AbstractBackgroundIt is commonly he

Abstract

Background
It is commonly held that "a calorie is a calorie", i.e. that diets of equal caloric content will result in identical weight change independent of macronutrient composition, and appeal is frequently made to the laws of thermodynamics. We have previously shown that thermodynamics does not support such a view and that diets of different macronutrient content may be expected to induce different changes in body mass. Low carbohydrate diets in particular have claimed a "metabolic advantage" meaning more weight loss than in isocaloric diets of higher carbohydrate content. In this review, for pedagogic clarity, we reframe the theoretical discussion to directly link thermodynamic inefficiency to weight change. The problem in outline: Is metabolic advantage theoretically possible? If so, what biochemical mechanisms might plausibly explain it? Finally, what experimental evidence exists to determine whether it does or does not occur?
Results
Reduced thermodynamic efficiency will result in increased weight loss. The laws of thermodynamics are silent on the existence of variable thermodynamic efficiency in metabolic processes. Therefore such variability is permitted and can be related to differences in weight lost. The existence of variable efficiency and metabolic advantage is therefore an empiric question rather than a theoretical one, confirmed by many experimental isocaloric studies, pending a properly performed meta-analysis. Mechanisms are as yet unknown, but plausible mechanisms at the metabolic level are proposed.
Conclusions
Variable thermodynamic efficiency due to dietary manipulation is permitted by physical laws, is supported by much experimental data, and may be reasonably explained by plausible mechanisms.
Background
Carbohydrate restriction as a general strategy for weight loss continues to gain in popularity and its utility and generally protective effect in lipid profile and glycemic control continues to be demonstrated, at least in an experimental setting [1-4]. The subject nonetheless remains controversial. Those critics who grant efficacy of low carbohydrate diets nonetheless contend that they act strictly by caloric restriction and there is no special effect of carbohydrate reduction. Beyond caloric restriction, several studies have shown increased weight loss on low carbohydrate diets compared to isocaloric low fat diets, the so-called metabolic advantage (see table 2). Although no clear experimental error has been demonstrated, critics continue to maintain that something must be wrong because the laws of thermodynamics would be violated [5], that "a calorie is a calorie" [6] We have previously shown [2,7] that this is not correct and it is our intention here to review the fundamental physics underlying the phenomenon of metabolic advantage. An outline may be described: Can metabolic advantage happen? If so, what mechanisms might account for such a phenomenon? Does it, in fact, occur?
Table 2. Isocaloric low carbohydrate (CHO) vs. higher carbohydrate investigations
Metabolic advantage: can it happen?
We have previously presented arguments that there is no violation of physical principles [2,7] and, ironically, that suggesting a change in body mass to be independent of macronutrient composition would itself be a violation of the second law of thermodynamics [7]. Here, we reframe these arguments in a more pedagogically direct way and we provide simple examples.
The misunderstanding that continues to be repeated in the expression "a calorie is a calorie" appears to be exclusive reference to the first law of thermodynamics. The difficulty with this theoretical approach is that it is only part of the relevant physics and its relationship to biologic systems. The first law says that in any transformation the total energy in the system can be accounted for by the heat added to the system, the work done by the system on its environment and the change in energy content of all the components of the system. It is important to understand, however, that the first law does not say what the relative distribution between these effects will be for any process. In fact, the first law does not even allow us to say whether the process will occur at all. To understand the progress of a physical change it is necessary to understand the second law which introduces an entity known as the entropy, S, a measure of disorder in all processes. In all real (irreversible) processes, entropy increases, usually written ΔS > 0. The most common marker of increasing entropy is heat, although it is by no means the only evidence for increased entropy.
In systems at constant temperature and pressure (i.e. biologic systems)), the first and second law are combined in the Gibbs Free Energy, ΔG, which represents the maximum useful work that can be performed by the process. The actual process however, in general derives less useful work than permitted by the theoretically available ΔG due to inefficiency in energy capture. A proper accounting of entropy and efficiency must be included if we are to understand energy utilization in biological and biochemical systems.
Biological systems and thermodynamics
It is also important in the discussion of biological systems to understand that they are open systems, i.e. they take in nutrients and oxygen and excrete carbon dioxide, water, urea and other waste products, as well as heat. The importance with respect to weight considerations is that mass and energy are conserved (the more general statement of the first law of thermodynamics), but they are not conserved entirely within the organism.
To illustrate the proper interpretation of the first law of thermodynamics consider a subject whose resting energy expenditure is met by the production of 95 moles of ATP. Since oxidation of a single mole of glucose provides 38 moles of ATP, 2.5 moles of glucose will be needed to meet this individual's resting energy requirements. It is important to note that the resultant carbon dioxide, water, and heat are not retained within the organism. The useful retained energy is in the 95 moles of ATP (Figure 1B). (Similar equations could be written for lipid or protein but we restrict our discussion to glucose for simplicity).
Figure 1. A: Oxidation of glucose in a calorimeter is completely inefficient. The products of oxidation are carbon dioxide and water, and all of the energy produced is released as heat. 1B: To illustrate the proper interpretation of the first law of thermodynamics in living organisms we must consider that conservation of matter and energy includes excretion of products into the external environment. None of the products of oxidation (CO2 and H2O) remain within the organism. There is stoichiometric balance and no net weight change. Only the ATP, representing the useful energy, is retained. The wasted heat constitutes 60% of the energy of oxidation, while the efficiency is reflected in the retained ATP, available for reactions in the organism. Body fat stores are signified as TAG (triacylglycerol) 1C. A common way of thinking of weight loss is from reduction of caloric intake. If our subject ingests 2.3 moles of glucose (or equivalent lipid and/or protein) and produces only 90 moles of ATP, then homeostasis will enlist body stores of fat (and/or lean body mass) to yield the additionally required 5 moles ATP. The additional resultant CO2 and H2O (and heat) will be excreted (and radiated) leading to weight loss. 1D: If efficiency is reduced then our subject would have to eat more (e.g. 2.9 moles of glucose, or equivalent lipid/protein) to produce 95 moles of ATP and remain at the same weight. The additional CO2 and H2O produced will be excreted maintaining constant weight. 1E: Under conditions of reduced metabolic efficiency (from 40% to about 38% in this example), 90 moles of ATP will be produced from oxidation of 2.5 moles glucose (or equivalent lipid/protein). The remaining 5 moles ATP needed for homeostasis must be made up from oxidation of body stores of lipid or lean mass. This results in weight loss, exactly as it does for the example of reduced caloric intake (Figure 1C).
The illustration above can be compared to the oxidation of glucose in a calorimeter in which no useful energy is obtained and the total energy of oxidation is measured as the heat produced. This process is completely inefficient. A traditional (Atwater) value for glucose obtained in the calorimeter is approximately 4 kilocalories of energy per gram (Figure 1A). By contrast, the living organism above metabolizes and oxidizes glucose so that approximately forty percent of the energy of oxidation is retained as useful ATP (38 moles per mole of glucose)) whereas sixty percent is released as heat, the inefficiency in this mode of oxidation. The entropy (i.e. the second law of thermodynamics) shows up in this inefficiency. The calorimeter heat can no longer be interpreted in a simple way. The energy stored in useful ATP represents the efficiency of 40% (neglecting the difference in entropy between the structures of the products and reactants). This value approximates the efficiency for oxidation of carbohydrate as well as lipid, whereas proteins are generally oxidized at a lower value of approximately 30–35% (Figure 1B).
Summary of thermodynamics in living organism
1. The second law of thermodynamics dictates that there is an inevitable metabolic inefficiency in all biological and biochemical processes with heat and high entropy molecules (carbon dioxide, water, urea) as the most common products.
2. The first law of thermodynamics is satisfied in living (open) systems by properly accounting for the mass excreted and the heat radiated and exported in high entropy molecules.
Weight loss due to reduced caloric intake
The most common example of weight loss is reduction of caloric intake. At the risk of oversimplification, if our subject ingests fewer than 2.5 moles of glucose and produces, for example, only 90 mo

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

บทคัดย่อพื้นหลังโดยทั่วไปจัดว่า "แคลอรี่มีแคลอรี่", เช่นอาหารของแคลอริกเนื้อหาเท่านั้นจะส่งผลในการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเหมือนกันขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ macronutrient และอุทธรณ์บ่อย ๆ ทำให้กฎของอุณหพลศาสตร์ เราได้แสดงไว้ก่อนหน้านี้ว่า อุณหพลศาสตร์ไม่สนับสนุนมุมมองดังกล่าว และว่า อาหารเนื้อหา macronutrient ต่าง ๆ อาจคาดว่าจะก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่าง ๆ ในร่างกายโดยรวม อาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีอ้างเป็น "เผาผลาญประโยชน์" หมายถึง เพิ่มเติมน้ำหนักมากกว่าใน isocaloric อาหารคาร์โบไฮเดรตสูงเนื้อหา ในบทความนี้ สำหรับ pedagogic เรา reframe อภิปรายทฤษฎีการเชื่อมโยง inefficiency ขอบเปลี่ยนแปลงน้ำหนักโดยตรง ปัญหาในเค้าร่าง: ได้ประโยชน์จากการเผาผลาญตามหลักวิชาหรือไม่ ถ้าดังนั้น สิ่งกลไกชีวเคมี plausibly อาจอธิบายได้ สุดท้าย หลักฐานทดลองอยู่เพื่อตรวจสอบว่า ไม่ หรือไม่เกิดขึ้นหรือไม่ผลลัพธ์ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ลดลงจะส่งผลเพิ่มน้ำหนัก กฎของอุณหพลศาสตร์จะเงียบจะต้อง มีประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ผันแปรในกระบวนการเผาผลาญ ดังนั้นสำหรับความผันผวนดังกล่าวจะได้รับอนุญาต และสามารถเกี่ยวข้องกับความแตกต่างในน้ำหนักที่หายไป การดำรงอยู่ของตัวแปรประสิทธิภาพและประโยชน์จากการเผาผลาญจึงถาม empiric มีมากกว่าหนึ่งทฤษฎี ยืนยันจากหลาย isocaloric ทดลองการศึกษา พิจารณา meta-analysis ดำเนินอย่างถูกต้อง กลไกเป็นยังไม่รู้จัก ได้มีการนำเสนอกลไกที่เป็นไปได้ที่ระดับการเผาผลาญบทสรุปประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ผันแปรเนื่องจากการจัดการอาหารได้รับอนุญาต โดยกฎหมายที่มีอยู่จริง สนับสนุนข้อมูลมากทดลอง กอาจสมอธิบาย ด้วยกลไกที่เป็นไปได้พื้นหลังจำกัดคาร์โบไฮเดรตเป็นกลยุทธ์ทั่วไปสำหรับน้ำหนักยังคงได้รับความนิยม และโปรแกรมอรรถประโยชน์ และผลโดยทั่วไปจะป้องกันในระดับไขมันในเลือด และควบคุม glycemic ยังคงถูกแสดง น้อยในการทดลอง [1-4] เรื่องกระนั้นยังคงแย้ง เหล่านักวิจารณ์ซึ่งให้ประสิทธิภาพของอาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำกระนั้นขอยืนยันว่า จะดำเนินการอย่างเคร่งครัด โดยแคลอริกจำกัด และมีลักษณะพิเศษไม่ลดคาร์โบไฮเดรต นอกเหนือจากข้อจำกัดของแคลอริก หลายการศึกษาได้แสดงเพิ่มน้ำหนักในอาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำเมื่อเทียบกับอาหารลดไขมันต่ำ isocaloric ประโยชน์จากการเผาผลาญที่เรียกว่า (ดูตาราง 2) แม้ว่าจะมีการแสดงข้อผิดพลาดไม่ชัดเจนทดลอง นักวิจารณ์ยังรักษาที่ บางสิ่งบางอย่างจะถูกต้อง เพราะกฎของอุณหพลศาสตร์จะ violated [5] , "เป็นแคลอรี่มีแคลอรี่" [6] เราได้แสดง [2,7] ก่อนหน้านี้ที่ไม่ถูกต้อง และเป็นความตั้งใจของเราที่นี่เพื่อทบทวนฟิสิกส์พื้นฐานต้นปรากฏการณ์ของประโยชน์จากการเผาผลาญ เค้าอาจจะอธิบาย: สามารถเผาผลาญประโยชน์เกิดขึ้น ถ้าเป็นเช่นนั้น กลไกใดอาจบัญชีสำหรับปรากฏการณ์ดังกล่าวหรือไม่ ไม่ได้ จริง เกิดขึ้นตารางที่ 2 Isocaloric คาร์โบไฮเดรตต่ำ (ช่อ) เทียบกับสืบสวนคาร์โบไฮเดรตสูงเผาผลาญประโยชน์: สามารถเกิดขึ้นได้อย่างไรก่อนหน้านี้เราได้นำเสนออาร์กิวเมนต์ที่มีว่าไม่ละเมิดหลักการทางกายภาพ [2,7] และ แดกดัน ที่แนะนำการเปลี่ยนแปลงในร่างกายโดยรวมจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ macronutrient เองจะเป็นการละเมิดกฎหมายที่สองของอุณหพลศาสตร์ [7] ที่นี่ เรา reframe อาร์กิวเมนต์เหล่านี้ในทางตรงมากขึ้น pedagogically และเรามีตัวอย่างอย่างง่ายเข้าใจผิดที่ดำเนินการในนิพจน์ "แคลอรี่มีแคลอรี่"ดูเหมือนจะ เป็นการอ้างอิงเฉพาะกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์ ปัญหา ด้วยวิธีการทางทฤษฎีนี้คือ ว่า มันเป็นเพียงส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องและความสัมพันธ์ของระบบอุบัติ กฎหมายแรกกล่าวว่า ในการแปลง พลังงานรวมในระบบสามารถจะลงบัญชี โดยความร้อนที่เพิ่มลงในระบบ งานที่ทำ โดยระบบในสภาพแวดล้อมและการเปลี่ยนแปลงในเนื้อหาพลังงานของส่วนประกอบทั้งหมดของระบบ จึงควรทำความเข้าใจ อย่างไรก็ตาม ว่า กฎหมายแรกไม่พูดอะไรการกระจายสัมพัทธ์ระหว่างลักษณะพิเศษเหล่านี้จะมีกระบวนการ ในความเป็นจริง กฎหมายแรกไม่ได้ให้เรากล่าวว่า กระบวนการจะเกิดขึ้นทั้งหมด เข้าใจความคืบหน้าของการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ได้เข้าใจกฎหมายสองที่แนะนำเอนทิตีเป็นเอนโทรปี S วัดในกระบวนการทั้งหมด จริงทุกขั้นตอน (ให้) เอนโทรปีเพิ่มขึ้น จะเขียน ΔS > 0 เครื่องหมายทั่วไปของเอนโทรปีเพิ่มขึ้นเป็นความร้อน แม้ว่าจะเป็นโดยไม่มีหลักฐานเฉพาะสำหรับเอนโทรปีเพิ่มขึ้นในระบบที่อุณหภูมิคงและความดัน (เช่นอุบัติระบบ)), และสองกฎหมายจะรวมในการกิ๊บส์ ΔG ซึ่งแสดงถึงการทำงานเป็นประโยชน์สูงสุดสามารถดำเนินการตามกระบวนการ กระบวนการจริงอย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปมาทำงานมีประโยชน์น้อยกว่าที่ได้รับอนุญาตจาก ΔG ครั้งแรกราคาว่างจาก inefficiency ในจับพลังงาน บัญชีที่เหมาะสมของเอนโทรปีและประสิทธิภาพต้องอยู่ถ้าเราจะเข้าใจการใช้ประโยชน์พลังงานในระบบชีวภาพ และชีวเคมีอุณหพลศาสตร์และระบบชีวภาพนอกจากนี้ยังเป็นสิ่งสำคัญในการสนทนาในระบบชีวภาพจะเข้าใจว่า จะเปิดระบบ เช่นพวกสารอาหารและออกซิเจน และขับถ่ายคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ยูเรีย และอื่น ๆ เสีย รวมทั้งความร้อน มีความสำคัญเกี่ยวกับการพิจารณาน้ำหนักมวลและพลังงานใช้อยู่ (งบทั่วไปกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์), แต่พวกเขามีอยู่ทั้งหมดภายในสิ่งมีชีวิตที่เพื่อแสดง ความเหมาะสมของกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์พิจารณาเรื่องรายจ่ายพลังงานที่มีที่พักเป็นไปตามตามการผลิตของไฝ 95 ของ ATP เนื่องจากการเกิดออกซิเดชันของโมลเดียวน้ำตาลกลูโคสมีไฝ 38 ของ ATP, 2.5 โมลของกลูโคสจะต้องตอบสนองนี้บุคคลของพักผ่อนความต้องการพลังงาน โปรดทราบว่า ผลแก่คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และความร้อนจะไม่สะสมในสิ่งมีชีวิตที่ได้ ประโยชน์สะสมพลังงานเป็นไฝ 95 ของ ATP (รูปที่ 1B) (สามารถเขียนสมการคล้ายไขมันหรือโปรตีน แต่เราจำกัดการสนทนาของเรากับกลูโคสราย) Figure 1. A: Oxidation of glucose in a calorimeter is completely inefficient. The products of oxidation are carbon dioxide and water, and all of the energy produced is released as heat. 1B: To illustrate the proper interpretation of the first law of thermodynamics in living organisms we must consider that conservation of matter and energy includes excretion of products into the external environment. None of the products of oxidation (CO2 and H2O) remain within the organism. There is stoichiometric balance and no net weight change. Only the ATP, representing the useful energy, is retained. The wasted heat constitutes 60% of the energy of oxidation, while the efficiency is reflected in the retained ATP, available for reactions in the organism. Body fat stores are signified as TAG (triacylglycerol) 1C. A common way of thinking of weight loss is from reduction of caloric intake. If our subject ingests 2.3 moles of glucose (or equivalent lipid and/or protein) and produces only 90 moles of ATP, then homeostasis will enlist body stores of fat (and/or lean body mass) to yield the additionally required 5 moles ATP. The additional resultant CO2 and H2O (and heat) will be excreted (and radiated) leading to weight loss. 1D: If efficiency is reduced then our subject would have to eat more (e.g. 2.9 moles of glucose, or equivalent lipid/protein) to produce 95 moles of ATP and remain at the same weight. The additional CO2 and H2O produced will be excreted maintaining constant weight. 1E: Under conditions of reduced metabolic efficiency (from 40% to about 38% in this example), 90 moles of ATP will be produced from oxidation of 2.5 moles glucose (or equivalent lipid/protein). The remaining 5 moles ATP needed for homeostasis must be made up from oxidation of body stores of lipid or lean mass. This results in weight loss, exactly as it does for the example of reduced caloric intake (Figure 1C).ภาพประกอบข้างต้นสามารถเปรียบเทียบการเกิดออกซิเดชันของกลูโคสในแคลอรีมิเตอร์ที่ซึ่งได้รับพลังงานไม่มีประโยชน์ และพลังงานรวมของการเกิดออกซิเดชันจะวัดเป็นความร้อนที่ผลิต กระบวนการนี้จะไม่สมบูรณ์ ค่า (Atwater) แบบดั้งเดิมสำหรับกลูโคสที่ได้รับในแคลอรีมิเตอร์จะมีประมาณ 4 kilocalories พลังงานต่อกรัม (รูปที่ 1A) ตำแหน่ง ชีวิตข้าง metabolizes และ oxidizes กลูโคสดังกล่าวประมาณร้อยละ 40 ของพลังงานของการเกิดออกซิเดชันจะถูกเก็บเป็นประโยชน์ ATP (ไฝ 38 ต่อโมลของกลูโคส)) ในขณะที่ปล่อยหกเปอร์เซ็นต์ เป็นความร้อน inefficiency ในการออกซิเดชัน แสดงค่าเอนโทรปี (เช่นสองกฎหมายของอุณหพลศาสตร์) ใน inefficiency นี้ ความร้อนของแคลอรีมิเตอร์สามารถแปลผลทางไม่ พลังงานที่เก็บไว้ใน ATP ประโยชน์แสดงถึงประสิทธิภาพของ 40% (neglecting ความแตกต่างในเอนโทรปีระหว่างโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และ reactants) ค่านี้ approximates ประสิทธิภาพการเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตรวมทั้งไขมัน ในขณะที่โปรตีนถูกออกซิไดซ์โดยทั่วไปที่ค่าต่ำประมาณ 30-35% (รูปที่ 1B)สรุปของอุณหพลศาสตร์ในสิ่งมีชีวิต1. กฎหมายที่สองของอุณหพลศาสตร์บอกว่า มี inefficiency เผาผลาญที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในกระบวนการชีวภาพ และชีวเคมีที่ทั้งหมดด้วยความร้อนและเอนโทรปีสูงโมเลกุล (คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ยูเรีย) เป็นผลิตภัณฑ์พบมากที่สุด2. กฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์จะพอใจในชีวิต (เปิด) excreted ระบบ โดยบัญชีอย่างถูกต้องสำหรับมวล และความร้อน radiated และส่งออกในโมเลกุลเอนโทรปีสูงการสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากบริโภคลดแคลอริกตัวอย่างทั่วไปของการลดน้ำหนักคือ ลดการบริโภคแคลอริก เสี่ยงต่อ oversimplification ถ้าเราเรื่อง ingests น้อยกว่า 2.5 โมลของกลูโคสและผลิต เช่น mo 90 เท่านั้น

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

บทคัดย่อพื้นหลังมันเป็นกันทั่วไปว่า"แคลอรี่เป็นแคลอรี่" คือว่าอาหารของเนื้อหาแคลอรี่เท่ากันจะมีผลในการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักเหมือนกันที่เป็นอิสระขององค์ประกอบของธาตุอาหารหลักและการอุทธรณ์จะทำบ่อยกฎหมายของอุณหพลศาสตร์ เราได้แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ว่าอุณหพลศาสตร์ไม่สนับสนุนมุมมองดังกล่าวและว่าอาหารของเนื้อหา macronutrient แตกต่างกันอาจจะคาดว่าจะก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกันในมวลกาย อาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีการอ้างว่าเป็น "ความได้เปรียบของการเผาผลาญ" หมายถึงการสูญเสียน้ำหนักมากขึ้นกว่าในอาหารที่ระดับโปรตีนของปริมาณคาร์โบไฮเดรตสูง ในการตรวจสอบนี้เพื่อความชัดเจนสอนเราวางใหม่การสนทนาทางทฤษฎีที่จะเชื่อมโยงโดยตรงขาดประสิทธิภาพอุณหพลศาสตร์การเปลี่ยนแปลงน้ำหนัก ปัญหาในการร่าง: ประโยชน์ของการเผาผลาญในทางทฤษฎีเป็นไปได้? ถ้าเป็นเช่นนั้นสิ่งที่กลไกทางชีวเคมีฟังอาจจะอธิบายมันได้หรือไม่ ในที่สุดสิ่งที่มีอยู่ในหลักฐานการทดลองเพื่อตรวจสอบว่ามันจะเกิดขึ้นหรือไม่เกิดขึ้น? ผลการลดความร้อนที่มีประสิทธิภาพจะส่งผลในการลดน้ำหนักที่เพิ่มขึ้น กฎหมายของอุณหพลศาสตร์มีความเงียบในการดำรงอยู่ของความร้อนที่มีประสิทธิภาพตัวแปรในกระบวนการเผาผลาญ ดังนั้นความแปรปรวนดังกล่าวจะได้รับอนุญาตและอาจจะเกี่ยวข้องกับความแตกต่างในการสูญเสียน้ำหนัก การดำรงอยู่ของตัวแปรที่มีประสิทธิภาพและความได้เปรียบการเผาผลาญอาหารจึงเป็นคำถามกำมะลอมากกว่าหนึ่งทฤษฎีได้รับการยืนยันจากการศึกษาระดับโปรตีนหลายการทดลองที่รอการดำเนินการอย่างถูกต้อง meta-analysis กลไกดังยังไม่ทราบ แต่กลไกที่น่าเชื่อถือในระดับการเผาผลาญมีการเสนอ. สรุปตัวแปรที่มีประสิทธิภาพความร้อนเนื่องจากการจัดการอาหารที่จะได้รับอนุญาตตามกฎหมายทางกายภาพคือการสนับสนุนจากข้อมูลการทดลองมากและอาจจะอธิบายได้พอสมควรโดยกลไกที่เป็นไปได้. พื้นหลังข้อ จำกัด คาร์โบไฮเดรตเป็น กลยุทธ์ทั่วไปสำหรับการลดน้ำหนักยังคงได้รับในความนิยมและสาธารณูปโภคและป้องกันผลกระทบโดยทั่วไปในระดับไขมันในเลือดและควบคุมระดับน้ำตาลยังคงแสดงให้เห็นอย่างน้อยในการตั้งค่าการทดลอง [1-4] เรื่องกระนั้นยังคงขัดแย้ง นักวิจารณ์ผู้ที่ให้ความรู้ความสามารถของอาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำอย่างไรก็ตามยืนยันว่าพวกเขาทำหน้าที่อย่างเคร่งครัดโดยการ จำกัด แคลอรี่และไม่มีผลพิเศษของการลดคาร์โบไฮเดรต นอกเหนือจากข้อ จำกัด แคลอรี่การศึกษาหลายแห่งมีการแสดงให้เห็นว่าการสูญเสียน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นในอาหารคาร์โบไฮเดรตต่ำเมื่อเทียบกับระดับโปรตีนต่ำอาหารไขมันที่ได้เปรียบการเผาผลาญอาหารที่เรียกว่า (ดูตารางที่ 2) แม้ว่าจะไม่มีข้อผิดพลาดในการทดลองที่ชัดเจนได้รับการแสดงให้เห็นถึงนักวิจารณ์ยังคงรักษาบางสิ่งบางอย่างที่จะต้องมีความผิดเพราะกฎหมายของอุณหพลศาสตร์จะถูกละเมิด [5] ว่า "แคลอรี่เป็นแคลอรี่" [6] เราได้แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ [2,7] ที่นี้ไม่ถูกต้องและเป็นความตั้งใจของเราที่นี่เพื่อดูฟิสิกส์พื้นฐานพื้นฐานปรากฏการณ์ของความได้เปรียบการเผาผลาญ ร่างอาจจะอธิบาย: ประโยชน์ของการเผาผลาญสามารถเกิดขึ้นได้อย่างไร ถ้าเป็นเช่นนั้นสิ่งที่กลไกอาจบัญชีสำหรับปรากฏการณ์ดังกล่าว? มันในความเป็นจริงที่เกิดขึ้น? ตารางที่ 2 ระดับโปรตีนคาร์โบไฮเดรตต่ำ (CHO) กับการสืบสวนคาร์โบไฮเดรตสูงประโยชน์เมตาบอลิ: มันสามารถเกิดขึ้นเราได้นำเสนอไปก่อนหน้านี้มีข้อโต้แย้งว่ามีการละเมิดหลักการทางกายภาพ[2,7] และกระทบกระเทียบ ที่ชี้ให้เห็นการเปลี่ยนแปลงในมวลกายที่จะเป็นอิสระขององค์ประกอบของธาตุอาหารหลักของตัวเองจะมีการละเมิดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ [7] ที่นี่เราวางใหม่ขัดแย้งเหล่านี้ในทางที่ขึ้นตรง pedagogically และเราให้ตัวอย่างง่ายๆ. ความเข้าใจผิดที่ยังคงต้องทำซ้ำในสำนวนที่ว่า "แคลอรี่เป็นแคลอรี่" ที่ดูเหมือนจะเป็นพิเศษในการอ้างอิงกฎหมายแรกของอุณหพลศาสตร์ ความยากลำบากด้วยวิธีการทางทฤษฎีนี้ก็คือว่ามันเป็นเพียงส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องและความสัมพันธ์กับระบบทางชีววิทยา กฎข้อที่หนึ่งกล่าวว่าในการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ที่พลังงานทั้งหมดในระบบสามารถนำมาใช้ด้วยความร้อนที่เพิ่มให้กับระบบงานที่ทำโดยระบบในสภาพแวดล้อมและการเปลี่ยนแปลงในเนื้อหาของการใช้พลังงานของส่วนประกอบทั้งหมดของระบบ มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะเข้าใจ แต่ที่กฎข้อแรกไม่ได้พูดในสิ่งที่การกระจายความสัมพันธ์ระหว่างผลกระทบเหล่านี้จะเป็นกระบวนการใด ๆ ในความเป็นจริงกฎข้อแรกไม่ได้ช่วยให้เราสามารถบอกได้ว่ากระบวนการที่จะเกิดขึ้นในทุก เพื่อให้เข้าใจถึงความคืบหน้าของการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่มีความจำเป็นต้องเข้าใจกฎหมายที่สองที่แนะนำนิติบุคคลที่เรียกว่าเอนโทรปี, S, วัดของความผิดปกติในกระบวนการทั้งหมด ในทุกที่แท้จริง (กลับไม่ได้) กระบวนการการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีมักจะเขียนΔS> 0 เครื่องหมายพบมากที่สุดของเอนโทรปีของการเพิ่มความร้อนแม้ว่ามันจะเป็นโดยไม่ได้หมายความเพียงหลักฐานสำหรับเอนโทรปีเพิ่มขึ้น. ในระบบที่อุณหภูมิและความดันคงที่ (เช่นทางชีววิทยา ระบบ)) ซึ่งเป็นกฎข้อแรกและครั้งที่สองจะรวมกันในกิ๊บส์พลังงานฟรี, ΔGซึ่งหมายถึงการทำงานที่มีประโยชน์สูงสุดที่สามารถดำเนินการโดยกระบวนการ กระบวนการที่เกิดขึ้นจริงอย่างไรก็ตามในบุคลากรทั่วไปทำงานที่เป็นประโยชน์น้อยกว่าที่ได้รับอนุญาตโดยΔGใช้ได้ในทางทฤษฎีอันเนื่องมาจากการขาดประสิทธิภาพในการจับกุมพลังงาน บัญชีที่เหมาะสมของเอนโทรปีและมีประสิทธิภาพจะต้องรวมถ้าหากเราจะเข้าใจการใช้พลังงานในระบบชีวภาพและชีวเคมี. ระบบทางชีวภาพและอุณหพลศาสตร์ยังเป็นสิ่งสำคัญในการอภิปรายของระบบชีวภาพที่จะเข้าใจว่าพวกเขามีระบบเปิดคือพวกเขาใช้เวลาในการสารอาหารและออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ขับถ่ายน้ำยูเรียและของเสียอื่น ๆ เช่นเดียวกับความร้อน ความสำคัญที่เกี่ยวกับน้ำหนักการพิจารณาก็คือว่ามวลและพลังงานป่าสงวน (คำสั่งทั่วไปมากขึ้นของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์) แต่พวกเขาจะไม่ได้รับการอนุรักษ์อย่างสิ้นเชิงภายในมีชีวิต. เพื่อแสดงให้เห็นความหมายที่ถูกต้องของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์พิจารณา เรื่องที่มีการใช้พลังงานที่พักผ่อนจะพบจากการผลิตจาก 95 โมลของเอทีพี นับตั้งแต่การเกิดออกซิเดชันของไฝเดียวของน้ำตาลกลูโคสให้ 38 โมลของเอทีพี 2.5 โมลของกลูโคสจะได้รับการตอบสนองความจำเป็นในการพักผ่อนของแต่ละคนนี้ต้องการพลังงาน มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะทราบว่าผลคาร์บอนไดออกไซด์น้ำและความร้อนจะไม่เก็บภายในสิ่งมีชีวิต พลังงานที่เก็บไว้มีประโยชน์อยู่ใน 95 โมลของเอทีพี (รูปที่ 1B) (สมการที่คล้ายกันอาจจะเขียนขึ้นสำหรับไขมันหรือโปรตีน แต่เรา จำกัด การสนทนาของเราเป็นน้ำตาลกลูโคสสำหรับความเรียบง่าย). รูปที่ 1: ออกซิเดชันของกลูโคสในความร้อนจะไม่มีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ ผลิตภัณฑ์ของการเกิดออกซิเดชันเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำและทั้งหมดของพลังงานที่ผลิตจะถูกปล่อยออกเป็นความร้อน 1B: เพื่อแสดงให้เห็นถึงความหมายที่ถูกต้องของกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในชีวิตเราจะต้องพิจารณาการอนุรักษ์เรื่องที่และพลังงานรวมถึงการขับถ่ายของผลิตภัณฑ์ในสภาพแวดล้อมภายนอก ไม่มีผลิตภัณฑ์ของการเกิดออกซิเดชัน (CO2 และ H2O) ยังคงอยู่ในสิ่งมีชีวิต มีความสมดุลทางทฤษฎีและไม่มีการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักสุทธิ เฉพาะเอทีพีคิดเป็นพลังงานที่มีประโยชน์ที่จะยังคงอยู่ ความร้อนที่สูญเสียไปถือว่าเป็น 60% ของการใช้พลังงานของการเกิดออกซิเดชันในขณะที่ประสิทธิภาพสะท้อนให้เห็นในเอทีพีสะสมที่มีอยู่สำหรับปฏิกิริยาในสิ่งมีชีวิต ร้านค้าไขมันในร่างกายมีความหมายเป็น TAG (triacylglycerol) 1C วิธีการทั่วไปของความคิดของการลดน้ำหนักจากการลดลงของแคลอรี่ ถ้าพูดถึงเรื่องของเรา ingests 2.3 โมลของกลูโคส (หรือเทียบเท่าไขมันและ / หรือโปรตีน) และผลิตเพียง 90 โมลของเอทีพีแล้วสภาวะสมดุลจะขอความช่วยเหลือร้านค้าที่ร่างกายของไขมัน (และ / หรือมวลของร่างกาย) เพื่อผลผลิตนอกจากนี้จำเป็นต้องใช้ 5 โมลเอทีพี CO2 ผลเพิ่มเติมและ H2O (และความร้อน) จะถูกขับออกมา (และรังสี) ที่นำไปสู่การสูญเสียน้ำหนัก 1D: ถ้าอย่างมีประสิทธิภาพจะลดลงแล้วเรื่องของเราจะต้องกินมากขึ้น (เช่น 2.9 โมลของน้ำตาลกลูโคสหรือเทียบเท่าไขมัน / โปรตีน) ในการผลิต 95 โมลของเอทีพีและยังคงอยู่ที่น้ำหนักเดียวกัน CO2 เพิ่มเติมและ H2O ผลิตจะถูกขับออกมาการรักษาน้ำหนักคงที่ 1E: ภายใต้เงื่อนไขของการเผาผลาญอย่างมีประสิทธิภาพลดลง (จาก 40% เป็นประมาณ 38% ในตัวอย่างนี้) 90 โมลของเอทีพีจะได้รับการผลิตจากการเกิดออกซิเดชันของกลูโคส 2.5 โมล (หรือเทียบเท่าไขมัน / โปรตีน) ส่วนที่เหลืออีก 5 ไฝที่จำเป็นสำหรับเอทีพีสภาวะสมดุลจะต้องทำขึ้นมาจากการเกิดออกซิเดชันของร้านค้าที่ร่างกายของมวลไขมันหรือไม่ติดมัน ซึ่งจะส่งผลในการลดน้ำหนักตรงตามที่มันไม่สำหรับตัวอย่างของแคลอรี่ลดลง (รูปที่ 1C). ภาพประกอบข้างต้นสามารถนำมาเปรียบเทียบกับการเกิดออกซิเดชันของกลูโคสในความร้อนที่ไม่มีการใช้พลังงานที่มีประโยชน์ที่จะได้รับและพลังงานทั้งหมดของการเกิดออกซิเดชันเป็น วัดความร้อนที่ผลิต กระบวนการนี้จะไม่มีประสิทธิภาพอย่างสมบูรณ์ แบบดั้งเดิม (แอ็ทวอเตอร์) มูลค่ากลูโคสที่ได้รับในความร้อนจะอยู่ที่ประมาณ 4 กิโลแคลอรีพลังงานต่อกรัม (รูปที่ 1A) ในทางตรงกันข้ามสิ่งมีชีวิตดังกล่าวข้างต้น metabolizes และ oxidizes กลูโคสเพื่อให้ประมาณร้อยละสี่สิบของพลังงานของการเกิดออกซิเดชันจะถูกเก็บไว้เป็นประโยชน์เอทีพี (38 โมลต่อโมลของกลูโคส)) ในขณะที่ร้อยละหกสิบถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อน, การขาดประสิทธิภาพในโหมดนี้ของการเกิดออกซิเดชัน . เอนโทรปี (เช่นกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์) แสดงให้เห็นถึงการขาดประสิทธิภาพในการนี้ ความร้อนความร้อนไม่สามารถตีความได้ในวิธีที่ง่าย พลังงานที่เก็บไว้ในที่มีประโยชน์เอทีพีแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของ 40% (ละเลยความแตกต่างในเอนโทรปีระหว่างโครงสร้างของผลิตภัณฑ์และสารตั้งต้นที่) ค่านี้จะใกล้เคียงกับประสิทธิภาพในการเกิดออกซิเดชันของคาร์โบไฮเดรตเช่นเดียวกับไขมันในขณะที่โปรตีนจะถูกออกซิไดซ์โดยทั่วไปมูลค่าที่ลดลงประมาณ 30-35% (รูปที่ 1B). บทสรุปของอุณหพลศาสตร์ในชีวิต1 กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สั่งการให้มีการขาดประสิทธิภาพการเผาผลาญหลีกเลี่ยงไม่ได้ในกระบวนการทางชีววิทยาและชีวเคมีทั้งหมดที่มีความร้อนและโมเลกุลของเอนโทรปีสูง (คาร์บอนไดออกไซด์, น้ำ, ยูเรีย) เป็นผลิตภัณฑ์ที่พบมากที่สุด. 2 กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์มีความพึงพอใจในการดำรงชีวิต (เปิด) ระบบโดยต้องคิดเป็นมวลขับออกมาและความร้อนที่แผ่และส่งออกในโมเลกุลเอนโทรปีสูง. การสูญเสียน้ำหนักเนื่องจากการบริโภคแคลอรี่ลดลงตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของการลดน้ำหนักคือการลดลงของการบริโภคแคลอรี่. ที่เสี่ยงต่อการเปลือกถ้าเรื่องของเรา ingests น้อยกว่า 2.5 โมลของน้ำตาลกลูโคสและผลิตตัวอย่างเช่นเพียง 90 เดือน