Niezbędne Składniki Odżywcze – czego organizm potrzebuje, a co potrafi wytworzyć?
Człowiek jest układem otwartym: oddycha, pije, je, wydala produkty przemiany materii i oddaje ciepło. Ta ciągła wymiana materii i energii z otoczeniem pozwala utrzymać homeostazę mimo zmian zachodzących zarówno w ciele, jak i poza nim. Pytanie jest więc proste: co musi napływać z zewnątrz, żeby organizm działał, pozostawał zdrowy i w ogóle żył? Nie wszystko potrzebne jest w gotowej postaci. Człowiek syntetyzuje ogromną liczbę związków, przekształca jedne substancje w inne, odzyskuje część materiałów i z dostarczonych surowców buduje własne struktury. Ta samowystarczalność ma jednak granice. Z otoczenia muszą pochodzić niektóre substancje organiczne, których ciało nie potrafi wytworzyć oraz określone pierwiastki. Inne związki potrafi zsyntetyzować, o ile dostanie odpowiednie substraty. Jeszcze inne nie decydują o samym przeżyciu, ale wyraźnie zwiększają szansę na zachowanie zdrowia. Dlatego „niezbędność” warto rozdzielić na kilka poziomów.
I. Fundament: materia, energia i tlen
Zanim przejdziemy do witamin, aminokwasów czy minerałów, trzeba cofnąć się o jeden poziom. Człowiek potrzebuje nie tylko określonych składników pokarmowych. Potrzebuje przede wszystkim materii, energii i odpowiednich warunków fizycznych, aby utrzymywać procesy życiowe. W najbardziej fundamentalnym sensie można więc wyróżnić:
1. wodę,
2. tlen,
3. materię organiczną i nieorganiczną,
4. energię.
Nie wszystkie te elementy są jednak „składnikami odżywczymi” w ścisłym znaczeniu.
1. Woda: środowisko życia
Woda jest najbardziej podstawową substancją, którą organizm musi otrzymywać z otoczenia. Stanowi znaczną część masy ciała i jest niezbędna praktycznie na każdym poziomie organizacji organizmu. Jest rozpuszczalnikiem, środowiskiem reakcji chemicznych, uczestniczy w transporcie substancji, termoregulacji, utrzymywaniu objętości krwi oraz funkcjonowaniu komórek.
Organizm wytwarza pewną ilość wody metabolicznej, między innymi podczas utleniania składników energetycznych. Nie jest to jednak ilość wystarczająca do pokrycia całego zapotrzebowania. Woda musi więc być regularnie dostarczana z zewnątrz, bezpośrednio w napojach oraz wraz z żywnością. W praktyce jest to najbardziej oczywisty przykład substancji, której niedobór może bardzo szybko doprowadzić do zaburzenia homeostazy, a następnie do śmierci.
2. Tlen: nie składnik odżywczy, ale warunek metabolizmu
Tlen wymaga osobnego potraktowania. Nie jest składnikiem odżywczym w klasyfikacji dietetycznej. Jest jednak substancją bezwzględnie niezbędną dla normalnego funkcjonowania ludzkiego organizmu.
Komórki wykorzystują tlen przede wszystkim w mitochondriach podczas oddychania komórkowego. Umożliwia on efektywne pozyskiwanie energii z substratów metabolicznych i produkcję ATP. Bez ciągłego dopływu tlenu tkanki zaczynają bardzo szybko tracić zdolność do prawidłowego funkcjonowania. Szczególnie wrażliwy jest mózg. Dlatego jeśli pytamy o najbardziej elementarne „cegiełki” ludzkiego życia, tlen powinien znaleźć się na liście z zastrzeżeniem, że nie jest składnikiem odżywczym dostarczanym z pożywieniem.
3. Energia: organizm nie może jej wyprodukować z niczego
Drugim fundamentalnym warunkiem życia jest energia. Organizm potrzebuje jej między innymi do:
— syntezy białek i DNA,
— utrzymywania gradientów jonowych,
— pracy mięśni,
— przewodzenia impulsów nerwowych,
— transportu aktywnego,
— termoregulacji,
— naprawy i odtwarzania tkanek.
Energia może być pozyskiwana z różnych substratów: przede wszystkim z tłuszczów i węglowodanów, ale również z aminokwasów. To prowadzi do ważnego rozróżnienia: energia jest niezbędna, ale żaden konkretny makroskładnik nie jest absolutnie niezbędny jako jedyne jej źródło.
Człowiek może uzyskiwać energię z tłuszczu, może utleniać aminokwasy, a przy ograniczonej podaży węglowodanów może w znacznym stopniu przestawić metabolizm na ciała ketonowe. Nie można natomiast „nie dostarczać energii” i jednocześnie oczekiwać, że organizm będzie w nieskończoność utrzymywał homeostazę.
II. Niezbędne składniki odżywcze
Dopiero tutaj zaczyna się właściwa lista niezbędnych składników odżywczych, których organizm nie potrafi wytworzyć w wystarczającej ilości. Do najważniejszych kategorii należą:
— niezbędne aminokwasy,
— niezbędne kwasy tłuszczowe,
— witaminy,
— niezbędne składniki mineralne,
— cholina.
Ich wspólną cechą jest to, że organizm nie może w wystarczającym stopniu pokryć własnych potrzeb wyłącznie poprzez syntezę endogenną.
4. Dziewięć aminokwasów egzogennych – materiał budulcowy białek
Białka są jednymi z podstawowych struktur organizmu. Tworzą mięśnie, skórę, włosy, enzymy, receptory, przeciwciała i ogromną liczbę innych struktur. Są również źródłem wielu cząsteczek pełniących funkcje regulacyjne. Białka zbudowane są z aminokwasów. Człowiek wykorzystuje 20 standardowych aminokwasów do syntezy własnych białek, ale nie wszystkie musi otrzymywać bezpośrednio z pożywienia.
Dziewięć z nich jest niezbędnych:
— histydyna,
— izoleucyna,
— leucyna,
— lizyna,
— metionina,
— fenyloalanina,
— treonina,
— tryptofan,
— walina.
Muszą pochodzić z diety. Pozostałe jedenaście organizm potrafi syntetyzować, choć nie wszystkie w każdych warunkach i nie wszystkie z jednakową łatwością.
Do aminokwasów endogennych, które zdrowe ciało wytwarza zwykle w wystarczającej ilości, należą:
— alanina
— asparagina
— kwas asparaginowy
— kwas glutaminowy
— seryna
Osobną grupę stanowią aminokwasy warunkowo niezbędne. Szlaki ich syntezy istnieją, ale przy dużym zapotrzebowaniu, niedojrzałości metabolicznej albo chorobie przestają wystarczać. Najczęściej zalicza się tu:
— argininę
— cysteinę
— glutaminę
— glicynę
— prolinę
— tyrozynę
Część z nich zależy przy tym od aminokwasów egzogennych. Tyrozyna powstaje z fenyloalaniny, a cysteina z metioniny. Niedobór prekursora ogranicza więc syntezę pochodnej.
Zapotrzebowanie na aminokwasy warunkowo niezbędne rośnie między innymi w okresie intensywnego wzrostu, u wcześniaków, po ciężkich urazach, w infekcjach i w niektórych chorobach.
Dlatego „niezbędność” nie jest absolutna. To, czy organizm sam wytworzy daną substancję, zależy nie tylko od szlaku metabolicznego, lecz także od stanu, w jakim się znajduje.
5. Dwa niezbędne kwasy tłuszczowe
W przeciwieństwie do wielu innych tłuszczów organizm człowieka nie potrafi samodzielnie wytworzyć dwóch wielonienasyconych kwasów tłuszczowych:
— kwasu linolowego (LA, omega-6),
— kwasu α-linolenowego (ALA, omega-3).
Muszą więc pochodzić z diety. Są wykorzystywane między innymi do budowy błon komórkowych i jako substraty do produkcji innych biologicznie aktywnych lipidów. Organizm może przekształcać ALA w dłuższe kwasy tłuszczowe, między innymi EPA i DHA, choć proces ten jest ograniczony. Dlatego EPA i DHA są niezwykle ważne biologicznie, ale nie należy automatycznie utożsamiać ich z absolutnie niezbędnymi składnikami diety w takim samym sensie jak LA i ALA.
Zdolność syntezy nie oznacza wystarczającej produkcji
W tym miejscu trzeba rozróżnić dwie kwestie: czy organizm potrafi samodzielnie wytworzyć określoną substancję oraz czy potrafi wytworzyć jej wystarczająco dużo, aby pokryć swoje potrzeby fizjologiczne.
Dobrym przykładem są długołańcuchowe kwasy tłuszczowe omega-3: EPA i DHA. Organizm może syntetyzować je z kwasu α-linolenowego (ALA), ale wydajność tego procesu jest ograniczona, szczególnie w przypadku DHA. Sama obecność szlaku metabolicznego nie gwarantuje więc odpowiedniej podaży tych substancji.
EPA i DHA pełnią ważne funkcje biologiczne. Są składnikami błon komórkowych, uczestniczą w regulacji procesów fizjologicznych, a DHA ma szczególne znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania mózgu i siatkówki oka.
Dlatego, mimo że EPA i DHA nie są klasyfikowane jako bezwzględnie niezbędne kwasy tłuszczowe w takim samym sensie jak LA i ALA, ich bezpośrednie dostarczanie z pożywieniem jest zalecane. Pozwala zwiększyć ich dostępność niezależnie od ograniczonej wydajności syntezy endogennej i wspiera utrzymanie prawidłowych funkcji organizmu.
To, że organizm potrafi coś wytworzyć, nie oznacza jeszcze, że potrafi wytworzyć tego wystarczająco dużo. Niezbędność biologiczna nie zawsze oznacza całkowity brak zdolności syntezy. Może również wynikać z tego, że organizm nie potrafi wytworzyć danej substancji w ilości wystarczającej do pokrycia swoich potrzeb fizjologicznych.
6. Trzynaście witamin: małe cząsteczki, wielkie funkcje
Witaminy są potrzebne w stosunkowo niewielkich ilościach, ale ich znaczenie jest ogromne. Nie są zazwyczaj źródłem energii ani głównym materiałem budulcowym. Działają przede wszystkim jako regulatory procesów metabolicznych, kofaktory enzymów lub związki o wyspecjalizowanych funkcjach biologicznych. Mamy 13 klasycznie uznawanych witamin.
Rozpuszczalne w tłuszczach:
A – wzrok, różnicowanie komórek, odporność.
D – gospodarka wapniowo-fosforanowa, kości i wiele procesów regulacyjnych.
E – ochrona składników komórkowych przed utlenianiem.
K – prawidłowe krzepnięcie i metabolizm kości.
Rozpuszczalne w wodzie:
B1 – tiamina – metabolizm energetyczny i funkcjonowanie układu nerwowego.
B2 – ryboflawina – reakcje oksydacyjno-redukcyjne i metabolizm energetyczny.
B3 – niacyna – kluczowe koenzymy NAD i NADP.
B5 – kwas pantotenowy – składnik koenzymu A.
B6 – witamina B6 – metabolizm aminokwasów i synteza wielu neuroaktywnych związków.
B7 – biotyna – reakcje karboksylacji i metabolizm składników odżywczych.
B9 – foliany – synteza DNA i podziały komórkowe.
B12 – kobalamina – metabolizm komórkowy, synteza DNA i prawidłowe funkcjonowanie układu nerwowego.
C – kwas askorbinowy – między innymi synteza kolagenu, metabolizm i funkcje antyoksydacyjne.
Warto przy tym pamiętać, że „niezbędna witamina” nie zawsze oznacza „witamina, którą człowiek musi otrzymać z pożywieniem w każdych warunkach”. Najlepszym przykładem jest witamina D. Organizm może wytwarzać ją w skórze pod wpływem promieniowania UVB. W praktyce jednak jej synteza może być niewystarczająca, zależnie między innymi od ekspozycji na słońce, pory roku, szerokości geograficznej, pigmentacji skóry i stylu życia. Z kolei część zapotrzebowania na niacynę (witaminę B3) organizm może pokrywać dzięki jej syntezie z tryptofanu.
Rezerwy metaboliczne – dlaczego niedobory nie pojawiają się od razu?
Organizm nie tylko pobiera i wykorzystuje składniki odżywcze, ale również magazynuje część z nich, odzyskuje je i reguluje tempo ich zużywania. Dzięki temu przejściowy brak określonej substancji w diecie nie musi natychmiast prowadzić do zaburzeń funkcjonowania. Czas ujawnienia się niedoboru zależy między innymi od wielkości zgromadzonych zapasów, tempa ich zużywania oraz możliwości odzyskiwania i ponownego wykorzystania danej substancji.
Dobrym przykładem jest witamina B12, której zapasy, zgromadzone głównie w wątrobie, mogą wystarczać na kilka lat. Z kolei zasoby witaminy C są znacznie mniejsze, dlatego przy długotrwałym braku jej podaży objawy niedoboru mogą pojawić się już po kilku tygodniach lub miesiącach. Żelazo jest magazynowane przede wszystkim w postaci ferrytyny, a organizm odzyskuje znaczną jego część podczas rozpadu zużytych krwinek czerwonych.
Istotną rolę odgrywa również homeostaza. Organizm może przez pewien czas utrzymywać prawidłowe stężenie określonej substancji we krwi, mimo zmniejszania się jej zapasów. Przykładem jest wapń, którego stężenie we krwi podlega ścisłej regulacji hormonalnej. W razie potrzeby organizm może uwalniać wapń z kości, aby utrzymać jego odpowiedni poziom we krwi. Dlatego prawidłowe stężenie wapnia w surowicy nie oznacza automatycznie, że jego podaż jest wystarczająca ani że zasoby kostne pozostają nienaruszone.
Brak objawów niedoboru nie musi więc oznaczać, że organizm dysponuje odpowiednimi zasobami. Podobnie prawidłowe stężenie substancji we krwi nie zawsze odzwierciedla jej całkowitą dostępność w organizmie.
Zdolność magazynowania, odzyskiwania i regulowania stężenia składników odżywczych pozwala utrzymywać homeostazę mimo przejściowych niedoborów. Mechanizmy te mają jednak swoje granice. Jeżeli straty i zużycie przez dłuższy czas przewyższają podaż oraz możliwości odzyskiwania, rezerwy stopniowo się wyczerpują, a ryzyko zaburzeń fizjologicznych wzrasta.
7. Minerały – pierwiastki, których organizm nie potrafi wyprodukować
Tutaj dochodzimy do najbardziej dosłownego znaczenia słowa „elementarne”. Organizm może syntetyzować związki organiczne. Nie może natomiast stworzyć atomu wapnia, żelaza czy jodu z innych atomów poprzez zwykły metabolizm. Pierwiastki chemiczne muszą więc ostatecznie pochodzić ze środowiska. Ale uwaga, nie każdy pierwiastek obecny w organizmie jest niezbędnym składnikiem odżywczym. Do niezbędnych składników mineralnych zalicza się między innymi:
Makroelementy
Wapń – kości, zęby, skurcz mięśni, przewodnictwo nerwowe.
Fosfor – ATP, kwasy nukleinowe, fosfolipidy i kości.
Magnez – kofaktor setek reakcji enzymatycznych, funkcjonowanie mięśni i układu nerwowego.
Sód – gospodarka wodno-elektrolitowa, przewodnictwo nerwowe.
Potas – potencjał błonowy, funkcjonowanie mięśni i serca.
Chlorki – równowaga elektrolitowa oraz produkcja kwasu solnego w żołądku.
Siarka – występuje między innymi w metioninie i cysteinie oraz w licznych związkach biologicznych.
Pierwiastki śladowe
Żelazo – hemoglobina, mioglobina i enzymy.
Cynk – enzymy, ekspresja genów, odporność, gojenie.
Miedź – metabolizm żelaza, enzymy, tkanki łączne.
Mangan – kofaktor określonych enzymów.
Jod – produkcja hormonów tarczycy.
Selen – składnik selenoprotein, w tym enzymów antyoksydacyjnych i metabolizmu hormonów tarczycy.
Molibden – kofaktor kilku enzymów.
Tu potrzebne są jednak pewne zastrzeżenia. Chrom, fluor i kobalt nie powinny być przedstawiane bez zastrzeżeń jako równoważne żelazu, jodowi czy cynkowi. Ich status żywieniowy i znaczenie dla człowieka są odmienne. Kobalt jest dobrym przykładem. Występuje w strukturze witaminy B12, ale nie oznacza to, że człowiek musi dostarczać „kobalt” jako osobny składnik diety. W praktyce dostarczamy witaminę B12.
To pokazuje różnicę między: pierwiastkiem obecnym w biologicznej cząsteczce a niezależnym składnikiem odżywczym.
Od niedoboru do toksyczności – dlaczego znaczenie ma dawka?
To, że określony składnik odżywczy jest niezbędny do życia, nie oznacza, że im więcej go dostarczymy, tym lepiej. Organizm potrzebuje odpowiedniej ilości danej substancji, a zarówno jej niedobór, jak i nadmiar mogą zaburzać funkcjonowanie komórek, tkanek i narządów.
Dobrym przykładem jest żelazo. Jego niedobór może prowadzić do niedokrwistości i ograniczać zdolność transportu tlenu, natomiast nadmierne gromadzenie się żelaza może uszkadzać tkanki, między innymi poprzez nasilenie reakcji prowadzących do powstawania wolnych rodników.
Podobnie jest z jodem. Jest on niezbędny do produkcji hormonów tarczycy, ale zarówno jego niedobór, jak i nadmierna podaż mogą zaburzać jej funkcjonowanie. Selen z kolei uczestniczy w działaniu enzymów antyoksydacyjnych i metabolizmie hormonów tarczycy, jednak jego nadmiar może wywoływać objawy toksyczności.
W nauce o żywieniu rozróżnia się kilka istotnych pojęć:
— Zapotrzebowanie fizjologiczne – ilość składnika potrzebna do utrzymania określonych funkcji organizmu.
— Zalecana podaż – ilość ustalana na podstawie zapotrzebowania, zwykle z uwzględnieniem różnic między ludźmi, tak aby pokrywać potrzeby niemal wszystkich zdrowych osób w danej grupie.
— Tolerowany górny poziom spożycia – najwyższy poziom długotrwałego, całkowitego spożycia składnika, przy którym nie oczekuje się istotnego ryzyka niekorzystnych skutków zdrowotnych u większości osób z określonej grupy. Nie dla każdego składnika można ustalić taki poziom.
Ważne jest również to, że zapotrzebowanie nie jest stałe. Zależy między innymi od wieku, płci, stanu fizjologicznego, aktywności metabolicznej i stanu zdrowia. Ilość odpowiednia dla jednej osoby nie musi być odpowiednia dla innej.
Niezbędność biologiczna określa, czy organizm potrzebuje danej substancji. Nie określa natomiast, że każda jej dodatkowa ilość przyniesie korzyść.
Prawidłowe odżywianie polega więc nie na maksymalizowaniu podaży składników odżywczych, lecz na dostarczaniu ich w ilościach odpowiadających rzeczywistym potrzebom organizmu, z uwzględnieniem zarówno ryzyka niedoboru, jak i nadmiaru.
8. Cholina – osobna kategoria
Cholina zajmuje szczególne miejsce. Nie jest klasyfikowana jako witamina, ale jest uznawana za niezbędny składnik odżywczy. Organizm potrafi syntetyzować pewną ilość choliny, ale synteza endogenna nie zawsze pokrywa zapotrzebowanie. Cholina jest potrzebna między innymi do:
— syntezy fosfolipidów błon komórkowych,
— produkcji acetylocholiny,
— transportu i metabolizmu lipidów,
— procesów metylacji.
Dobrymi źródłami są między innymi jaja, mięso, podroby, ryby, soja i niektóre inne produkty roślinne.
Granice samowystarczalności metabolicznej: kiedy synteza nie wystarcza
Zdolność organizmu do wytwarzania określonej substancji nie oznacza automatycznie, że potrafi on produkować ją w ilości wystarczającej do pokrycia swoich potrzeb fizjologicznych. O rzeczywistej samowystarczalności metabolicznej decyduje nie tylko obecność odpowiedniego szlaku syntezy, lecz także jego wydajność, dostępność substratów oraz aktualne zapotrzebowanie organizmu.
Przykładem są opisane wcześniej EPA i DHA, których synteza z ALA jest możliwa, ale ograniczona. Pokazuje to, że istnienie szlaku metabolicznego nie gwarantuje produkcji odpowiadającej potrzebom organizmu.
Podobny mechanizm dotyczy choliny, której synteza endogenna nie zawsze pokrywa zapotrzebowanie, dlatego jest ona klasyfikowana jako niezbędny składnik odżywczy.
Kolejnym przykładem są aminokwasy warunkowo niezbędne, takie jak arginina, glutamina, cysteina czy tyrozyna. W normalnych warunkach organizm potrafi je wytwarzać, ale podczas intensywnego wzrostu, ciężkich urazów, infekcji lub niektórych chorób ich synteza może nie nadążać za zapotrzebowaniem.
Nieco inny mechanizm dotyczy witaminy D. Organizm może wytwarzać ją w skórze pod wpływem promieniowania UVB, ale ilość powstającej witaminy zależy od warunków środowiskowych i indywidualnych. W rezultacie własna produkcja nie zawsze zapewnia odpowiednią podaż.
Podobne ograniczenia występują w metabolizmie innych substancji, między innymi tauryny i karnityny, które w określonych stanach fizjologicznych lub chorobowych mogą wymagać dodatkowego dostarczania z zewnątrz.
Warto więc rozróżnić trzy sytuacje:
— Niezbędność bezwzględna, to jest organizm nie potrafi wytworzyć substancji w ilości wystarczającej do pokrycia zapotrzebowania, dlatego musi otrzymywać ją z zewnątrz.
— Niezbędność warunkowa, to jest sytuacja w której organizm zazwyczaj potrafi pokryć zapotrzebowanie poprzez własną syntezę, ale w określonych warunkach jego możliwości stają się niewystarczające.
— Korzyść z dodatkowej podaży, to jest sytuacja w której organizm potrafi syntetyzować substancję, jednak dostarczanie jej z pożywieniem może wspierać określone funkcje fizjologiczne, nawet jeśli nie wykazano jej bezwzględnej niezbędności w diecie.
Oznacza to, że samowystarczalność metaboliczna nie jest wyłącznie kwestią tego, czy organizm potrafi coś wytworzyć, lecz również tego, czy potrafi wytworzyć tego wystarczająco dużo. Granice tej samowystarczalności mogą zmieniać się wraz z wiekiem, stanem zdrowia, dostępnością składników odżywczych i zapotrzebowaniem metabolicznym.
Od pożywienia do komórki: dlaczego sama podaż nie wystarcza?
Dostarczenie organizmowi odpowiedniej ilości składnika odżywczego nie oznacza jeszcze, że zostanie on w pełni wykorzystany. Aby substancja mogła spełnić swoją funkcję biologiczną, musi być dostępna w odpowiedniej postaci, zostać wchłonięta, dotrzeć do właściwych tkanek, a niekiedy również przejść określone przemiany metaboliczne.
Kluczowym pojęciem jest tutaj biodostępność, czyli stopień i tempo, w jakim składnik odżywczy zostaje wchłonięty i staje się dostępny do wykorzystania przez organizm. Zależy ona nie tylko od ilości substancji w pożywieniu, ale również od jej formy chemicznej, składu posiłku, stanu przewodu pokarmowego i indywidualnych właściwości metabolizmu.
Dobrym przykładem jest żelazo. Żelazo hemowe, występujące głównie w produktach pochodzenia zwierzęcego, jest zazwyczaj lepiej przyswajalne niż żelazo niehemowe obecne w produktach roślinnych. Wchłanianie żelaza niehemowego może zwiększać witamina C, natomiast ograniczać je mogą między innymi fityniany obecne w niektórych produktach zbożowych i nasionach roślin strączkowych.
Innym przykładem jest witamina B12. Jej prawidłowe wchłanianie z pożywienia wymaga sprawnego działania żołądka, trzustki i jelita cienkiego, w tym obecności czynnika wewnętrznego wydzielanego przez komórki żołądka. Dlatego nawet odpowiednia podaż B12 nie zawsze chroni przed niedoborem, jeżeli mechanizmy jej wchłaniania są zaburzone.
Znaczenie ma również zdolność przekształcania substancji w postać biologicznie aktywną. Przykładem są karotenoidy prowitaminy A, takie jak beta-karoten, które organizm może przekształcać w witaminę A. Wydajność tego procesu jest jednak zmienna i zależy od wielu czynników.
Oznacza to, że między spożyciem składnika a jego biologicznym działaniem istnieje kilka etapów: uwolnienie z pożywienia, wchłanianie, transport, ewentualne przekształcenie oraz wykorzystanie przez komórki. Zaburzenie któregokolwiek z nich może ograniczać dostępność substancji, nawet gdy jej ilość w diecie wydaje się wystarczająca. Ilość składnika dostarczona z pożywieniem nie jest więc równoznaczna z ilością, którą organizm potrafi rzeczywiście wykorzystać.
Metabolizm jako sieć zależności: dlaczego składniki nie działają niezależnie?
Organizm nie jest zbiorem niezależnych układów wykorzystujących pojedyncze substancje. Jego funkcjonowanie opiera się na sieci powiązanych reakcji biochemicznych, w których produkty jednych przemian stają się substratami kolejnych, a przebieg wielu procesów zależy od jednoczesnej dostępności różnych składników odżywczych.
Dobrym przykładem jest produkcja energii. Glukoza i kwasy tłuszczowe dostarczają substratów energetycznych, ale ich wykorzystanie wymaga sprawnego działania enzymów, koenzymów i mitochondriów. W procesach tych uczestniczą między innymi witaminy z grupy B, magnez i żelazo. Sama obecność paliwa nie gwarantuje więc prawidłowego przebiegu reakcji prowadzących do wytwarzania ATP.
Podobna współzależność występuje podczas syntezy DNA i podziałów komórkowych. Foliany i witamina B12 uczestniczą w powiązanych przemianach metabolicznych, a niedobór któregokolwiek z tych składników może zaburzać prawidłowe tworzenie komórek, szczególnie w tkankach charakteryzujących się intensywnymi podziałami.
Kolejnym przykładem jest gospodarka wapniowo-fosforanowa. Witamina D wspomaga wchłanianie wapnia i fosforanów w jelitach, a ich prawidłowe wykorzystanie zależy również od regulacji hormonalnej oraz funkcjonowania nerek i tkanki kostnej. Oznacza to, że utrzymanie prawidłowej mineralizacji kości nie sprowadza się do dostarczania jednego pierwiastka.
Wzajemne zależności mogą mieć również charakter ograniczający. Niedobór jednego składnika może osłabiać wykorzystanie innych, natomiast nadmiar niektórych substancji może utrudniać ich wchłanianie lub zaburzać równowagę metaboliczną. Przykładowo długotrwałe przyjmowanie dużych dawek cynku może prowadzić do niedoboru miedzi poprzez ograniczenie jej wchłaniania.
Nie oznacza to jednak, że wszystkie składniki muszą być dostarczane jednocześnie ani że każdy z nich wymaga dodatkowej suplementacji. Organizm posiada mechanizmy magazynowania, regulacji i odzyskiwania substancji, które pozwalają mu utrzymywać ciągłość procesów metabolicznych mimo zmian w bieżącej podaży.
Prawidłowe funkcjonowanie organizmu zależy nie tylko od dostępności poszczególnych składników odżywczych, ale również od ich wzajemnych zależności i sprawności procesów, w których uczestniczą.
Dlatego niedobór jednego elementu może ograniczać działanie całego szlaku metabolicznego, nawet jeżeli pozostałe niezbędne substancje są obecne w odpowiednich ilościach.
III. Substancje ważne, ale nie absolutnie niezbędne
W tym miejscu kończy się ścisła lista tego, co jest konieczne i niezbędne. Pojawiają się natomiast substancje, których znaczenie dla zdrowia jest ogromne, ale których brak nie powoduje klasycznego zespołu niedoboru tak jak brak witaminy C powoduje szkorbut. To bardzo ważna kategoria, ponieważ „nie niezbędne” nie oznacza „niepotrzebne” ani „bez znaczenia”.
9. Węglowodany: organizm może je wytwarzać
Węglowodany są jednym z podstawowych źródeł energii w typowej diecie. Glukoza jest szczególnie ważna dla określonych komórek i tkanek. Jednak człowiek posiada zdolność glukoneogenezy, to jest wytwarzania glukozy między innymi z:
— aminokwasów,
— glicerolu,
— mleczanu.
Przy ograniczonej podaży węglowodanów organizm zwiększa również produkcję i wykorzystanie ciał ketonowych. Dlatego żaden konkretny węglowodan nie jest obecnie uznawany za bezwzględnie niezbędny składnik diety zdrowego człowieka. Nie oznacza to jednak, że można postawić znak równości między „nie jest niezbędny” a „jest niepotrzebny”.
Produkty bogate w wartościowe węglowodany takie jak warzywa, owoce, pełne ziarna i rośliny strączkowe dostarczają jednocześnie błonnika, witamin, minerałów i wielu innych związków bioaktywnych.
10. Błonnik: niekonieczny do przeżycia, ważny dla zdrowia
Błonnik jest szczególnym przypadkiem. Nie jest trawiony i wchłaniany w taki sposób jak podstawowe składniki odżywcze. Część jego frakcji jest jednak metabolizowana przez mikroorganizmy jelitowe, które produkują między innymi krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe. Odpowiednia ilość błonnika wiąże się z prawidłową pracą przewodu pokarmowego i korzystnym profilem ryzyka wielu chorób przewlekłych. Nie jest jednak „niezbędny” w takim sensie, w jakim niezbędne są aminokwasy egzogenne czy witamina B12. Dlatego należy umieścić go w kategorii nie absolutnie konieczny do przeżycia, ale istotny dla optymalnego zdrowia.
11. Związki bioaktywne: substancje, których nie można sprowadzić do „witamin”
Rośliny dostarczają ogromnej liczby substancji, które nie są klasyfikowane jako niezbędne składniki odżywcze. Należą do nich między innymi:
— polifenole,
— flawonoidy,
— karotenoidy,
— glukozynolany,
— lignany,
— saponiny,
— fitosterole.
Niektóre z nich wpływają na szlaki metaboliczne, mikrobiotę, procesy oksydacyjne i zapalne.
IV. Co z tego wynika?
Człowiek nie jest maszyną, która musi otrzymywać wszystkie swoje części w gotowej postaci. Jest samoregulującym się układem metabolicznym, który nieustannie przekształca materię.
Z dostarczonych aminokwasów buduje białka.
Z prostych substratów tworzy bardziej złożone cząsteczki.
Z cholesterolu produkuje określone hormony i kwasy żółciowe.
Z ALA może tworzyć dłuższe kwasy tłuszczowe.
Z prekursorów może wytwarzać część witamin.
Z aminokwasów, glicerolu i mleczanu może produkować glukozę.
Niektóre substancje organizm magazynuje. Inne odzyskuje. Jeszcze inne usuwa. Dlatego lista tego, co człowiek musi jeść, jest znacznie krótsza niż lista wszystkich substancji, które znajdują się w jego ciele.
Chemiczne „minimum” człowieka
Potrzeby organizmu można uporządkować według trzech poziomów, rozróżniając podstawowe warunki życia, niezbędne składniki odżywcze oraz substancje, których dodatkowa podaż może wspierać zdrowie.
Poziom pierwszy – podstawowe warunki podtrzymywania życia
— Woda
— Tlen
— Energia
Woda jest niezbędna jako środowisko procesów biologicznych, tlen umożliwia efektywne oddychanie komórkowe, a energia jest konieczna do podtrzymywania funkcji życiowych. Nie wszystkie te elementy są składnikami odżywczymi w ścisłym znaczeniu.
Poziom drugi – niezbędne składniki odżywcze
— 9 aminokwasów egzogennych
— 2 niezbędne kwasy tłuszczowe: LA i ALA
— 13 witamin
— Niezbędne składniki mineralne
— Cholina
Wspólną cechą tej grupy jest to, że organizm potrzebuje tych substancji do prawidłowego funkcjonowania, ale nie zawsze potrafi zapewnić ich wystarczającą ilość poprzez własną syntezę. Nie oznacza to jednak, że każda z nich musi być dostarczana w gotowej postaci z pożywieniem w każdych warunkach. Przykładowo witamina D może powstawać w skórze, a część zapotrzebowania na niacynę może być pokrywana dzięki syntezie z tryptofanu.
Poziom trzeci – substancje ważne dla zdrowia, ale niebezwzględnie niezbędne w diecie
— Węglowodany
— Błonnik
— EPA i DHA
— Polifenole
— Karotenoidy i inne związki bioaktywne
Substancje te różnią się znaczeniem biologicznym. Niektóre, jak EPA i DHA, pełnią ważne funkcje strukturalne i regulacyjne, a ich synteza endogenna może być ograniczona. Inne, jak błonnik i związki bioaktywne, wspierają prawidłowe funkcjonowanie organizmu, choć nie są klasyfikowane jako bezwzględnie niezbędne składniki odżywcze.
Brak bezwzględnej niezbędności w diecie nie oznacza braku znaczenia dla zdrowia. Oznacza jedynie, że dana substancja nie spełnia kryteriów klasycznej niezbędności żywieniowej.
A gdzie w tym wszystkim jest „pierwotna materia”?
To chyba najciekawsze pytanie całego zagadnienia. Jeżeli zejdziemy jeszcze niżej, poniżej witamin, aminokwasów i tłuszczów znajdziemy pierwiastki chemiczne.
Człowiek nie może wyprodukować: węgla, azotu, tlenu, wodoru, wapnia, fosforu, siarki, sodu, potasu, magnezu, żelaza, cynku, jodu, selenu, miedzi, manganu czy molibdenu.
Może natomiast przekształcać je w ogromną liczbę związków. To właśnie dlatego życie jest możliwe jako przepływ materii przez organizm, a nie jako zamknięty proces jej tworzenia.
Organizm nie tworzy materii z niczego.
Pobiera atomy ze świata zewnętrznego, organizuje je w cząsteczki, cząsteczki w struktury, struktury w komórki, a komórki w tkanki i narządy. A następnie nieustannie te struktury rozkłada i buduje ponownie. Człowiek jest więc w sensie materialnym tymczasową organizacją materii pobieranej ze środowiska.
Nie wszystko, co potrzebne, jest składnikiem odżywczym
Na koniec warto rozszerzyć perspektywę jeszcze bardziej. Do prawidłowego funkcjonowania człowiek potrzebuje nie tylko substancji chemicznych. Potrzebuje również odpowiednich warunków fizjologicznych i środowiskowych. Należą do nich między innymi:
— sen,
— aktywność fizyczna,
— odpowiednia temperatura,
— rytm dobowy i światło,
— odpowiednie ciśnienie parcjalne tlenu,
— bodźce mechaniczne dla kości i mięśni,
— kontakt społeczny i odpowiednie środowisko psychologiczne.
Przykładowo ruch jest dla organizmu rodzajem sygnału biologicznego. Mięśnie, kości, układ krążenia i metabolizm reagują na obciążenie. Brak tego bodźca prowadzi do adaptacji w przeciwnym kierunku, to jest osłabienia mięśni, utraty masy kostnej i pogorszenia sprawności metabolicznej. Podobnie sen nie dostarcza organizmowi „materiału”, ale jest koniecznym elementem regulacji wielu procesów fizjologicznych.
Ostateczna zasada
Całość można sprowadzić do jednej zasady: Człowiek nie musi otrzymywać z zewnątrz wszystkiego, z czego jest zbudowany. Musi jednak otrzymywać substancje, których jego metabolizm nie potrafi sam wytworzyć w ilości wystarczającej do pokrycia potrzeb fizjologicznych.
To właśnie wyznacza granicę między samowystarczalnością metaboliczną a zależnością od środowiska.
Organizm potrafi budować, przekształcać, magazynować, odzyskiwać i syntetyzować substancje. Nie potrafi jednak tworzyć materii z niczego ani zastąpić wszystkich niezbędnych surowców własną syntezą.
Samo dostarczenie składników odżywczych nie gwarantuje jednak ich wykorzystania. Muszą one zostać wchłonięte, przetransportowane i udostępnione odpowiednim procesom metabolicznym. Ich ilość musi odpowiadać rzeczywistemu zapotrzebowaniu, ponieważ zarówno niedobór, jak i nadmiar mogą zaburzać homeostazę.
Dlatego człowiek pozostaje układem otwartym, którego życie zależy od nieustannej wymiany materii i energii z otoczeniem.
Prawidłowe odżywianie nie polega na dostarczaniu organizmowi wszystkiego ani na maksymalizowaniu podaży poszczególnych składników. Polega na dostarczaniu właściwych substancji, we właściwych ilościach i postaciach, z uwzględnieniem zdolności organizmu do ich przyswajania, przekształcania i wykorzystania.