Υδατάνθρακες – Πρωτεΐνες – Λίπη 🍎

Τροφές ονομάζονται τα προϊόντα που προέρχονται από τα φυτά ή τα ζώα και τα οποία προσλαμβάνει ο άνθρωπος για να πάρει θρεπτικά συστατικά.

Η έκφραση «το αυτοκίνητό μου τρώει πολλή βενζίνη» δείχνει μια πραγματικότητα: οι υδρογονάνθρακες είναι αποθήκες ενέργειας τις οποίες καίει το αυτοκίνητο για να λειτουργήσει. Σε ορισμένες χώρες, όπως η Βραζιλία, ως αποθήκες ενέργειας στα αυτοκίνητα χρησιμοποιούνται και οι αλκοόλες. Όπως τα αυτοκίνητα, έτσι και οι ζωντανοί οργανισμοί καίνε άλλες αποθήκες ενέργειας που τις βρίσκουν στις τροφές. Οι αποθήκες αυτές είναι οργανικές ενώσεις που «καίνε» οι οργανισμοί.

1. Γενικά

Αν σε μια μικρή ποσότητα ζάχαρης προσθέσουμε λίγες σταγόνες πυκνού θειικού οξέος —μια ουσία αφυδατική, δηλαδή που δεσμεύει το νερό— η ζάχαρη μαυρίζει και αποκτά όψη κάρβουνου. Αυτό συμβαίνει επειδή η ζάχαρη απανθρακώνεται, δηλαδή μετατρέπεται σε άνθρακα. Η παρατήρηση αυτή αποδεικνύει ότι η ζάχαρη περιέχει άνθρακα και επομένως ανήκει στις οργανικές ενώσεις. Η ζάχαρη ανήκει επίσης στη μεγάλη κατηγορία των θρεπτικών συστατικών.

Πείραμα με ένα υλικό της κουζίνας

Το ίδιο πείραμα μπορεί να γίνει με απλή ζάχαρη του σπιτιού: λίγες σταγόνες πυκνού θειικού οξέος αρκούν για να δεις τη ζάχαρη να μαυρίζει μπροστά σου, σαν να την έκαψες — χωρίς όμως καμία φλόγα.

Θρεπτικά συστατικά ονομάζονται οι ουσίες που περιέχονται στις τροφές και είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη και τη συντήρηση του οργανισμού.

Τα θρεπτικά συστατικά:

παρέχουν στον οργανισμό την απαιτούμενη ενέργεια για τη συντήρησή του,
παρέχουν τις πρώτες ύλες από τις οποίες σχηματίζονται τα δομικά συστατικά των ιστών του οργανισμού και
ρυθμίζουν τη λειτουργία του μεταβολικού ρυθμού, δηλαδή των αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στα κύτταρα.

Τα θρεπτικά συστατικά ταξινομούνται σε μακροθρεπτικά, που προσφέρουν ενέργεια στον οργανισμό, και σε μικροθρεπτικά, που χωρίς να προσφέρουν ενέργεια βοηθούν τη λειτουργία του.

Μακροθρεπτικά	Παρεχόμενη ενέργεια/g	Μικροθρεπτικά
Υδατάνθρακες	4 kcal/g	Βιταμίνες
Πρωτεΐνες	4 kcal/g	Μέταλλα, ιχνοστοιχεία
Λίπη και έλαια	9 kcal/g	Νερό

Τι είναι η kcal;

Η μεγάλη θερμίδα ή kcal είναι μια μονάδα ενέργειας με την οποία μετριέται η ενεργειακή αξία ενός τροφίμου: $1\ kcal = 4{,}184\ kJ$ .

2. Υδατάνθρακες ή σάκχαρα

Η ζάχαρη $\left(C_{12}H_{22}O_{11}\right)$ ανήκει σε μια μεγάλη κατηγορία οργανικών ενώσεων, τους υδατάνθρακες. Οι υδατάνθρακες περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο και είναι η πιο διαδεδομένη κατηγορία θρεπτικών συστατικών. Στο μοριακό τύπο της ζάχαρης η αναλογία ατόμων υδρογόνου προς ατόμων οξυγόνου είναι 2/1, δηλαδή ίδια με αυτή που συναντάμε στο μόριο του νερού $\left(H_2O\right)$ .

Η ονομασία «υδατάνθρακες» για τις ενώσεις αυτές προέκυψε από τη σύνθεση των λέξεων ύδωρ + άνθρακας, γιατί πολλές από αυτές περιέχουν τα άτομα Η και Ο σε αναλογία 2/1 αντίστοιχα. Οι υδατάνθρακες είναι το καύσιμο των ζώντων οργανισμών.

Προσοχή στην αναλογία, όχι στα ονόματα

Η ονομασία «υδατάνθρακες» δεν σημαίνει ότι το μόριο περιέχει νερό — σημαίνει μόνο ότι τα άτομα Η και Ο βρίσκονται στην ίδια αναλογία 2:1 που έχουν στο νερό. Μην μπερδεύεις τη σύνθεση με την αναλογία ατόμων.

Οι υδατάνθρακες ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες:

Απλά σάκχαρα ή μονοσακχαρίτες

Οι μονοσακχαρίτες, όπως για παράδειγμα η γλυκόζη και η φρουκτόζη, έχουν ίδιο μοριακό τύπο $C_6H_{12}O_6$ . Η γλυκόζη, που ονομάζεται και σταφυλοσάκχαρο, είναι το πιο διαδεδομένο σάκχαρο. Βρίσκεται στα σταφύλια, στο μέλι και σε άλλους ώριμους καρπούς. Συντίθεται στα πράσινα μέρη των φυτών και κυρίως στα φύλλα κατά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης.

Κατά τη φωτοσύνθεση, η ηλιακή ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή χημικής ενέργειας στα μόρια της γλυκόζης και χρησιμοποιείται από τους ζωικούς οργανισμούς όταν οι υδατάνθρακες καταναλωθούν ως τροφή. Η γλυκόζη είναι πολύ σημαντική για τους οργανισμούς, γιατί ρυθμίζει το μεταβολισμό, είναι πηγή ενέργειας για τον εγκέφαλο και ρυθμιστικός παράγοντας για την αρτηριακή πίεση. Αποτελεί συστατικό του αίματος σε περιεκτικότητα 75-110 mg/100mL, που αυξάνεται σε παθολογικές καταστάσεις όπως ο σακχαρώδης διαβήτης.

Η γλυκόζη στο αίμα σου

Το σάκχαρο του αίματος που μετράει κάθε γιατρός δεν είναι τίποτε άλλο από γλυκόζη — η ίδια ουσία που παράγεται στα φύλλα ενός φυτού με τη βοήθεια του ήλιου.

Σύνθετοι υδατάνθρακες

Οι σύνθετοι υδατάνθρακες διακρίνονται σε:

1. Ολιγοσακχαρίτες ή σακχαροειδείς, που προκύπτουν από συνένωση μικρού αριθμού μορίων απλών σακχάρων με ταυτόχρονη αποβολή μορίων νερού και έχουν γλυκιά γεύση, όπως το καλαμοσάκχαρο ή σακχαρόζη (η κοινή ζάχαρη), η μαλτόζη και η λακτόζη, με ίδιο μοριακό τύπο $C_{12}H_{22}O_{11}$ :

C_6H_{12}O_6 + C_6H_{12}O_6 \rightarrow C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O

\text{γλυκόζη} + \text{φρουκτόζη} \rightarrow \text{σακχαρόζη} + \text{νερό}

Ολιγοσακχαρίτης	Μονοσακχαρίτες από τους οποίους προέρχεται	Πού βρίσκεται
Σακχαρόζη ή ζάχαρη	Γλυκόζη + Φρουκτόζη	Σακχαρότευτλα, σακχαροκάλαμο
Μαλτόζη	Γλυκόζη + Γλυκόζη	Κριθάρι ζυθοποιίας
Λακτόζη	Γλυκόζη + Γαλακτόζη	Γάλα θηλαστικών και ανθρώπου

Το καλαμοσάκχαρο είναι ο πιο γνωστός δισακχαρίτης, γνωστός και ως σακχαρόζη ή ζάχαρη. Σχηματίζεται στους χλωροπλάστες και από εκεί μεταφέρεται στα διάφορα όργανα και τους ιστούς, όπου μεταβολίζεται. Ως αποταμιευτική ουσία βρίσκεται στο βλαστό του σακχαροκάλαμου, που καλλιεργείται στην τροπική και υποτροπική ζώνη, και στη ρίζα των σακχαρότευτλων, που καλλιεργούνται στην εύκρατη ζώνη. Η ζάχαρη αποτελεί πηγή ενέργειας για τον άνθρωπο, στον οργανισμό του οποίου διασπάται αρχικά σε γλυκόζη και φρουκτόζη.

Η ζάχαρη δεν είναι δωρεάν ενέργεια

Η μεγάλη κατανάλωση ζάχαρης οδηγεί στην παχυσαρκία. Το ότι η σακχαρόζη είναι πηγή ενέργειας δεν σημαίνει ότι η υπερκατανάλωσή της είναι ακίνδυνη.

2. Πολυσακχαρίτες ή μη σακχαροειδείς, που προκύπτουν από συνένωση μεγάλου αριθμού μορίων απλών σακχάρων, συνήθως γλυκόζης, με ταυτόχρονη αποβολή μορίων νερού και δεν έχουν γλυκιά γεύση. Οι σημαντικότεροι πολυσακχαρίτες είναι το άμυλο, η κυτταρίνη και το γλυκογόνο, με κοινό μοριακό τύπο $\left(C_6H_{10}O_5\right)_v$ . Οι ενώσεις αυτές είναι αποτέλεσμα πολυμερισμού που γίνεται από την ίδια τη φύση και χαρακτηρίζονται ως φυσικά πολυμερή:

\text{γλυκόζη} + \text{γλυκόζη} + \ldots + \text{γλυκόζη} \rightarrow \text{άμυλο (ή κυτταρίνη ή γλυκογόνο)} + \text{νερό}

Το άμυλο αποτελεί τη μορφή με την οποία αποθηκεύεται η γλυκόζη στους φυτικούς οργανισμούς. Χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη του φυτού και αποθηκεύεται στα φυτικά κύτταρα με τη μορφή των αμυλόκοκκων. Τροφές πλούσιες σε άμυλο είναι οι πατάτες, τα δημητριακά, το ρύζι και τα όσπρια. Στον ανθρώπινο οργανισμό, η διάσπαση του αμύλου αρχίζει στη στοματική κοιλότητα, όπου με τη βοήθεια του ενζύμου πτυελίνη, που υπάρχει στο σάλιο, διασπάται και μετατρέπεται σε μαλτόζη, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε γλυκόζη με τη βοήθεια του ενζύμου μαλτάση, που υπάρχει στο έντερο. Οι άνθρωποι καλύπτουν το 50-80% των ενεργειακών τους αναγκών με αμυλούχες τροφές.

Το γλυκογόνο είναι υδατάνθρακας ζωικής προέλευσης και αποτελεί τη μορφή με την οποία αποθηκεύεται η γλυκόζη στους ζωικούς οργανισμούς. Το γλυκογόνο είναι για τους ζωικούς οργανισμούς το αντίστοιχο του αμύλου των φυτικών οργανισμών, γι' αυτό και χαρακτηρίζεται ως «ζωικό άμυλο». Βρίσκεται στο συκώτι και στους μυς.

Η κυτταρίνη αποτελεί το κύριο συστατικό των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτικών κυττάρων και είναι η πιο διαδεδομένη οργανική ένωση στη φύση. Πολλά από τα παράγωγα της κυτταρίνης, όπως το χαρτί, το τεχνητό μετάξι (ρεγιόν), το σελοφάν που χρησιμοποιείται στη συσκευασία τροφίμων και η νιτροκυτταρίνη που χρησιμοποιείται ως εκρηκτικό, έχουν τεράστια βιομηχανική αξία.

Δεν τρώγεται όλη η κυτταρίνη το ίδιο

Η κυτταρίνη δεν έχει θρεπτική αξία για τον άνθρωπο και για πολλά ζώα, εκτός από τα μηρυκαστικά, γιατί ο οργανισμός τους δε διαθέτει τα κατάλληλα ένζυμα για τη διάσπασή της. Είναι όμως απαραίτητη ουσία για την καλή λειτουργία του εντέρου — γι' αυτό μια «άπεπτη» ουσία θεωρείται τόσο σημαντική στη διατροφή.

3. Πρωτεΐνες

Ο όρος πρωτεΐνη προέρχεται από τη λέξη πρώτος, για να τονιστεί ο πρωτεύων ρόλος της ως συστατικό του πρωτοπλάσματος των ζωικών και φυτικών κυττάρων. Οι πρωτεΐνες είναι μεγαλομοριακές ενώσεις που αποτελούν απαραίτητο συστατικό όλων των έμβιων οργανισμών.

Οι πρωτεΐνες περιέχουν απαραίτητα τα στοιχεία άνθρακα (C), οξυγόνο (O), υδρογόνο (H), άζωτο (N) και σπανιότερα θείο (S), φωσφόρο (P), σίδηρο (Fe), χαλκό (Cu), μαγνήσιο (Mg), ψευδάργυρο (Zn) και ιώδιο (I). Δομική μονάδα όλων των πρωτεϊνών είναι τα αμινοξέα. Κάθε πρωτεΐνη προκύπτει από τη συνένωση πολλών μορίων αμινοξέων, τα οποία συνδέονται με έναν ειδικό δεσμό, τον πεπτιδικό δεσμό.

Τα αμινοξέα είναι οργανικές ενώσεις με κοινά χαρακτηριστικά την καρβοξυλομάδα $\left(-COOH\right)$ και την αμινομάδα $\left(-NH_2\right)$ .

Σε κάθε πρωτεΐνη η σύνδεση αυτή γίνεται με μια καθορισμένη και μοναδική αλληλουχία. Στο σχηματισμό των πρωτεϊνών συνήθως μετέχουν 20 αμινοξέα, εκ των οποίων τα 10 δεν μπορεί να συνθέσει ο οργανισμός και ονομάζονται απαραίτητα αμινοξέα. Ορισμένες τροφές που περιέχουν πρωτεΐνες, όπως το γάλα και τα προϊόντα του, το κρέας, τα αυγά και τα ψάρια, έχουν υψηλή βιολογική αξία, γιατί παρέχουν στον οργανισμό τα απαραίτητα αμινοξέα.

Μια πρωτεΐνη, ένα μέταλλο

Ορισμένες πρωτεΐνες κουβαλάνε μέσα τους ένα πρόσθετο στοιχείο απαραίτητο για τη δουλειά τους: η αιμοσφαιρίνη περιέχει σίδηρο (Fe) και τον χρησιμοποιεί για να μεταφέρει οξυγόνο στο αίμα, ενώ η καζεΐνη του γάλακτος περιέχει φωσφόρο (P).

Η επαρκής πρόσληψη πρωτεϊνών από τον οργανισμό σε καθημερινή βάση είναι αναγκαία για:

την ανάπτυξή του,
τη συντήρησή του και την αντικατάσταση των πρωτεϊνών που χάνονται από τους ιστούς με τα βιολογικά υγρά,
την παραγωγή ενέργειας έμμεσα, όταν η πρωτεΐνη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γλυκόζης, σε περιπτώσεις έντονης μυϊκής άσκησης,
τη σύνθεση ενζύμων, δηλαδή βιοκαταλυτών, ορμονών, όπως η αδρεναλίνη, καθώς και μορίων που μεταφέρουν άλλες ουσίες,
την παραγωγή αντισωμάτων, δηλαδή ειδικών πρωτεϊνών που αντιστέκονται σε ουσίες-εισβολείς στον οργανισμό που τον κάνουν να νοσεί.

4. Λίπη και έλαια

Τα λίπη και τα έλαια είναι βασική κατηγορία θρεπτικών υλών και αποτελούν σημαντική πηγή ενέργειας. Ανήκουν στην ομάδα των φυσικών υλών που ονομάζονται λιπίδια. Από χημική άποψη, τόσο τα λίπη όσο και τα έλαια είναι μείγματα ενώσεων (εστέρων) που προκύπτουν από την αντίδραση οργανικών οξέων με γλυκερίνη. Οι ενώσεις αυτές ονομάζονται γλυκερίδια.

Λίπη ονομάζονται τα μείγματα γλυκεριδίων που είναι στερεά σε συνήθεις θερμοκρασίες και έλαια αυτά που είναι υγρά.

Σε ό,τι αφορά την προέλευσή τους διακρίνονται σε:

ζωικά λίπη και έλαια,
φυτικά λίπη και έλαια.

Τα λίπη και τα έλαια έχουν μεγάλη βιολογική αξία, γιατί:

α. εξασφαλίζουν σημαντικό μέρος της απαιτούμενης ενέργειας. Κατά το μεταβολισμό, 1 g λίπους αποδίδει 9 kcal, ενώ 1 g υδατάνθρακα ή πρωτεΐνης αποδίδει 4 kcal,

β. εξασφαλίζουν τα απαραίτητα λιπαρά οξέα, που δεν μπορεί να συνθέσει ο οργανισμός,

γ. μεταφέρουν τις απαραίτητες λιποδιαλυτές βιταμίνες A, D, E, K,

δ. εμποδίζουν την απώλεια θερμότητας από το σώμα και έτσι συμβάλλουν στη διατήρηση της θερμοκρασίας του σε φυσιολογικά επίπεδα.

Δεν είναι όλες οι θερμίδες ίδιες

Το λίπος αποδίδει πάνω από διπλάσια ενέργεια ανά γραμμάριο σε σχέση με υδατάνθρακες και πρωτεΐνες (9 kcal/g έναντι 4 kcal/g). Γι' αυτό ίσες ποσότητες διαφορετικών τροφίμων μπορούν να έχουν πολύ διαφορετική ενεργειακή αξία.

5. Ο κύκλος του άνθρακα στη φύση

Τα άτομα άνθρακα στη φύση έχουν ήδη ηλικία πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Αυτή η συνέχεια της ύλης διασφαλίζεται με τη συνεχή μετατροπή του άνθρακα σε διαφορετικές μορφές.

Ο άνθρακας μεταφέρεται συνεχώς από την ατμόσφαιρα στο έδαφος και τους ωκεανούς της Γης και αντίστροφα. Ορισμένα φυτά πεθαίνουν και αποσυντίθενται ελευθερώνοντας διοξείδιο του άνθρακα, την ίδια στιγμή που ορισμένα άλλα, μπαίνοντας στην τροφική αλυσίδα, μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα, νερό και άλλα απλά μόρια. Το διοξείδιο του άνθρακα εκλύεται από τους κρατήρες ηφαιστείων, τη διάσπαση ασβεστολιθικών πετρωμάτων, τους ωκεανούς και την αναπνοή ζώων και ανθρώπων. Μεγάλες ποσότητές του παράγονται από τη χρήση ορυκτών καυσίμων για κίνηση, θέρμανση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και από τις πυρκαγιές σε δασικές εκτάσεις.

Κάθε χρόνο απομακρύνονται από την ατμόσφαιρα περίπου 200 δισεκατομμύρια τόνοι άνθρακα ως διοξείδιο του άνθρακα. Από αυτούς, 110 δισεκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα αποθηκεύονται στον ιστό των φυτών με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και 93 δισεκατομμύρια τόνοι διαλύονται στους ωκεανούς και χρησιμοποιούνται σε χημικές και βιολογικές διεργασίες από το πλαγκτόν. Στους ωκεανούς συσσωρεύεται κυρίως στα όστρακα και τα κοράλλια και από εκεί, με αργές διαδικασίες, βρίσκει το δρόμο του πάλι για τη στεριά με τη μορφή ασβεστολιθικών και άλλων πετρωμάτων. Οι κυκλικές αυτές διαδικασίες έχουν ως αποτέλεσμα να αποκαθίσταται μια αξιοθαύμαστη δυναμική ισορροπία, κατά την οποία καταναλώνεται σχεδόν όσο διοξείδιο του άνθρακα παράγεται.

Ο κύκλος του άνθρακα είναι η κυκλική διαδικασία με την οποία ο άνθρακας και οι ενώσεις του ανακυκλώνονται μεταξύ του φυτικού, ζωικού βασιλείου και ανόργανου κόσμου.

Δισεκατομμύρια τόνοι κάθε χρόνο

Κάθε χρόνο, περίπου 200 δισεκατομμύρια τόνοι άνθρακα απομακρύνονται από την ατμόσφαιρα ως διοξείδιο του άνθρακα — ένα ποσό τόσο τεράστιο που είναι δύσκολο να το φανταστεί κανείς, και όμως ο κύκλος του άνθρακα το διαχειρίζεται κάθε χρόνο σχεδόν στην εντέλεια.

Τα τελευταία χρόνια η ανθρώπινη δραστηριότητα αυξάνει την ποσότητα του CO₂ κατά 3 δισεκατομμύρια τόνους κάθε χρόνο, με αποτέλεσμα τη διατάραξη της περιβαλλοντικής ισορροπίας και την εμφάνιση προβλημάτων, όπως το λιώσιμο των πάγων στους πόλους και η ερημοποίηση, εξαιτίας του φαινομένου του θερμοκηπίου.

Ο κύκλος έχει όρια

Ο κύκλος του άνθρακα διατηρεί μια δυναμική ισορροπία εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι μπορεί να απορροφήσει απεριόριστη επιπλέον ποσότητα CO₂. Η επιπλέον ποσότητα που προσθέτει η ανθρώπινη δραστηριότητα διαταράσσει την ισορροπία αυτή.

Ο άνθρακας είναι ένα στοιχείο μοναδικό: είναι το μόνο που ξέρει να δένεται με τον εαυτό του σε μακριές στέρεες αλυσίδες χωρίς μεγάλη σπατάλη ενέργειας, και στη ζωή επί της Γης τέτοιες αλυσίδες είναι απαραίτητες. Γι' αυτό ο άνθρακας είναι το στοιχείο-κλειδί των ζώντων όντων.