный состав разный. Желатин на треть собран из глицина - самой крохотной аминокислоты. А чем меньше химических связей (сейчас говорим об одинарных связях) в молекуле, тем меньше в ней энергии.
В общем, посмотрев на это всё и суммировав 50 лет исследований, учёные Аннабель Мерилл и Бернис Уатт не выдержали и в 1955 году предложили расширить систему Этуотера и использовать специальные факторы, которые бы учитывали контекст продукта, в составе которого мы употребляем тот или иной белок, жир и углевод. По такой системе, например, 1 грамм белка, употреблённого в составе картофеля, будет "стоить" 2.8 ккал, а 1 грамм белка, употреблённого в составе курицы — 4.2 ккал. "2.8" и "4.2" — специальные факторы Этуотера для белка в картошке и белка в курице, соответственно. Почему так? Разный аминокислотный состав и разная вторичная и третичная структура белка (соотношение альфа-спиралей и бета-листов, количество дисульфидных мостиков и т.д.). Первое будет давать разную теплоту сгорания, второе — разную "доступность" белка для пищеварительных ферментов, а следовательно, разные коэффициенты усвояемости. Хотя ключевое значение для таких различий в специальных факторах будет давать иной нюанс — о нём несколькими абзацами позже.
То же самое для жиров: специальный фактор для 1г жира из мяса или яиц — 9 ккал; из молока, сливочного масла, растительных масел — 8.8; а из злаков, овощей, фруктов — 8.4. Ещё раз — это энергетическая ценность 1 г жира в составе конкретного продукта. Понятное дело, что для "выжимки" 100г чистого жира из помидоров и семян подсолнечника понадобится очень разное количество исходного сырья.
Что касается углеводов, специальные факторы существуют только для суммы всех углеводов из продукта: и полностью усвояемых, и пищевых волокон. Исходя из этого, ясно, почему специальный фактор для 1г углеводов из шлифованного риса — 4ккал, а для 1г углеводов из фруктов и овощей — 3.5-3.6. Овощи и фрукты содержат клетчатку, которую не отделяли от ди- и моносахаридов при подсчёте специальных факторов.
Кстати, контекст продукта важен не только из-за аминокислотного состава+пространственной структуры и жирнокислотного состава входящих в него белков и жиров, но и из-за наличия той же самой клетчатки и ингибиторов наших пищеварительных ферментов: альфа-амилазы, трипсина и химотрипсина. Касается это в первую очередь злаков и бобовых, а также некоторых овощей, например, картофеля. Пищевые волокна немного снижают всасываемость жиров и белков, а ингибиторы, очевидно, будут влиять на переваривание белков и крахмалов. Понятное дело, что это будет менять коэффициент усвояемости питательных веществ из продукта. Так, по системе общих факторов Этуотера коэффициент усвояемости любых белков в среднем равен 92%. А по системе специальных факторов — 97% из продуктов животного происхождения, 85% из злаков и фруктов, 83% из овощей, 78% из бобовых. Простой пример: специальный фактор для 1г белка из цельнозерновой пшеничной муки — 3.6 ккал, а из муки первого сорта — 4 ккал.
Надеюсь, никому в голову не придёт бояться растительной пищи. Этот пост исключительно про энергетику и биодоступность, а еда — это не только калории и аминокислоты. Это ещё витамины, минералы, антиоксиданты, другие молекулы с биологической активностью, разнообразие микробиома и многое-многое другое.
Надеюсь, никому в голову не придёт бояться растительной пищи. Этот пост исключительно про энергетику и биодоступность, а еда — это не только калории и аминокислоты. Это ещё витамины, минералы, антиоксиданты, другие молекулы с биологической активностью, разнообразие микробиома и многое-многое другое.