«$1$ ккал — это $1$ ккал» — упрощение из школьного учебника. На самом деле калория — это физическая величина теплоты сгорания макромолекулы. Но в живом организме не вся эта теплота переходит в полезную энергию: часть тратится на переваривание, часть выходит с мочевиной, часть рассеивается как тепло. Эта статья — про разрыв между «калорией на этикетке» и «калорией для клетки».
$1$ калория — энергия, необходимая, чтобы нагреть $1$ г воды на $1°C$. В питании говорим о килокалориях ($1$ ккал $= 1\,000$ калорий $= 4{,}184$ кДж). Эта величина измеряется в бомбовом калориметре — устройстве, где образец пищи сжигают в чистом кислороде, измеряя количество выделившегося тепла.
В $1789$ году Антуан Лавуазье построил первый калориметр и показал: дыхание животного — это медленная форма горения. Морская свинка, помещённая в ледяной калориметр, растапливала лёд с той же скоростью, с какой древесный уголь той же массы выделял $CO_2$. Это было первое прямое доказательство, что биологические процессы подчиняются физическим законам.
Через $\sim 100$ лет, в $1880$-х, Уилбур Этвоэр и Макс Рубнер создали бомбовый калориметр для пищи. Они систематически измеряли теплоту сгорания всех макронутриентов. Это дало числа, от которых отталкиваемся до сих пор.
$Q_{food}$ — теплота полного сгорания (то, что показал бы калориметр). $Q_{absorbed}$ — то, что усвоилось в кровь. $Q_{losses}$ — то, что вышло с фекалиями (непереваренное), мочой (мочевина из белка), $\sim 5$–$10\%$ — потери на переваривание ($TEF$).
Цифры на этикетках — это не бомбово-калориметрические числа, а факторы Этвоэра ($Atwater \ factors$). Они учитывают неполную усвояемость и потери энергии с мочевиной. Это усвояемая энергия, $Q_{absorbed}$ из формулы выше.
| Макрос | Бомба (ккал/г) | Этвоэр (ккал/г) | Куда уходит разница |
|---|---|---|---|
| Углевод | $4{,}1$ | $4{,}0$ | $\sim 2\%$ непереваренная клетчатка |
| Жир | $9{,}4$ | $9{,}0$ | $\sim 4\%$ ненасыщенные потери |
| Белок | $5{,}65$ | $4{,}0$ | $\sim 29\%$ азот выходит с мочевиной |
| Алкоголь | $7{,}1$ | $7{,}0$ | $\sim 1\%$ выводится почками |
Главное открытие: белок «теряет» $29\%$ калорий по сравнению с бомбовым калориметром. Это потому, что азот из аминокислот не может быть использован как топливо — его нужно выводить в виде мочевины через печень и почки. Эта работа стоит энергии, поэтому усвояемая ценность белка ниже.
Углеводы и жиры — почти полностью «топливо». Бомба и Этвоэр совпадают в пределах $\sim 3\%$. Поэтому числа на этикетках точны для углеводов и жиров, но завышены для белка (хотя $Atwater$-факторы это уже учитывают).
$TEF$ ($Thermal \ Effect \ of \ Food$) или термический эффект пищи — это энергия, которую организм тратит на переваривание, всасывание и метаболизм съеденного. Разные макронутриенты имеют разный $TEF$: белок — самый дорогой ($20$–$30\%$), углеводы — средне ($5$–$10\%$), жиры — почти бесплатно ($0$–$3\%$).
$25\%$ калорий из белка тратятся на то, чтобы белок усвоить. Это не маркетинг, это термодинамика. Аминокислоты после всасывания должны быть либо использованы для синтеза белка ($mTOR$, см. Главу $6$), либо дезаминированы (отделение $NH_2$-группы) и превращены в глюкозу/жир. Дезаминирование — энергозатратный процесс, плюс синтез мочевины в печени стоит $\sim 4 ATP$ на каждую молекулу.
Жиры почти не требуют энергии на усвоение: триглицериды расщепляются на жирные кислоты $+$ глицерин и сразу попадают в кровоток через лимфу. $TEF$ жира $\approx 0$–$3\%$.
$Q_{gross}$ — суммарная калорийность по Этвоэру ($4P + 9F + 4C + 7A$ ккал). $Q_{TEF}$ — потеря на $TEF$. «Чистая» калорийность белка $\approx 3$ ккал/г, жира $\approx 8{,}8$ ккал/г, углевода $\approx 3{,}7$ ккал/г. Это и есть «полезные» калории.
Практический вывод: $100$ ккал из белка в реальности — это $\sim 75$ полезных ккал. $100$ ккал из жира — это $\sim 98$ полезных. Поэтому при равной калорийности высокобелковая диета даёт больший дефицит «полезных» калорий — это часть объяснения, почему белок помогает в похудении.
Введите БЖУ порции (опционально — алкоголь). Калькулятор покажет: общая калорийность по Этвоэру и сколько реально достанется клетке после $TEF$.
«Калории сгорают» — упрощение. На самом деле в клетке происходит контролируемое окисление: ферменты медленно разбирают молекулы пищи, и энергия запасается в форме $ATP$. Каждый макронутриент имеет свой путь, и понимание этих путей объясняет многие вещи в питании и тренировках.
$1$ молекула глюкозы дает $\sim 30$–$32$ молекулы $ATP$ через $3$ стадии:
$1$ молекула пальмитата (типичная жирная кислота, $C_{16}$) дает $\sim 106$ молекул $ATP$ — почти в $4 \times$ больше, чем глюкоза. Это объясняет, почему жиры энергетически плотнее: длинная углеродная цепь $\to$ много циклов β-окисления $\to$ много $NADH$ и $FADH_2 \to$ много $ATP$.
Аминокислоты — последнее «топливо» в очереди. Они сначала используются для синтеза белков. Лишние аминокислоты дезаминируются: $NH_2$ выходит в мочевину, углеродный скелет идёт либо в цикл Кребса напрямую (глюкогенные аминокислоты $\to$ глюкоза), либо в жирные кислоты (кетогенные). Энергозатраты этого процесса — основа $TEF$ белка.
Калория — это инвариант физики. Но «$100$ ккал брокколи» и «$100$ ккал из газировки» — это разный сигнал для организма: разный $TEF$, разный сахар крови, разная сытость, разный микробиом. Думать о питании только в калориях — это как оценивать книгу по числу страниц.
Этанол ($C_2H_5OH$) — единственная пищевая молекула с уникальным статусом: даёт $7$ ккал/г, но не является питательным веществом. Не используется для синтеза клеток, не запасается. $95\%$ алкоголя метаболизируется в печени до ацетата, а оттуда — в энергию или жирные кислоты.
Практика: один бокал вина (140 мл, 11% об.) $\approx 14$ г этанола $= 98$ ккал. После $TEF$: $\sim 78$ полезных. Но через $24$ часа подавления $MPS$ и стимуляции аппетита — реальная цена выше прямой калорийности.
«$0\%$ жира», «без сахара», «низкокалорийный» — слова, за которыми скрываются конкретные правила $Codex \ Alimentarius$ и $ТР \ ТС$. Зная правила, легко увидеть подвох в любом «здоровом» продукте.
Главное правило: всегда смотрите на состав по убыванию массы (первый ингредиент — основной) и на калорийность на $100$ г, а не на порцию.
Образовательный материал — не заменяет консультацию врача. Ссылки ведут на поиск источника; точные реквизиты сверяйте с оригиналом.