34.2: 营养和能量生产
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培养技能
- 解释为什么动物的饮食应该均衡并满足人体的需求
- 定义食物的主要成分
- 描述细胞功能所需的动物体内无法合成的必需营养素
- 解释饮食和消化是如何产生能量的
- 描述体内如何储存多余的碳水化合物和能量
鉴于我们星球上动物生命的多样性，动物饮食也会有很大差异也就不足为奇了。 动物饮食是构建 DNA 和其他生长、维持和繁殖所需的复杂分子所需的材料来源；这些过程统称为生物合成。 饮食也是细胞中产生 ATP 的材料来源。 饮食必须均衡，以提供细胞功能所需的矿物质和维生素。
食物要求
动物饮食的基本要求是什么？ 动物饮食应均衡，提供身体机能所需的营养，以及维持身体健康和生殖能力所需的结构和调节所需的矿物质和维生素。 图中以图形方式说明了对人的这些要求\(\PageIndex{1}\)。
日常连接：开始吧！ 竞选活动
肥胖是一种日益严重的流行病，美国儿童的肥胖率正在迅速上升。 为了对抗儿童肥胖症并确保儿童有一个健康的人生开端，第一夫人米歇尔·奥巴马推出了 Let's Move！ 竞选活动。 该活动的目标是教育父母和看护人如何为子孙后代提供健康的营养和鼓励积极的生活方式。 该计划旨在让包括家长、教师和医疗保健提供者在内的整个社区参与进来，以确保儿童获得健康食品（更多的水果、蔬菜和全谷物），并减少加工食品中的卡路里消耗。 另一个目标是确保孩子进行体育锻炼。 随着电视观看和电子游戏等固定活动的增加，久坐不动的生活方式已成为常态。 在 www.letsmove.gov 上了解更多信息。
有机前体
构建细胞材料和组织所需的有机分子必须来自食物。 碳水化合物或糖是动物体内有机碳的主要来源。 在消化过程中，可消化的碳水化合物最终会分解成葡萄糖，并用于通过代谢途径提供能量。 复杂的碳水化合物，包括多糖，可以通过生化修饰分解成葡萄糖；但是，人类不产生纤维素酶，也缺乏从多糖纤维素中提取葡萄糖的能力。 在人类中，这些分子提供了通过大肠和健康结肠输送废物所需的纤维。 人体肠道中的肠道菌群能够从这些植物纤维中提取一些营养。 体内多余的糖分会转化为糖原并储存在肝脏和肌肉中以备后用。 糖原储存用于为长时间的劳累（例如长途跑步）提供燃料，并在食物短缺期间提供能量。 多余的糖原可以转化为脂肪，这些脂肪储存在哺乳动物皮肤的下层，用于隔热和能量储存。 哺乳动物储存了过多的可消化碳水化合物，以便在饥荒中幸存下来并帮助行动。
另一个重要的要求是氮气。 蛋白质分解代谢提供了有机氮的来源。 氨基酸是蛋白质的组成部分，蛋白质分解提供用于细胞功能的氨基酸。 由此产生的碳和氮成为核苷酸、核酸、蛋白质、细胞和组织的基石。 多余的氮气必须排出体外，因为它有毒。 脂肪为食物增添风味，促进饱腹感或饱腹感。 高脂肪食物也是重要的能量来源，因为一克脂肪含有九卡路里。 饮食中需要脂肪来帮助脂溶性维生素的吸收和脂溶性激素的产生。
必需营养素
虽然动物体可以从有机前体中合成功能所需的许多分子，但有一些营养素需要从食物中消耗。 这些营养素被称为必需营养素，这意味着它们必须被食用，而人体无法产生它们。
omega-3 α-亚麻酸和 omega-6 亚油酸是制造某些膜磷脂所需的必需脂肪酸。 维生素是另一类必需的有机分子，许多酶需要少量维生素才能发挥作用，因此，维生素被认为是辅酶。 如下表所示，缺乏维生素或维生素含量低会对健康产生巨大影响。 脂溶性维生素和水溶性维生素都必须从食物中获取。 下表列出的@@ 矿物质是必须从食物中获得的无机必需营养素。 在它们的众多功能中，矿物质有助于结构和调节，被认为是辅助因子。 某些氨基酸也必须从食物中获取，不能由人体合成。 这些氨基酸是 “必需” 氨基酸。 人体只能合成20种必需氨基酸中的11种；其余的必须从食物中获得。 下表列出了必需氨基酸。
| 维生素 | 函数 | 缺陷可能导致 | 来源 |
|---|---|---|---|
| 维生素 B 1（硫胺素） | 人体需要辅酶来处理脂质、蛋白质和碳水化合物中的二氧化碳 | 肌肉无力、脚气病：心脏功能减退、中枢神经系统问题 | 牛奶、肉类、干豆、全谷物 |
| 维生素 B 2（核黄素） | 在新陈代谢中起积极作用，帮助食物转化为能量（FAD 和 FMN） | 嘴唇外表面裂缝或溃疡（乳糜泻）；舌头发炎和发红；潮湿的鳞状皮肤炎症（脂溢性皮炎） | 肉、蛋、富含谷物、蔬菜 |
| 维生素 B 3（烟酸） | 人体用来从碳水化合物中释放能量和加工酒精；合成性激素所必需的；辅酶 NAD + 和 NADP + 的成分 | Pellagra，可导致皮炎、腹泻、痴呆和死亡 | 肉、蛋、谷物、坚果、土豆 |
| 维生素 B 5（泛酸） | 帮助从食物（尤其是脂质）中产生能量；辅酶 A 的成分 | 疲劳、协调能力差、发育迟缓、麻木、手脚刺痛 | 肉、全谷物、牛奶、水果、蔬菜 |
| 维生素 B 6（吡哆醇） | 加工氨基酸和脂质的主要维生素；还有助于将营养转化为能量 | 烦躁、抑郁、精神错乱、口腔溃疡或溃疡、贫血、肌肉抽搐 | 肉类、乳制品、全谷物、橙汁 |
| 维生素 B 7（生物素） | 用于能量和氨基酸代谢、脂肪合成和脂肪分解；帮助人体利用血糖 | 脱发、皮炎、抑郁、四肢麻木和刺痛；神经肌肉疾病 | 肉、蛋、豆类和其他蔬菜 |
| 维生素 B 9（叶酸） | 帮助细胞的正常发育，尤其是在胎儿发育过程中；帮助代谢核酸和氨基酸 | 妊娠期缺陷与出生缺陷有关，例如神经管缺陷和贫血 | 绿叶蔬菜、全麦、水果、坚果、豆类 |
| 维生素 B 12（钴胺素） | 维持神经系统健康，帮助血细胞形成；核酸代谢中的辅酶 | 贫血、神经系统疾病、麻木、失去平衡 | 肉、蛋、动物产品 |
| 维生素 C（抗坏血酸） | 帮助维持结缔组织：骨骼、软骨和牙本质；增强免疫系统 | 坏血病，导致出血、头发和牙齿脱落；关节疼痛和肿胀；伤口愈合延迟 | 柑橘类水果、西兰花、番茄、红甜椒 |
| 维生素 | 函数 | 缺陷可能导致 | 来源 |
|---|---|---|---|
| 维生素 A（视黄醇） | 对骨骼、牙齿和皮肤的发育至关重要；有助于维持视力、增强免疫系统、胎儿发育、基因表达 | 夜盲症、皮肤疾病、免疫力受损 | 深绿叶蔬菜、橙黄蔬菜水果、牛奶、黄油 |
| 维生素 D | 对钙的吸收，促进骨骼发育和强度至关重要；维持稳定的神经系统；维持正常和强劲的心跳；有助于血液凝固 | 软骨病、骨软化症、免疫力 | 鱼肝油、牛奶、蛋黄 |
| 维生素 E（生育酚） | 减少细胞的氧化损伤，防止污染物造成的肺损伤；对免疫系统至关重要 | 缺乏症很少见；贫血、神经系统退化 | 小麦胚芽油、未精制植物油、坚果、种子、谷物 |
| 维生素 K（苯二酚） | 对血液凝固至关重要 | 出血且容易淤青 | 绿叶蔬菜、茶 |
| 矿物 | 函数 | 缺陷可能导致 | 来源 |
|---|---|---|---|
| *钙 | 用于肌肉和神经元功能；心脏健康；锻炼骨骼并支持血细胞的合成和功能；神经功能 | 骨质疏松症、软骨病、肌肉痉挛、生长受损 | 牛奶、酸奶、鱼、绿叶蔬菜、豆类 |
| *氯气 | 在胃和神经功能中产生盐酸 (HCl) 所必需的；渗透平衡 | 肌肉抽筋、情绪障碍、食欲不振 | 食盐 |
| 铜（微量） | 许多氧化还原酶的必需成分，包括细胞色素 c 氧化酶；血红蛋白合成的辅助因子 | 缺铜的情况很少见 | 肝脏、牡蛎、可可、巧克力、芝麻、坚果 |
| 碘 | 合成甲状腺激素所必需的 | 甲状腺肿 | 海鲜、碘盐、乳制品 |
| 铁 | 需要许多蛋白质和酶，尤其是血红蛋白，以预防贫血 | 贫血，导致注意力不集中、疲劳和免疫功能差 | 红肉、绿叶蔬菜、鱼（金枪鱼、三文鱼）、鸡蛋、干果、豆类、全谷物 |
| *镁 | ATP 形成、骨形成、正常膜功能、肌肉功能所需的辅助因子 | 情绪障碍、肌肉痉挛 | 全谷物、绿叶蔬菜 |
| 锰（微量） | 酶功能中的辅助因子；需要微量 | 缺锰的情况很少见 | 常见于大多数食物 |
| 钼（微量） | 充当人体三种必需酶的辅助因子：亚硫酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶和醛氧化酶 | 钼缺乏症很少见 | |
| *磷 | 骨骼和牙齿的成分；有助于调节酸碱平衡；核苷酸合成 | 虚弱、骨骼异常、钙流失 | 牛奶、硬质奶酪、全谷物、肉类 |
| *钾 | 对肌肉、心脏和神经功能至关重要 | 心律失常、肌肉无力 | 豆类、土豆皮、番茄、香蕉 |
| 硒（微量） | 谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶活性所必需的辅助因子；需要微量 | 缺硒的情况很少见 | 常见于大多数食物 |
| *钠 | 多种功能所需的全身电解质；酸碱平衡；水平衡；神经功能 | 肌肉抽筋、疲劳、食欲不振 | 食盐 |
| 锌（微量） | 多种酶是必需的，例如羧肽酶、肝醇脱氢酶和碳酸酐酶 | 贫血，伤口愈合不良，可能导致身材矮小 | 常见于大多数食物 |
| *要求大于 200 毫克/天 | |||
| 必须食用的氨基酸 | 人体合成代谢的氨基酸 |
|---|---|
| 异亮氨酸 | 丙氨酸 |
| 亮氨酸 | 硒半胱氨酸 |
| 赖氨酸 | 天门冬氨酸 |
| 蛋氨酸 | 半胱氨酸 |
| 苯丙氨酸 | 谷氨酸 |
| 色氨酸 | 甘氨酸 |
| 缬氨酸 | 脯氨酸 |
| 组氨酸* | 丝氨酸 |
| 苏氨酸 | 酪氨酸 |
| 精氨酸* | 天冬酰胺 |
| *人体可以合成组氨酸和精氨酸，但不能达到所需的数量，特别是对于成长中的孩子。 | |
食物能量和 ATP
动物需要食物来获得能量和维持体内平衡。 动态平衡是系统即使面对外部环境变化也能维持稳定的内部环境的能力。 例如，人类的正常体温为37°C（98.6°F）。 即使外部温度很热或很冷，人类也能保持这种温度。 维持这种体温需要能量，而动物则从食物中获得这种能量。
动物的主要能量来源是碳水化合物，主要是葡萄糖。 葡萄糖被称为人体的燃料。 动物饮食中可消化的碳水化合物通过一系列分解代谢化学反应转化为葡萄糖分子。
三磷酸腺苷或 ATP 是细胞中的主要能量货币；ATP 在磷酸酯键中储存能量。 当磷酸二酯键断裂并且 ATP 转化为 ADP 和磷酸盐基团时，ATP 会释放能量。 ATP 是由细胞质和线粒体中的氧化反应产生的，其中碳水化合物、蛋白质和脂肪会经历一系列代谢反应，统称为细胞呼吸。 例如，糖酵解是一系列反应，其中葡萄糖被转化为丙酮酸，其部分化学势能被转移到NADH和ATP。
所有细胞功能都需要 ATP。 它用于构建细胞和组织所需的有机分子；它为肌肉收缩和神经系统中电信号的传输提供能量。 当可用的ATP量超过人体所需量时，肝脏会使用多余的ATP和多余的葡萄糖来产生称为糖原的分子。 糖原是一种聚合形式的葡萄糖，储存在肝脏和骨骼肌细胞中。 当血糖下降时，肝脏会从糖原储存中释放葡萄糖。 骨骼肌在剧烈运动中将糖原转化为葡萄糖。 将葡萄糖和过量的 ATP 转化为糖原以及储存多余能量的过程是帮助动物应对行动能力、食物短缺和饥荒的进化重要步骤。
日常联系：肥胖
肥胖是美国的主要健康问题，人们越来越关注减少肥胖及其可能导致的疾病，例如2型糖尿病、结肠癌和乳腺癌以及心血管疾病。 食用的食物如何导致肥胖？
高脂肪食物卡路里密集，这意味着它们每单位质量比碳水化合物或蛋白质含有更多的卡路里。 一克碳水化合物含有四卡路里，一克蛋白质含有四卡路里，一克脂肪含有九卡路里。 动物倾向于寻找富含脂质的食物，因为它们的能量含量更高。
饥饿（“进食时间”）和饱腹感（“停止进食时间”）的信号在大脑的下丘脑区域受到控制。 与仅富含碳水化合物的食物相比，富含脂肪酸的食物往往更能促进饱腹感。
肝脏使用过量的碳水化合物和 ATP 来合成糖原。 糖酵解过程中产生的丙酮酸用于合成脂肪酸。 当体内的葡萄糖超出所需量时，由此产生的过量丙酮酸会转化为分子，最终导致体内脂肪酸的合成。 这些脂肪酸储存在脂肪细胞中，脂肪细胞是哺乳动物体内的脂肪细胞，其主要作用是储存脂肪供以后使用。
重要的是要注意，有些动物会从肥胖中受益。 北极熊和海豹需要体内脂肪来隔热，并防止它们在北极冬季流失体温。 当食物稀缺时，储存的体内脂肪会为维持体内平衡提供能量。 脂肪可以防止哺乳动物发生饥荒，使它们能够在每天没有食物时获得能量；当大量杀伤或有大量食物可用时，脂肪就会被储存。
摘要
动物饮食应均衡并满足身体的需求。 碳水化合物、蛋白质和脂肪是食物的主要成分。 一些必需的营养素是细胞功能所必需的，但不能由动物体产生。 这些包括维生素、矿物质、一些脂肪酸和一些氨基酸。 超过必要量的食物以糖原的形式储存在肝脏和肌肉细胞以及脂肪细胞中。 过多的脂肪储存会导致肥胖和严重的健康问题。 ATP 是细胞的能量货币，是通过代谢途径获得的。 多余的碳水化合物和能量作为糖原储存在体内。
词汇表
- 必需营养素
- 人体无法合成的营养素；必须从食物中获得
- 矿物
- 在体内发挥重要作用的无机元素分子
- 维生素
- 维持生命所必需的少量有机物质