1.1
Калория и БЖУ как химия Модуль · Глава 1 Энергобаланс
К Главе 1
1.1
Модуль 1.1 · Химия энергии

Калория и БЖУ как химия

«$1$ 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».

Жить — значит гореть. Дыхание есть медленное горение. Углерод, который мы потребляем с пищей, соединяется с кислородом воздуха, и это — единственное, что отличает живой организм от мёртвого. Антуан Лавуазье · отец биохимии, $1789$
Раздел 1 · Что такое калория физически

От бомбового калориметра к живой клетке

$1$ 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.

Эксперимент Лавуазье и рождение «калории»

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.

Бомбовый калориметр vs реальное усвоение
$Q_{food} \to Q_{absorbed} - Q_{losses}$

$Q_{food}$ — 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 ($TEF$).

Раздел 2 · Факторы Этвоэра

Откуда взялись «$4/9/4$» ккал/г

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.

Полное сгорание vs реальная биодоступность

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).

Раздел 3 · TEF

$TEF$ — налог на переваривание

$TEF$ ($Thermal \ Effect \ of \ Food$) 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 ($0$–$3\%$).

Почему белок «дороже»

$25\%$ 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 $\approx 0$–$3\%$.

Чистая калорийность
$Q_{net} = Q_{gross} - Q_{TEF}$

$Q_{gross}$ — 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.

Калькулятор · Gross vs Net

Полная и чистая калорийность порции

Введите БЖУ порции (опционально — алкоголь). Калькулятор покажет: общая калорийность по Этвоэру и сколько реально достанется клетке после $TEF$.

г
г
г
г
Полная (по Этвоэру)
410 ккал
сумма $4P + 9F + 4C + 7A$
Чистая (после $TEF$)
370 ккал
то, что реально достанется клетке
Доля «налога» $TEF$
~10%
$TEF$ = 40 ккал из 410 общих
Средний $TEF$ типичной порции. При высокобелковом рационе $TEF$ растёт до $15$–$18\%$. Это «скрытая» помощь белка при похудении.
Раздел 4 · Биохимия энергии

Как клетка извлекает энергию

«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.

Глюкоза → $ATP$ (углеводный путь)

$1$ молекула глюкозы дает $\sim 30$–$32$ молекулы $ATP$ через $3$ стадии:

  • Гликолиз (в цитоплазме): глюкоза $\to 2$ пирувата $+ 2 ATP$ ($+2 NADH$). Анаэробный — работает без кислорода.
  • Цикл Кребса (в митохондриях): пируват $\to CO_2 + NADH + FADH_2$. Требует кислород.
  • Электронно-транспортная цепь (мембраны митохондрий): $NADH/FADH_2 \to ATP$. Финальный продукт — $H_2O + CO_2$.

Жир → $ATP$ (β-окисление)

$1$ 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 $ATP$.

Белок → $ATP$ или $\to$ глюкоза

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.

Кевин Холл · $NIH$, исследователь обмена веществ
Раздел 5 · Алкоголь

$7$ ккал/г — эталон бесполезной энергии

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.

Почему алкоголь — «пустые калории»

  • $TEF$ алкоголя $\approx 20\%$ — самый высокий среди макронутриентов. Печень тратит огромный ресурс на детоксикацию.
  • Подавляет окисление жиров: когда в крови есть алкоголь, организм откладывает приоритет на его переработку. Жиры из еды откладываются в адипоциты.
  • Снижает синтез белка: после $1$–$2$ дринков $MPS$ (синтез мышечного белка) подавляется на $\sim 25$–$35\%$ на $\sim 24$ часа.
  • Стимулирует аппетит: депрессия ($Y\!Y$ и лептина), активация дофаминовой системы $\to$ «закусочный» эффект.

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.

Раздел 6 · Этикетки

Этикетки и маркетинговые трюки

«$0\%$ жира», «без сахара», «низкокалорийный» — слова, за которыми скрываются конкретные правила $Codex \ Alimentarius$ и $ТР \ ТС$. Зная правила, легко увидеть подвох в любом «здоровом» продукте.

Главные ловушки

  • «$0\%$ жира» — производитель имеет право написать это при содержании жира $< 0{,}5$ г на $100$ г. Замещение: больше сахара и крахмала для текстуры. Йогурт «$0\%$» часто содержит на $20$–$30\%$ больше сахара, чем обычный.
  • «Без сахара» — нет добавленного сахара (сахарозы). Но могут быть: глюкозный сироп, фруктоза, мальтодекстрин, концентрат фруктового сока. Все они — сахар с другим именем.
  • «Низкокалорийный» — $< 40$ ккал на $100$ г для напитков, $< 80$ ккал для жидкостей. На порцию может выйти много больше: «низкокалорийный энергетик $500$ мл» $= 200$ ккал.
  • «Натуральный» — не определено законом. Палочки с глюкозным сиропом и красителем $E$-$120$ (кармин из жуков) тоже «натуральные».
  • «Light»/«Лёгкий» — на $\geq 30\%$ меньше одного из компонентов (жира, сахара или калорий) чем у аналогичного продукта. Может быть всё ещё калорийнее «обычного» другого бренда.
  • Размер порции — производители часто уменьшают порцию на этикетке. «Бутылка $500$ мл напитка $= 2{,}5$ порции по $200$ мл». Реальная калорийность бутылки $\times 2{,}5$.

Главное правило: всегда смотрите на состав по убыванию массы (первый ингредиент — основной) и на калорийность на $100$ г, а не на порцию.

Что забрать из модуля 1.1

$I$ Калория — физическая константа: $4/9/4$ ккал/г для углеводов/жиров/белков. Это факторы Этвоэра, а не бомбовый калориметр.
$II$ $TEF$ — «налог» на переваривание: белок $25\%$, углеводы $7{,}5\%$, жиры $2\%$, алкоголь $20\%$. Высокобелковая диета даёт скрытый дефицит за счёт $TEF$.
$III$ Жиры дают в $\sim 4 \times$ больше $ATP$ на молекулу за счёт длинной углеродной цепи и β-окисления. Это эволюционная причина их высокой плотности.
$IV$ Алкоголь — пустые калории: $7$ ккал/г, но подавляет окисление жиров, синтез белка, стимулирует аппетит. Цена выше прямой калорийности.
$V$ На этикетке смотрите ккал на $100$ г и состав по убыванию массы. «$0\%$ жира», «без сахара», «натуральный» — слова с юридическими, но не питательными значениями.
Источники
  1. Atwater W.O., Rosa E.B. (≈1899). Система коэффициентов Этуотера ($4$–$9$–$4$ ккал/г). Основа расчёта энергетической ценности. поиск источника
  2. FAO (2003). Food energy — methods of analysis and conversion factors. FAO Food and Nutrition Paper 77. поиск источника
  3. Merrill A.L., Watt B.K. (1973). Energy Value of Foods: Basis and Derivation. USDA Handbook 74. поиск источника

Образовательный материал — не заменяет консультацию врача. Ссылки ведут на поиск источника; точные реквизиты сверяйте с оригиналом.