Voedsel en stofwisseling

De mens - en overigens elk ander levend organisme - moet ervoor zorgen dat hij voldoende voedingstoffen binnen krijgt, vocht inbegrepen. Het voedsel dient hoofdzakelijk als bouw- en brandstof voor ons lichaam. Veel voedingsstoffen moeten eerst verteerd worden alvorens ze vanuit het darmkanaal in het bloed kunnen worden opgenomen. Hiertoe dient het spijsverteringskanaal dat de benodigde sappen prduceert die nodig zijn om het verteringsproces te kunnen uitvoeren.


Bij deze stoffen zijn enzymen onder andere een van de belangrijke stoffen die nodig zijn om de spijsvertering goed te laten verlopen. De mens kan vertering beïnvloeden door keuze en samenstelling van zijn voedselpakket en de bereiding daarvan. Ook de regelmaat waarmee gegeten wordt is van grote invloed. Niet alleen het voedingspatroon, maar ook de verzorging van onderdelen vna het sijsverteringskanaal is van (grote) invloed, denk maar aan de mondhygiëne door je tanden te gaan poetsen. Door middel van voedsel is de mens in staat uiting te geven aan zijn smaak, behoeften en gewoonten. Via zijn voedingspatroon kan de mens culturele en maatschappelijke normen en waarden nastreven en deze inpassen in behoeften die gericht zijn op psychisch en sociaal functioneren.

Voeding en stofwisseling
In alle levende organismen, en dus ook in het menselijk lichaam, moeten voortdurend allerlei stoffen worden omgezet, dat wil zeggen worden opgebouwd en worden afgebroken. Het totaal van de chemische reacties die voor deze omzettingen zorgen wordt stofwisseling of metabolisme genoemd. Bij de stofwisseling onderscheidt men anabolisme (opbouwstofwisseling) en katabolisme (afbraakstofwisseling). Een voorbeeld van anabolisme is de opbouw van lichaamseiwitten uit aminozuren. Voor de term anabolisme hanteert men ook wel het begrip assimilatie. Bij het katabolisme (dissimilatie) wordt energie vrijgemaakt, bijvoorbeeld bij de verbranding van glucose tot koolstofdioxide en water. De stofwisseling omvat een aantal aspecten. Dit betreft spijsvertering, ademhaling, circulatie en excretie. De stofwisseling op celniveau wordt celmetabolisme genoemd.

Bouwstoffen en hun functie
De belangrijkste bouwstoffen voor het menselijk lichaam zijn water, mineralen en eiwitten. De bouwstoffen zijn vooral belangrijk voor de groei. Tijdens de groei moeten er nieuwe cellen en tussencelstof (bij steunweefsels) worden geproduceerd. Gedurende de groeiperiode al door de toename in gewicht en omvang het anabolisme sterker zijn dan het katabolisme. De bouwstofffen dienen behalve voor de groei ook voor de synthese van nieuwe cellen ter vervanging van afgestorven cellen. In het menselijk lichaam worden er per seconde ongeveer 2.5 miljoen rode bloedcellen (erytrocyten) afgebroken, die in dezelfde tijd ook moeten worden aangemaakt om bloedarmoede te voorkomen. Ook na een periode van voedselgebrek, uitdroging of ziekte moeten er vele cellen worden bijgemaakt. Het zal wel duidelijk zijn dat bij voedselgebrek e.d. de katabole reacties overheersen zodat dergelijke toestanden nooit lang achtereen kunnen voortduren.

Voedsel en energie
Iedere cel moet voor het vervullen van zijn vele functies (o.a. opbouw van allerlei stoffen, kerndeling en celdeling, opname en afgifte van stoffen) over voldoende energie kunnen beschikken. Uit het dagelijks leven weten we dat bij de gewone verbranding van bijvoorbeeld aardgas of olie energie vrijkomt in de vorm van warmte. Deze warmte wordt dikwijls omgezet in andere vormen van energie, zoals mechanische energie (auto) of elektrische energie (krachtcentrales die elektriciteit leveren). In levende cellen wordt eveneens energie vrijgemaakt. De brandstoffen waarover de cel beschikt zijn vooral koolhydraten (glucose) en vetten. Eiwitten worden ook wel verbrand, maar dienen toch hoofdzakelijk als bouwstof. Voor het vrijmaken van energie moet de cel natuurlijk ook over zuurstof beschikken. Het verbrandingsproces in de cel, waarbij de verbranding van glucose als voorbeeld wordt genomen, kunnen we als volgt weergeven:

Brandstof + zuurstof -> energie + verbrandingsproducten
Glucose + zuurstof -> energie + verbrandingsproducten
C6H12O6 + 6 O2 -> energie + 6 CO2 + 6 H2O.

De verbranding met behulp van zuurstof (O2) in de levende cellen wordt biologische oxidatie genoemd. Men spreekt in de praktijk ook dikwijls van katabolisme, dissimilatie of afbraak. De energie die bij verbranding vrijkomt wordt uitgedrukt in joule (J), uitspraak dzjoel, genoemd naar de Engelse natuurkundige Joule (1818 - 1889). Vroeger werd uitsluitend de eenheid calorie (cal) gebruikt (1 cal = 4.184 J; 1 kcal = 4.184 kJ). Vetten hebben de hoogste energetische waarde. Eén gram vet levert bij verbranding 38 kJ (= 9 kcal). Koolhydraten en eiwitten leveren per gram slechts ongeveer 17 kJ (= 4 kcal). In dit verbrand kunnen we opmerken dat het erg zinvol is dat ons lichaam de overtollige energie opslaat in de vorm van vet. We zouden namelijk nog zwaarder worden wanneer de opslag zou plaatsvinden in de vorm van koolhydraten of eiwitten. SAfhankelijk van geslacht, leeftijd, gewicht en beroep varieert bi jde mens de totale behoefte van ongeveer 7500 - 12 500 kJ per etmaal (24 uur). Een groot gedeelte hiervan, ongeveer 7000 kJ, is nodig voor het zogenaamde basaalmetabolisme of de grondstofwisseling. Hieronder wordt verstaan de stofwisseling in "rust".

De verbranding in de cellen wijkt op een aantal punten af van de gewone verbrandingsprocessen in het dagelijks leven. In de eerste plaats is het opvallend dat de verbranding in de cellen plaatsvindt bij betrekkelijk lage temperaturen. Dit wordt mogelijk gemaakt door de biokatalytische werking van enzymen. Ook de snelheid en de wijze van verbranding in de cellen is anders. Wanneer bijvoorbeeld suiker buiten het lichaam wordt verbrand, dan zien we dat de verbranding in zeer korte tijd verloopt. Het is een explosie waarbij vrijwel alle energie vrijkomt in de vorm van warmte, die als zodanig verloren gaat. In de levende cellen verloopt de verbranding echter veel langzamer en via een groot aantal stappen waarvoor telkens een apart enzym nodig is. Hierdoor komt de energie in gedeelten vrij. Soms gebeurt dit in de vorm van warmte, waarvan de cel niet zoveel profijt heeft, maar bij vele stapjes wordt de vrijkomende energie meteen ingebouwd. Hierdoor ontstaan de zogenaamde energierijke verbindingen. Dit zijn verbindingen waarmee het organisme direct zijn functies kan uitoefenen. Een bekende energierijke verbinding is ATP: adenosinetrifosfaat. Bij spierarbeid bijvoorbeeld wordt de stof ATP omgezet tot ADP (adenosinedifosfaat) en fosforzuur.

Hierbij komt de opgeslagen energie vrij in een voor de cel nuttige vorm zodat de spieren zich kunnen samnetrekken. Tijdens de verbranding in de cellen wordt als het ware de accu opgeladen (vorming van ATP) terwijl bij alle energievereisende processen de accu ontladen owrdt tot ADP en fosforzuur. Het is gebleken dat bij biologische oxidaties ongeveer 40% van de totale energie in biologisch bruikbare vorm (ATP) wordt vastgelegd. Het nuttig rendement blijkt dus erg hoog te zijn. Men heeft berekend dat het nuttig rendement van ee nzeer goede stoommachine slechts ongeveer 30% is! De bij verbranding in de cellen vrijkomende energie is nodig voor:

- Chemische arbeid. de vele opbouwprocessen (assimilatieprocessen) vereisen energie.
- Mechanische arbeid. In de vorm van de vele spieractiviteiten.
- Actief transport; in alle levende systemen moeten stoffen door membranen getransporteerd worden waarbij al dan niet wordt geselecteerd. Dikwijls moeten stoffen tegen een concentratiegradiënt in worden genomen, bijvoorbeeld voedselresorptie in de dunne darm en de terugresorptieprocessen in de nieren.
- Elektrische arbeid; Zenuw- en spiercellen functioneren dankzij het handhaven van potentiaalvershcillen (verschil in lading) aan weerszijden van het membraan.
- Handhaving lichaamstemperatuur; er moet natuurlijk wel warmte vrijkomen om een constante temperatuur van het lichaam te kunnen handhaven. De overtollige warmte geven we af. Gelukkig komt slechts een gedeelte van de totale energie vrij in de vorm van warmte. We zouden namelijk verbranden als alle energie in de vorm van warmte zou vrijkomen, zoals bij verbrandingsprocessen buiten het menselijk lichaam.

De hierboven beschreven verbranding in de cellen wordt ook wel aërobe afbraak genoemd omdat het proces verloopt met behulp van zuurstof (aer = lucht; bios = leven). Deze verbrandingsporcessen spelen zich af in de mitochondriën van de cellen. In het lichaam van mens en dier doen zich herhaaldelijk situaties voor waarbij de weefsels gedurende korte tijd zuurstofgebrek hebben. Als de mens snel lichamelijk werk moet verrichten, vooral wanneer de spieren niet goed zijn getrained, kan de bloedsomloop nauwelijks voor voldoende aanvoer van zuurstof zorgen. De afbraak verloopt dan zonder zuurstof: anaërobe afbraak. Hierbij wordt glucose onvolledig afgebroken tot melkzuur.

het ontstaan van melkzuur leidt op den duur tot vermoeidheidsverschijnselen en krampen. De anaërobe afbraak vindt nie tplaats in de mitochondriën, maar in het cytoplasma. De energie die hierbij vrijkomt is zeer gering. Het is bekend dat ieder molecuul glucose bij anaërobe afbraak slechts 2 moleculen ATP oplevert, terwijl bij de aërobe afbraak de energieopbrengst per molecuul glucose 36 moleculen ATP bedraagt. Dit is dan ook de reden dat de mens niet lang zonder zuurstof kan leven. De anaërobe afbraak moet dan ook gezien worden als een kortdurende noodsprong om onder anaërobe condities toch nog een geringe hoeveelheid ATP te vormen.

Enzymen
Bij vele reacties voegen we stoffen toe, waardoor de reacties veel sneller verlopen. Hiervoor kan bijvoorbeeld bruinsteen, platina of een beetje van een sterk zuur (H+ - ionen) gebruikt worden. Hoewel ze de reactie versnellen en het dus mogelijk maken dat we niet zo sterk hoeven te verhitten, nemen deze stoffen zelf nie taan de reactie deel. Na afloop va n de reactie vinden we ze namelijk onveranderd terug. Dergelijke stoffen worden katalysatoren genoemd. In levende organismen vinden uiteraard ook talrijke chemische reacties plaats, terwijl de temperatuur toch vrij laag is. De katalysatoren die hierbij een rol spelen worde nenzymen of biokatalysatoren genoemd. We kunnen ons afvragen wat de verschillen en overeenkomsten zijn tussen de "gewone" katalysatoren en de enzymen. De enzymen beantwoorden ovlledig aan de definitie van een katalysator. Ze verschillen echer van de gewone katalysatoren door de volgende kenmerken:

- Enzymen zijn altijd eiwitten; vele enzymen blijken behalve een eiwitgedeelte ook nog een niet-eiwitgedeelte te bevatten. Het niet-eiwitgedeelte owrdt co-enzym genoemd. Pas wanneer het co-enzym aan het eiwitgedeelte is gekoppeld kan het enzym als geheel functioneren. Van de meeste vitaminen is bekend dat het co-enzymen zijn, hetgeen verklaart waarom we per dag slechts geringe hoeveelheden vitaminen hoeven op te nemen.
- Enzymen zijn specifiek; hiermee wordt bedoeld dat ieder enzym slechts één bepaalde reactie kan beïnvloeden. Zo kan het enzym amylase slechts zetmeel (amylum) splitsen, het enzym sacharase slechts Sacharose (riet- of bietzuiker), terwijl het enzym pepsine slechts in staat is om eiwitten te splitsen. De werking van een enzym is te vergelijken met een slot-sleutelmechanisme. Op iedere stof (slot) past een bepaald enzym (sleutel). De stof die wordt omgezet wordt substraat genoemd. Na contact van het enzym met het desbetreffende substraat ontstaat er een enzymsubstratcomplex, waarna het substraat uiteenvalt en het enzym onvervanderd tevoorschijn komt.
- De activiteit van de enzymen. dit is afhankelijk van de temperatuur; bij hogere temperatuur neemt de activiteit toe. Er is een bepalde temperatuur waarbij de activiteit het hoogst (optimaal) is. Deze temperatuur wordt het optimum genoemd. Voor de enzymen in het menselijk lichaam ligt dit temperatuuroptimum ongeveer bij 37 graden Celcius.
- De activiteit van de enzymen is afhankelijk van de zuurgraad (pH).

Basische (alkalische) oplossingen hebben alijd een pH die hoger is dan 7 en naarmate de oplossing sterker basisch (alkalisch) is, is de pH dus hoger. Een zuur heeft altijd een pH die lager is dan 7 en naarmate de zure oplossing sterker is, is de pH lager! Water is neutraal (7).

De pH in het spijsverteringskanaal variëert heel sterk. In de mondholte bedraagt de pH ongeveer 7, terwijl in de maag (denk aan de invloed van het maagzuur) de pH ongeveer 2 bedraagt. In de dunne darm is de pH van de darminhoud 7 - 8, door de neutraliserende werking van de stof NaHCO3 (natriumbicarbonaat) uit het pancreassap. De enzymen in het spijsverteringskanaal zijn aan deze omstandigheden aangepast doordat ze een pH-optimum hebben dat ongeveer gelijk is aan de pH van het milieu waarin ze werkzaam zijn. Zo heeft het enzym amylase uit het speeksel een pH-optimum van 7, terwijl het enzym pepsine, dat in de maag werkzaam is, optimaal werkt bij een pH van 1.5 - 2.

De pH van het bloed daarentegen is vrij constant, gemiddeld 7.4 met slechts een geringe variatie van 7.35 tot 7.45. Wanneer de pH van het bloed te laag is, is er sprake van acidose of zuurvergiftiging (acid = zuur). Acidose kan onder andere voorkomen bij suikerziekte. Wanneer de pH van het bloed te hoog is, spreekt men van alkalose. Het is bekend dat eenpH van 7.0 reeds dodelijk kan zijn. Het is dan oko belangrijk dat het menselijk lichaam beschikt over en aantal mogelijkheden om een dreigende pH-verandering tegen te gaan. Zo is bekend dat het in ons bloed aanwezige natriumbicarbonaat, ook wel alkalireserve genoemd, bijvoorbeeld melkzuur kan neutraliseren. We zeggen nu dat het bicarbonaat in het bloed fungeert als een buffer (oplossing), dus een oplossing die een dreigende pH-verandering kan tegengaan. Ook de rode bloedkleurstof hemoglobine (Hb) in de rode bloedcellen kan H+ -ionen binden. Behalve voor het zuurstoftransport dient hemoglobine dus ook voor de handhaving van de juiste pH.

Ook de nieren spelen een bij de handhaving van de juiste zuurgraad een belangrijke rol. De nieren zullen meer zuren uit het lichaam verwijderen wanneer er een acidose dreigt, terwijl de hoeveelheid alkalische (basische) stoffen in de urine zal toenemen bi jeen dreigende alkalose. De pH van de urine kan dan ook variëren van 4 tot 8!! Dat de pH in het bloed, weefselvocht en in de cellen, constant blijft is noodzakelijk om te voorkomen dat de talrijke enzymen die voor de biochemische processen zorg dragen, hun activiteit verliezen.