العناصر الغذائية والطاقة

العناصر الغذائية والطاقة
مقدمة الباب
...
العناصر الغذائية والطاقة:
الدكتور حامد تكروري:
مقدمة الباب:
قلنا إن الغذاء يزودنا بالطاقة energy والعناصر الغذائية "المغذيات" nutrients الضرورية لاستمرار الحياة وقيام الجسم بوظائفه الحيوية، وإنه توجد مقادير محددة "احتياجات" يجب تزويد الجسم بها من كل من هذه العناصر الغذائية والطاقة.
وتقدر هذه العناصر الغذائية بحوالي 50 عنصرا اصطلح على تقسيمها إلى 6 مجموعات هي: 1- الماء، 2- الكربوهيدرات، 3- الشحوم والمواد الدهنية، 4- البروتينات، 5- الفيتامينات، 6 العناصر المعدنية. وسوف نتكلم عن هذه المجموعات وما تحتويه من العناصر الغذائية بإيجاز، متناولين مصادرها ووظائفها الفيزيولوجية وأعراض نقصها.
ويمكن تعريف العناصر الغذائية بأنها مجموعة من العناصر الكيميائية والمركبات العضوية، يزودنا الطعام بمقادير مناسبة وينتج عن استهلاكها تحرير الطاقة وتنظيم العمليات البيولوجية في الجسم وتحقيق النمو وصيانة الأنسجة والتكاثر، وأن أي نقص في أي من العناصر الغذائية عن احتياجات الجسم يؤدي إلى تغيرات مرضية في الجسم.
وتتم الاستفادة من العناصر الغذائية المختلفة في أنسجة الجسم وأجهزته المختلفة، ابتداء بالجهاز الهضمي الذي من خلاله يتم هضم الطعام وامتصاصه تمهيدا لنقل العناصر الغذائية الناتجة واستقلابها في خلايا الجسم. لذا كان من الضروري أن نبدأ هذا الفصل ببعض المعلومات الأساسية حول تركيب الجسم وأجهزته، خاصة الجهاز الهضمي.

جسم الإنسان وتركيبه:
يتكون جسم الإنسان الحي من الخلايا cells التي هي أصغر وحدات بنيوية ووظيفية في الجسم، وهذه الخلايا تتجمع مُشَكِّلة الأنسجة tissues والتي تؤلف بدورها الأجهزة systems. وتتكامل أجهزة الجسم المختلفة للقيام بالوظائف البيولوجية المختلفة. فعملية الاستفادة من الغذاء تتم في جميع أجهزة الجسم للقيام بالوظائف البيولوجية المختلفة في أحسن صورة من التنسيق المشترك. وتبدأ دورة الطعام في الجسم بتناوله عن طريق الفم حيث يمر بالجهاز الهضمي فيهضم ويتم امتصاصه ونقل عناصره المهضومة عبر الدورة الدموية إلى الكبد وأنسجة الجسم الأخرى، حيث تجري لها عمليات تقويض وابتناء مختلفة، فتتحرر من خلالها طاقة العناصر الغذائية وتتحول إلى أشكال متعددة يحتاجها الجسم، كما تطرح الفضلات الناتجة عن الاستقلاب، بينما تستخدم أجزاء أخرى من العناصر الغذائية في عمليات الابتناء وتكوين أجزاء تركيبية في الجسم تعوض ما يتلف من خلايا. كما تؤدي إلى انقسام الخلايا ونمو الجسم وتكوين أنسجته، أي أنها تحقق غرضين رئيسيين هما الصيانة maintenance والنمو growth. ويخزن الجزء الفائض من كثير من العناصر الغذائية المتناولة بأشكال مناسبة مثل الدهون fats أو الغليكوجين أو الفيتامينات الذوابة في الدهن fat-soluble vitamins أو العناصر المعدنية كالحديد والزنك.
واضح إذن أن أجسامنا تتكون في النهاية من العناصر الغذائية التي نأكلها أو تدخل الجسم بصورة رئيسية عن طريق الغذاء. فجسم الإنسان يتشكل مما يأكله من غذاء، وعناصر الغذاء الكيميائية هي التي تشكل بنية جسمه. وقد ذكر ذلك البيروني في كتابه "الأدوية" وأصبح من المعلومات العامة في عصرنا هذا [1] .
وهناك عدة أساليب لدراسة تركيب الجسم. فقد نتناوله من حيث "أ" العناصر الكيميائية الداخلة في تكوينه، أو "ب" من حيث العناصر الغذائية ومجموعاتها والتي جاءت في الأصل من الغذاء، والتي تشمل الماء والكربوهيدرات والدهون والبروتينات، أو "ج" نتناول دراسته من حيث أنسجته وأجهزته ووظائفها وتركيبها. وفيما يلي استعراض مختصر لكل من هذه الجوانب.

تركيب الجسم من العناصر الكيميائية:
يوجد في جسم الإنسان ما لا يقل عن 42 عنصرًا كيميائيًّا من عناصر جدول الترتيب الدوري تشكل تركيب أنسجته المختلفة، وما فيها من العناصر الغذائية. ويبين الجدول 1 قائمة بهذه العناصر والكمية التقريبية لأهمها. وتشكل عناصر الكربون والأكسجين والهيدروجين والنيتروجين حوالي 96% من وزن الجسم. وهذه العناصر الأربعة غير المعدنية تدخل في تركيب الماء والمركبات العضوية في الجسم. أما النسبة المتبقية "4%" فهي مكونة من العناصر المعدنية [2] .
وقد صنفت العناصر المعدنية، حسب كميتها في الجسم، إلى عناصر كبروية macroelements وعناصر مكروية microelements ويمكن تعريف العناصر الكبروية على أنها تلك العناصر التي تزيد كميتها عن 0.05% من وزن الجسم "انظر جدول1"، وهي تشمل سبعة عناصر هي الكالسيوم -وهو أكثرها كمية- والفوسفور والصوديوم والبوتاسيوم والكلور والمغنيزيوم والكبريت أما العناصر المكروية، والتي تسمى أيضا العناصر الزهيدة trace elements فهي ما تبقى من العناصر، وهي تتألف من ثلاث مجموعات حسب درجة ضرورتها للجسم [3] كما يلي:
1- العناصر المكروية الأساسية essential microelements وهي عناصر الحديد والنحاس والزنك واليود والمنغنيز والكوبلت والموليبدينوم ويمكن أن نلحق بها عناصر السيلينيوم والكروم والفلور.
2- العناصر المكروية شبه الأساسية semi- essential، وهي تلك العناصر التي تنطبق عليها بعض الشروط "الضرورية" أو الأساسية [4] . وهذه العناصر هي القصدير والنيكل والفاناديوم والزرنيخ والسترونتيوم والسيلسيوم. وقد ألحق بها عنصر الرصاص سنة 1976 والكادميوم سنة 1978 [5،6] . كما ألحق بها بعض العلماء عناصر البروم والباريوم والبورون [7، 8] .
3- العناصر المكروية غير الأساسية non essential trace elements، وهي عناصر الزئبق والبزموت والألمنيوم والأنتيمون والجرمانيوم والذهب والفضة والتيتانيوم والروبيديوم. وهذه المجموعة تشمل العناصر التي يمكن الكشف عنها في الجسم بوسائل التحليل المتاحة للإنسان في الوقت الحاضر، والتي تستطيع قياس التركيزات التي لا تقل في كميتها عن 10-12 غرام ومن المتوقع أن توجد جميع عناصر الترتيب الدوري في الجسم بكميات في منتهى الصغر، ذلك أن جسم الإنسان من تراب هذه الأرض وغذاءه نشأ في التراب.
وتجدر الإشارة هنا إلى الشروط التي وضعها العلماء للعناصر الأساسية أو

الضرورية في الحيوانات العليا من الثدييات والطيور، والتي يمكن تلخيصها في النقاط السبع التالية [3، 4] :
1- وجود العنصر المعدني في الجسم وأنسجته بكميات ثابتة نسبيا دون تفاوت كبير.
2- نقص العنصر يؤدي إلى تغيرات بنيوية وفيزيولوجية وأعراض سريرية.
الجدول 1- التركيب الكيميائي العام للجسم من العناصر الكيميائية
3- إضافة العنصر تزيل التغيرات المرضية والفيزيولوجية.

4- تترافق الأعراض المرضية الفيزيولوجية أو البنيوية بتغيرات كيميائية بيولوجية محددة قابلة للتحسن والعودة إلى الحالة الطبيعية عند إضافة العنصر الناقص في الغذاء.
5- يجب إثبات درجة ضرورة العنصر في أكثر من نوع حيواني.
6- يجب إثبات درجة ضرورة العنصر من قبل أكثر من باحث وفي أكثر من مختبر.
7- يجب معرفة الآلية الدقيقة لطراز تأثير mode of action العنصر المعدني.
تركيب الجسم من العناصر الغذائية:
يحتوي الجسم الحي على مجموعات العناصر الغذائية التي أشرنا إليها، وهي الماء والكربوهيدرات والدهون والبروتينات والعناصر المعدنية والفيتامينات، كما في الجدول رقم 2. وتختلف نسبة هذه المكونات حسب السن والحالة الفيزيولوجية والمرضية ودرجة النشاط. وأكثر هذه النسب تباينًا واختلافًا هي نسبتا الماء والدهن، إذ تقل النسبة المئوية للماء في حالة السمنة بينما تزداد نسبة الدهون.
الجدول 2- التركيب التقريبي للجسم من مجموعات العناصر الغذائية [8]
"*" الفيتامينات توجد في الجسم ولكن لا تشكل نسبة مئوية نظرًا لصغر كميتها.
وتقل نسبة الماء مع تقدم العمر وتزداد نسبة الدهون تبعا لذلك. فبينما تشكل نسبة الماء في الجنين حوالي 93%، تكون حوالي 70 - 75 % في الطفل حديث الولادة، وتتراوح من 55 - 65 % في الإنسان البالغ غير السمين [8] . كما تتغير نسبة الماء والدهن تبعا للحالة الفيزيولوجية، مثل الحمل والإرضاع، وتبعا لحالتي الصحة

والمرض. ففي حالة السمنة المرضية قد ترتفع نسبة الدهن لتصل إلى %70 من وزن الجسم. وأهم مكان لخزن الدهن في الجسم هو النسيج الدهني الذي يحتوي على الدهون في صورة ثلاثي الغليسيريد triglycerides.
ويعتبر الماء مكونًا هاما في جميع أنسجة وأجزاء الجسم، إلا أن نسبته تتباين من نسيج إلى آخر، فهي %92-90 في بلازما الدم، و %78-72 في العضلات و %54 في العظام، و %5 في مينا الأسنان [9] .
أما البروتينات Proteins فهي موجودة في كل خلية من خلايا الجسم، وتأتي في نسبتها بعد الماء في الأقسام الطرية من الجسم كالعضلات والغدد والأنسجة الرابطة. كما توجد في الأنسجة البطانية المبطنة للجلد والقنوات الداخلية في الجسم وفي الشعر والأظفار، وكذلك توجد في الدم على شكل الهيموغلوبين أو خضاب الدم وبروتينات مصل الدم.
وبالنسبة للكربوهيدرات carbohydrates، فكميتها قليلة نسبيا، ولا يتجاوز معدلها 1 % من وزن الجسم، وتوجد على شكل النشا الحيواني أو الغليكوجين glycogen "حوالي 350 غراما موزعة في الكبد والعضلات حيث تعادل في حالة الشبع 5 % من وزن الكبد و 1 % من وزن العضلات". كما توجد على شكل سكر الدم أو الغلوكوز glucose، وبعض الكربوهيدرات المركبة مثل حمض الغلوكورونيك glucorunic acid وحمض الهيالورونيك hyaluronic acid وتدخل في تركيب الهيبارين heparin والحموض النووية nucleic acids.
أما الفتيامينات فتوجد في خلايا الجسم المختلفة، وأكثر الأعضاء احتواء عليها هو الكبد الذي يعتبر مكان الخزن الرئيسي للفيتامينات الذوابة في الدهن، وهي الفيتامينات التي يمكن أن تخزن بكميات كبيرة نسبيا بعكس الفتيامينات الذوابة في الماء والتي تستنزف من الجسم بسرعة نظرا لعدم اختزانها بكميات عالية. ومع هذا فلا يعبر عن الفيتامينات بنسبة مئوية في الجسم نظرا لصغر كميتها فيه.
وتتركز العناصر المعدنية في أجزاء محددة من الجسم، كالهيكل العظمي والأسنان اللذين يحتويان معظم ما في الجسم من الكالسيوم والفوسفور، كما تتوزع في الكبد حيث يخزن عدد كبير منها فيه، وكذلك في الطحال والعضلات وبقية أنسجة الجسم.

أنسجة الجسم وأجهزته:
يتكون الجسم من الناحية التشريحية والوظيفية من وحدات هي الخلايا التي تتجمع مع بعضها مشكلة الأنسجة والأجهزة. والخلية هي أصغر وحدة تشريحية ووظيفية مستقلة. فأبسط أنواع الأحياء كالبكتيريا "الجراثيم" bacteria والخمائر yeasts تتكون من وحدة واحدة تقوم بجميع الوظائف الحيوية من تنفس وغذاء وهضم وامتصاص واستقلاب وطرح للفضلات وتكاثر. أما في حالة الحيوانات المتطورة وفي الإنسان، فإن خلايا الجسم لا تقوم بهذه الوظائف منفردة بل ضمن تعاون وتنسيق وتكامل فيما بينها.
وقد ساعدنا التقدم العلمي على فهم تركيب الخلايا وأجزائها المختلفة، فالمجهر الإلكتروني يمكننا من دراسة الخلية مكبرة مئة ألف مرة، والتعرف على أجزائها الوظيفية المختلفة.
تركيب الخلية:
يبين الشكل1 صورة تقريبية لخلية نموذجية في الجسم، ويظهر فيها عدة أجزاء أهمها:
1- الغشاء الخلوي cell membrane الذي يحيط بالمادة الحية في الخلية ويحافظ على مكوناتها الداخلية ويحقق لها توازنا ديناميكيا مع المحيط.
2- النواة nucleus وتحتوي على الحمض النووي منقوص الأكسجين "الدنا" DNA الذي يحمل بواسطته الصفات الوراثية في الخلية، والذي يتم توجيه تصنيع البروتين من خلاله.
3- السيتوبلازم "الهيولي" cytoplasm. وفيه كثير من العضيات organelles الحية، ومواد غير حية يعبر عنها باسم المشتملات inclusions. وأهم العُضَيَّات الموجودة في السيتوبلازم المتقدرات mitochondria والجسيمات الحالة Iysosomes. والمتقدرات جسيمات عضوية أو كروية الشكل، متباينة في حجمها، تحتوي على مئات الإنزيمات المسؤولة عن تفاعلات إنتاج الطاقة. فالمتقدرة مكان إنتاج الطاقة في الخلية وتحويلها إلى مركبات الأدينوزين ثلاثي الفوسفات ATP عالية الطاقة. أما الجسيمات الحالة فهي عبارة عن جسيمات صغيرة كروية أو بيضاوية الشكل ذات وظيفة هاضمة تحتوي على إنزيمات فعالة في هضم الأجزاء التالفة من الخلية التالفة والجراثيم.

1- التركيب العام للخلية:
4- الشبكة الهيولية الباطنة endoplasmic reticulum.عبارة عن مجموعة من الأغشية الموزعة في السيتوبلازم، والتي تشكل صفحات منبسطة مرتبطة معًا تحتوي على الريباسات ribosomes التي يتم فيها تصنيع البروتينات.
5- جهاز غولجي Golgi apparatus. ويحتوي على أغشية كيسية منبسطة لخزن وتركيز إفرازات الخلية وإطلاقها عند الحاجة [9] .

أجهزة الجسم ودورها في الاستفادة من الغذاء:
تتم الاستفادة من الغذاء والحصول على العناصر الغذائية التي تحتاجها الخلايا من خلال عدة عمليات يمكن تلخيصها فيما يلي:
1- تناول الطعام عن طريق الفم.
2- الهضم، ويتم فيه تفكيك الطعام إلى مكوناته من العناصر الغذائية تمهيدًا لامتصاصها.
3- الامتصاص، وهو نقل العناصر الغذائية المهضومة من القناة الهضمية إلى الدورة الدموية.
4- نقل العناصر الغذائية في الدورة الدموية إلى أماكن الاستفادة منها واستقلابها، ويتم ذلك بواسطة وريد الباب والأوعية اللمفية.
5- تزويد الجسم بالأكسجين اللازم لأكسدة العناصر الغذائية المنتجة للطاقة، وطرد ثاني أكسيد الكربون من خلال نقل هذه الغازات في الدم من وإلى الرئتين.
6- عمليات الاستقلاب "الأيض" وتشمل عمليات التقويض catabolism والابتناء anabolism لإنتاج الطاقة وتكوين مركبات ضرورية للخلايا والجسم.
7- إفراغ الفضلات excertion of wastes ويشمل ذلك إطراح الفضلات غير المهضومة من القناة الهضمية على شكل براز، وإطراح ثاني أكسيد الكربون عن طريق الرئتين، وإطراح الماء والأملاح الزائدة وغيرها من نواتج استقلابية، كاليوريا urea، من خلال الكليتين والجلد..
ويمكن تتبع هذه العمليات لكل عنصر غذائي ودراسة مصيره الاستقلابي في أجهزة الجسم المختلفة. وتستند أجهزة الجسم في وظائفها إلى عمل الخلايا والتنسيق والتكامل الوظيفي فيما بين هذه الأجهزة. فالدورة الدموية تنقل العناصر الغذائية والأكسجين إلى خلايا وأنسجة الجسم المختلفة ابتداء بنقل العناصر الممتصة بواسطة وريد الدم البابي portal blood vein، كما تقوم بنقل الأكسجين من الرئتين وثاني أكسيد الكربون والأملاح واليوريا وغيرها من نواتج الاستقلاب إلى أماكن إطراحها من الجسم. ويلحق بالدورة الدموية الجهاز اللمفي lymphatic system الذي يتألف من أوعية لمفية تتجمع في وعاء كبير هو القناة الصدرية thoracic dust.

التي يتم من خلالها نقل الدهون والفيتامينات الذوابة في الدهن بعد امتصاصها على شكل مستحلبات دهنية هي الدقائق الكيلوسية chylomicrons.
الجهاز التنفسي respiratory system ويزود هذا الجهاز الجسم بالأكسجين الذي يستعمل في عمليات أكسدة العناصر الغذائية المنتجة للطاقة. كما يتم من خلاله التخلص من نواتج الاستقلاب وهي الماء وثاني أكسيد الكربون مع هواء الزفير. وتوجد علاقة ما بين حجم ثاني أكسيد الكربون الناتج وحجم الأكسجين المستهلك، يعبر عنها بالحاصل التنفسي respiratory quotent، وهو بالنسبة بينهما. وحاصل التنفس يعتبر مؤشرا إلى نوع المادة المتأكسدة في الجسم. فهو يساوي 1.0 للكربوهيدرات و 0.8 للبروتينات و 0.7 للدهون و 0.85 لغذاء مختلط من العناصر الثلاثة.
الجهاز الكلوي renal system. تكمن أهمية الكليتين في أنهما الجهاز الرئيسي للتخلص من الفضلات الاستقلابية التي يكون معظمها سامًّا فيما لو تراكم في الدم والأنسجة. وكذلك يقوم الجهاز الكلوي بتنظيم السوائل والمحافظة على تركيز المواد العضوية وغير العضوية فيها. فمثلا تقوم الكليتان بالتخلص من اليوريا urea الناتجة عن عمليات استقلاب البروتينات وحمض اليوريك uric acid الناتج عن استقلاب الحموض النووية، كما تقوم بتنظيم الماء في الجسم والمحافظة على الضغط التناضحي osmotic pressure عن طريق التخلص من الأملاح المعدنية الزائدة عن حاجة الجسم. وتستعمل النواتج الاستقلابية المطروحة في البول كمؤشرات هامة لدراسة الوضع التغذوي للعناصر الغذائية في الجسم، كذلك تعكس السير الطبيعي والسليم لعمليات الهضم والاستقلاب والاستفادة من الغذاء.
الهرمونات والإنزيمات hormones and enzymes. وهي العوامل البيولوجية الخفازة biocatalysts للتفاعلات الكيميائية التي تحدث أثناء الهضم وفي عمليات الاستقلاب من تقويض وابتناء.:
والهرمونات هي المواد المنظمة لعمل الإنزيمات الخاصة بالهضم والاستقلاب ونمو الجسم. وتفرز الغدد الصماء endocrines هذه الهرمونات في الدم لينقلها إلى جميع أجزاء الجسم حيث تؤثر فيها. ومن هذه الهرمونات ما له علاقة مباشرة أو غير مباشرة بتنظيم عمليات الهضم والاستقلاب وتحرير الطاقة، من خلال تأثيرها المباشر على الإنزيمات أو العوامل الأخرى التي تؤثر على عمليات الهضم.

ويبين الجدول رقم 3 قائمة بأهم الهرمونات التي لها علاقة بعمليات الاستفادة من الغذاء.
الجدول 3- بعض الهرمونات الضرورية في تسيير العمليات الغذائية ومكان إفرازها ووظيفتها

أما الإنزيمات enzymes، فيتكون كل منها من جزء بروتيني يسمى صميم الإنزيم apoenzyme وعامل مرافق cofactor ضروري لنشاط الإنزيم. وهذا العامل المرافق المنشط للإنزيم، إما أن يكون عنصرا معدنيا أو تميم إنزيم coenzyme يدخل في تركيبه أحد الفيتامينات. وقد قسمت الإنزيمات إلى ستة أقسام من التفاعلات [1] هي:
1- التأكسد والاختزال "الأكسيد وريدكتازات" oxidation and reduction.
2- نقل المجموعات الوظيفية "الترانسفيرازات" group transfer.
3- التحلل المائي أو الحلمهة "هيدرولازات" hydrolysis.
4- التحلل والإضافة بدون الحاجة للماء "ليازات"lyasation.
5- المزامرة "الإيزوميرازات" isomerization.
6- التكثيف "الليغازات" condensation.
وهناك إنزيمات هاضمة digestive وإنزيمات ضرورية essential لتفاعلات الاستقلاب المختلفة، وسوف نتناول في الفقرة التالية الإنزيمات الهاضمة بشيء من التفصيل، وذلك لأهمية الجهاز الهضمي في الاستفادة من الغذاء وعناصره الغذائية.
وتنتج الإنزيمات في الجسم بشكل غير فعال، يسمى طليعة الإنزيم

proenzyme أو مولد الإنزيم zymogen الذي يحتاج إلى مادة أخرى لتنشيطه. فعلى سبيل المثال ينتج إنزيم الببسين pepsin على صورة غير نشطة هي الببسينوجين "مولد الببسين"، والذي ينشطه حمض الهيدروكلوريك HCI الذي تفرزه خلايا خاصة في المعدة، كما في التفاعل التالي:
حمض الهيدروكلوريك "Hcl"
الببسينوجين» الببسين
"منشط"
في معظم الأحيان ترتبط تسمية الإنزيم بالمادة التي يؤثر عليها. فمثلا إنزيم الأميلاز يحلل الأميلوز "النشا"، وإنزيم الليباز يحلل الليبيدات "الدهون" وهكذا.
ويتأثر نشاط الإنزيمات بالحرارة والحموضة المناسبة؛ فلكل إنزيم درجة حرارة وأس هيدروجيني "باهاء" مناسبان لنشاطه، ورفع درجة الحرارة يثبط عمل الإنزيم بل ويقوض تركيبه الكيميائي.
الجهاز العضلي muscular system. تشكل العضلات جهاز الحركة في الجسم الذي يحول الطاقة الغذائية إلى طاقة ميكانيكية كما أنها مصدر هام ورئيسي للحموض الأمينية ويخزن فيها الغليكوجين.
وتتم حركة العضلات من خلال عمليات التقلص، ويعمل مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات "ATP" adenosine triphosphate كمصدر فوري للطاقة اللازمة لذلك، بينما يعتبر مركب فوسفات الكرياتين creatine phosphate مصدرا احتياطيا مؤقتا للطاقة من خلال تحوله إلى ATP. وبما أن كمية الطاقة على هذا الشكل محدودة، فإن المصدر الرئيسي والمخزون للطاقة هو مركبات الغليكوجين وثلاثي الغليسيريد التي يشكل الغذاء مصدرها النهائي.