在我的一生中，我从来没有过多地关注健康、锻炼、饮食或营养。我知道你应该进行一些锻炼，吃点蔬菜或别的什么，但它停留在那种(“妈妈说”-)抽象的层面上。我也知道在我年轻的时候，我可能会因为一些无知而逍遥法外，但在某种程度上，我扰乱了我的健康调整后的预期寿命。因此，大约在2019年中途，我决定花一些时间更详细地研究这些主题，并尝试一些生物黑客。现在是…。已经一年了！
人体新陈代谢的地铁地图。就这篇文章而言，重要的部分是三种常量营养素(绿色：脂质，红色：碳水化合物，蓝色：氨基酸)和橙色(神奇发生的地方)的新陈代谢，氧化新陈代谢，包括柠檬酸循环、电子传输链和ATP合成酶。完整详细信息链接。
现在，我不会撒谎，过去一年的生酮饮食，(持续的)血糖/β-羟基丁酸测试，间歇性禁食，延长禁水期，各种补充剂，血液测试，心率监测器，地塞卡扫描，睡眠跟踪器，睡眠研究，有氧设备，抵抗力训练程序等等，这些事情有点失控，我不会详细说明，因为这让疯狂的科学家有点发疯。但作为一个在高中/大学期间学过很多物理、一些化学但基本上没有生物的人，经历其中一些实验是非常有趣的，也是学习一些教科书的一个很好的借口，这些教科书涉及生物化学(我喜欢“细胞的分子生物学”)、生物学(我喜欢坎贝尔的生物学)、人类营养学(我喜欢“高级营养与人类新陈代谢”)等。
在这篇文章中，我想把重点放在我的一些关于减肥的实验上，因为1)体重很容易测量，2)它的生物化学很有趣。特别是，2019年6月，我大约200磅，我决定至少减掉25磅，才能把自己减到~175磅，根据一些出版物的说法，这是我的性别、年龄和身高中全因死亡率最低的体重。显然，目标体重是一种过于直截了当的工具，本身几乎与健康和总体幸福感几乎没有关系。我也明白，减肥是一个敏感而复杂的话题，很多人从不同的角度对此进行了讨论。这篇文章的目的是在动物王国的生物化学和能量新陈代谢方面变得乏味，并潜在地激励其他人进行他们自己的生物黑客小冒险。
到底减掉了什么体重？所以事实证明，粗略地说，我们的体重更重，因为我们的电池非常满。人体就像一部有电池组的iPhone，电池组几乎可以无限增长，随着我们周围食物的丰富，我们几乎不会从充电插座上拔出插头。在这种情况下，电池主要是储存在其中的脂肪组织和甘油三酯(脂肪)，它们被急切地储存起来(有时也是合成的！)。被你的身体燃烧成能量，以防食物变得稀缺。这一切都是非常聪明和花哨的，当时我们的狩猎采集祖先在冰河时代偶尔击落一头猛犸象，但今天不是那么多了，甜点菜单上伪装着武器化的松露双层巧克力软糖芝士蛋糕。
身体的电池。准确地说，人体大约有4个电池可用，每个电池的总容量和可移动的延迟/吞吐量各不相同。每种存储介质的生化实现细节各不相同，但值得注意的是，在每种情况下，你的身体都会为了一个唯一的目的而将电池放电：从ADP合成三磷酸腺苷(ATP)(从技术上讲，也有一些来自NADH/NADPH的“氧化还原能力”)。合成过程本身相对简单，只需取一个二磷酸腺苷(ADP)分子，然后按字面意思将第三个磷酸基团连接到其末端。这样做有点像一种分子，相当于挤压和加载弹簧：
从ADP合成ATP，通过在第三个磷酸基团中折断以加载弹簧来完成。从这里借来的图像。
这完全不是显而易见和值得注意的--单个分子(ATP)的功能相当于一张通用的1美元钞票，它能“支付”你的蛋白质机器所做的大部分工作。更好的是，这个系统被证明有一个古老的起源，对地球上所有的生命都是共同的。需要通过细胞膜(主动)运输一些分子吗？ATP与跨膜蛋白的结合提供了所需的“umph”。需要暂时解开DNA的氢键吗？ATP与蛋白质复合物结合，为拉链提供动力。需要将肌球蛋白沿着肌动蛋白细丝向下移动才能收缩肌肉吗？ATP来救援了！需要在细胞的细胞骨架周围运送蛋白质吗？ATP为微小分子马达(动蛋白)提供动力。需要附加AMIN
现在，人体在任何时候都只能维持极少量的ATP分子“供应”。ATP迅速水解，切断第三个磷酸基团，释放能量做功，留下ADP。如前所述，我们大约有4块电池可以全部“放电”，从ADP重新生成ATP：
超短期电池。这将是一个磷酸肌酸系统，它可以缓冲附着在肌酸上的磷酸基，这样ADP就可以非常快地在本地循环为ATP，对于我们来说几乎不值得一提，因为它的容量是如此之小。大量的运动员服用肌酸补充剂来增加这种缓冲。
短期电池。糖原，一种在肝脏和骨骼肌中发现的葡萄糖的分支多糖。肝脏可以储存大约120克，骨骼肌大约可以储存400克。大约4克葡萄糖也在你的血液中循环。你的身体从葡萄糖的完全氧化(加起来糖酵解和氧化磷酸化)中获得大约4千卡/克，所以如果你计算一下，你的糖原电池大约储存了2000千卡。这也恰好是一个普通成年人的基本代谢率，也就是说，仅仅是“亮着灯”24小时所需的能量。现在，糖原并不是一种令人惊叹的储能介质--不仅因为它的能量密度不是很高(克/千卡)，而且它还是一块海绵，它与它结合了太多的水(每1克糖原约3克水)，这最终让我们得出：
长期电池。到目前为止，脂肪组织是你的主要超高密度超大容量电池组。例如，截至2019年6月，我200磅体重中约有40磅是肥胖的。由于脂肪的能量密度明显高于碳水化合物(9千卡/克而不是4千卡/克)，我的脂肪储存了40磅=18千克=18,000克x 9千卡/克=162,000千卡。这是一个惊人的能量数量。如果能量是唯一的限制，我的身体仅靠这个就可以跑162,000/2,000=81天。因为一根炸药大约是1兆焦耳(239千卡)的能量，我们说的是678根炸药。或者因为一个100kWh的特斯拉电池组可以储存360MJ，如果它带有手柄，原则上我可以给它充电近两次！哈。
瘦体重：(。当你足够禁食并被迫这样做时，你身体的生物化学将依靠燃烧瘦体重(主要是肌肉)来为你的身体提供动力。这是你身体的“最后手段”电池。
所有这四个电池在任何时候都以不同的量进行充放电。如果你刚吃了一块饼干，你的饼干很快就会被分解成葡萄糖，它会在你的血液中循环。如果周围有太多的葡萄糖(如果是饼干的话)，你的合成代谢途径会迅速将其储存为肝脏和骨骼肌中的糖原，或者(如果数量丰富，更罕见的情况下)将其转化为脂肪。在分解代谢方面，如果你开始慢跑，你将主要使用(1)前~3秒，(2)接下来的8-10秒，然后(2，3)一旦你的身体通过增加心率、呼吸频率和氧气运输进入更高的档位，(2，3)就会有氧地增加(一个更长的潜伏期，更高的吞吐量)。(4)如果你让自己挨饿或在饮食中剥夺身体的碳水化合物，它就会发挥作用。
左图：对食物的精美总结，食物的三种主要常量营养素形式，它们各自的存储系统(糖原、肌肉、脂肪)，以及这些电池的共同放电，所有这些都只是为了通过附加第三个磷酸基团从ADP中制造ATP。右图：再次强调分子弹簧：ATP只需一次又一次地从ADP上取下弹簧并加载它，就可以不断地循环使用。从这张漂亮的报纸上借来的照片。
由于我是一名计算机科学家，很难避免将这种“能量层次结构”与典型计算机系统的内存层次结构进行比较。到处移动能量(以化学方式储存在分子的高能C-H/C-C键中)就像在芯片上移动比特一样昂贵。(1)是您的L1/L2缓存-它是本地的、即时的，但很小。无氧(2)通过胞浆中的糖酵解是你的RAM，有氧呼吸(3)是你的磁盘：高潜伏期(脂肪酸从脂肪组织一直通过血液穿梭！)。而是高吞吐量和海量存储。
减肥的源泉。那么，当你“减肥”的时候，你的体重到底去了哪里呢？这是一个简单的问题，但它难住了大多数人，包括我年轻时的自己。你的体重最终只是组成你的原子的单个重量的总和-碳、氢、氮、氧等排列成一个复杂的有机分子动物园。前一天你可能重180磅，下一天你可能重178磅。那2磅原子去哪儿了？事实证明，你的大部分日常波动都归因于水分滞留，这可能会随着你的钠水平、当前的糖原水平、各种激素/维生素/矿物质水平等而变化很大。胃/肠和粪便/尿液的含量也会增加这一点。但是，当你“失去”它或“燃烧”它时，脂肪具体去了哪里呢？构成它的那些碳/氢原子不会就这样蒸发掉。(如果我们的身体可以蒸发它们，我们预计E=mc^2的能量，这将是很酷的)。不管怎么说，结果是你呼出了你大部分的体重。你的呼吸看起来是透明的，但你吸入了一束氧气，呼出了一束二氧化碳。你刚才呼出的二氧化碳中的碳可能是你脂肪中甘油三酯分子的一部分。想想你每次呼气(在禁食状态下)，你实际上是在用碳水化合物呼出脂肪碳，这是非常有趣的。有一场很棒的TED演讲，甚至一整篇论文都涉及到了完整的生物化学/化学计量学。
燃烧。现在让我们来看看减肥背后的化学过程。你知道怎样才能把木头点燃来“烧掉”它吗？这个化学反应就是燃烧；你把一束有很多C-C和C-H键的有机物，用火花提供所需的活化能，让周围贪婪的电负性氧气与之反应，将所有的碳剥离成二氧化碳(CO2)，将所有的氢气剥离到水(H2O)中。这个反应在这个过程中释放出大量的热量，从而维持这个反应，直到所有能量丰富的C-C和C-H键都被耗尽。这些键被称为“富能”，因为从能量上说，碳实际上是二氧化碳(CO2)，而氢实际上是水(H2O)，但这个反应受到活化能障碍的限制，允许大量富含C-C/C-H的大分子以稳定的形式存在，在环境条件下和有氧的情况下。
细胞呼吸：“慢动作”燃烧。值得注意的是，你的身体在输入(有机化合物)、输出(CO2和H2O)和化学计量方面做了完全相同的事情，但燃烧不是爆炸性的，而是缓慢和可控的，有大量的分子中间体折磨着生物系的学生。这一生化奇迹始于脂肪/碳水化合物/蛋白质(富含C-C和C-H键的分子)，然后通过糖酵解/β氧化、柠檬酸循环、氧化磷酸化，再到电子传输链和“哇哦你都是认真的”分子马达-ATP合成酶，经历了分步、完整、慢动作的燃烧过程，而不是DNA。好的，可能与核糖体有关。更好的是，这是一个非常高效的过程，可以将近40%的能量以ATP的形式捕获(其余的以热量的形式损失)。这比你典型的25%左右的内燃机效率要高得多。
左图：在化学上，单就投入和产出而言，用火烧东西等同于为了我们的能量需求而烧食物。正确：富含C-C/C-H的分子的完全氧化不仅为我们的身体提供动力，而且为我们的许多技术提供动力。
光合作用：“逆燃烧”。如果H2O和CO2受到如此强烈的青睐，那么值得记住的是，所有这些富含C-C、C-H的燃料最初都是从哪里来的。当然，它来自植物--OG纳米分子工厂。在光合作用的过程中，植物用光将水分子中的氢原子从氧中剥离出来，并通过进一步的加工从大气中抓取二氧化碳(CO2)乐高积木来构建各种有机物。有趣的是，与固定H2O中的氢和CO2中的碳不同，植物无法固定大气中过多的氮(N2中的三重键非常强)，并依赖细菌合成更具化学活性的形式(氨、NH3)，这就是为什么化肥对植物生长如此重要，也是为什么哈伯-博世法案基本上避免了马尔萨斯灾难。无论如何，问题是植物从这些基本的乐高积木(二氧化碳，水)中构建出各种极其复杂的有机分子，所有这些分子基本上都是通过光合作用的奇迹由光驱动的。太阳光的能量被困在制造的有机物的C-C/C-H键中，我们食用这些有机物并将其氧化回CO2/H2O(捕获约40%的
这种巧克力曲奇以每小时6英里(相当平均的跑步速度)提供30分钟的动力。
能源短缺。总而言之，你消耗的能量(BMR+运动量)减去你摄入的能量(仅通过食物)就是你的能量赤字。这意味着你的电池将比充电时放电更多，呼出的脂肪比你合成/储存的更多，减少了电池组的尺寸，在秤上记录的也更少，因为早上组成你甘油三酯链的所有碳原子现在都扩散到了大气中。
所以…。几本课本之后，我们发现要想减肥，就应该少吃多运动。
实验区。那么，应该引入多大的赤字呢？我不想让赤字太大，让我压力大，让我生气，影响我的工作。此外，随着更大的赤字，你的身体将越来越多地开始牺牲瘦体重(纸张)。为了简单起见，我的目标是每周减掉大约1磅，这与我在几篇论文中找到的几个建议是一致的。由于1lb=454克，1克脂肪估计约为454克。9千卡，而脂肪组织是~87%的脂肪，一些(非常粗略的)餐巾纸数学表明，3500千卡=1磅脂肪。这方面的确切细节要复杂得多，但这将表明目标赤字约为500大卡/天。我发现，仅靠限制卡路里很难达到这个赤字，而从心理上讲，在盈亏平衡点附近进食要容易得多，而用有氧运动来创造大部分赤字要容易得多。我在2019年6月开始实验，体重约为195磅(下图第120天)，一年后我的体重为165磅，总体经验速度为0.58磅/周：
我的体重(磅)随时间(天)变化。最初的120天是控制组，在我的日常生活中，我吃任何东西，直到感觉饱为止。从那时起，我每天平均保持500卡路里的赤字。一些作弊行为和一些禁水日是可以辨别出来的。
其他的东西。我应该提到的是，尽管这篇文章的重点是这个实验，但对我来说，这个实验当然比单纯的减肥要广泛得多，因为我试图改善许多其他变量，我开始理解我们。
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