Ο μεταβολισμός

Ο όρος «μεταβολισμός,» αποτελεί αρκετά πρόσφατο δημιούργημα. Πράγματι ο όρος χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά μόλις πριν από 180 περίπου χρόνια από τον Γερμανό Φυσιολόγο Schwann, και σημαίνει το σύνολο των χημικών μεταβολών που επιτελούνται μέσα στο σώμα, και τις συνακόλουθες μετατροπές ενέργειας που προκαλούνται από αυτές, και που υποχρεωτικά τις συνοδεύουν. Βέβαια οι επιστημονικές έρευνες σχετικά με τον μεταβολισμό στο σώμα του ανθρώπου είχαν αρχίσει αρκετά χρόνια πριν. Έτσι ο Sanctorius, Ιταλός γιατρός και μετέπειτα Καθηγητής της Ιατρικής στο Πανεπιστήμιο της Πάδουας, ήταν ο πρώτος που άρχισε να κάνει συστηματικές ποσοτικές μετρήσεις στο ανθρώπινο σώμα, ήδη από το 1615 μΧ. Έτσι, ο Sanctorius διαπίστωσε, για πρώτη φορά, και με βάση ποσοτικούς προσδιορισμούς, με ζυγαριά που είχε κατασκευάσει ο ίδιος, τη συνεχή απώλεια σωματικού βάρους από τον άνθρωπο, την οποία απέδωσε σε «άδηλη εφίδρωση,» δηλαδή σε ιδρώτα που εξατμίζεται αμέσως με την παραγωγή του, χωρίς να γίνεται αντιληπτός. Βέβαια η ερμηνεία που έδωσε ο Sanctorius, με τα σημερινά δεδομένα δεν είναι απόλυτα σωστή, αλλά η ζυγαριά του σίγουρα αποτελεί το πρώτο επιστημονικό όργανο που τεκμηριωμένα χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη του μεταβολισμού στο ανθρώπινο σώμα.
Από την εποχή όμως του Schwann μέχρι σήμερα, οι μετρήσεις, οι πειραματικές έρευνες και οι μελέτες που έγιναν πάνω σ’ αυτό το θέμα είναι πράγματι εντυπωσιακές και είχαν ως αποτέλεσμα το καταπληκτικό σε όγκο, αλλά και από πολλές απόψεις σημαντικό σε δομή και θεμελιακό σε περιεχόμενο, οικοδόμημα της σύγχρονης Βιοχημείας. Πράγματι, με τα επιτεύγματα του σύγχρονου αυτού επιστημονικού κλάδου, μπορούμε σήμερα να καταγράφουμε, να παρακολουθούμε και να κατανοούμε, έστω και σε αδρές μόνο γραμμές, τις δαιδαλώδεις χημικές διεργασίες και τις μετατροπές της ενέργειας που επιτελούνται, με ακρίβεια που καταπλήσσει, μέσα στον εκπληκτικό κόσμο του ζωντανού κυττάρου. Ο Leonardo Da Vinci, όπως και στρατιές ολόκληρες κυνηγών της χίμαιρας, πριν, αλλά και μετά από αυτόν, έζησαν την πίκρα της απαγοήτευσης όταν διαπίστωναν το απραγματοποίητο της κατασκευής του «αεικίνητου,» δηλαδή της μηχανής που θα παρήγαγε έργο από το τίποτε! Στην ίδια διαπίστωση, αλλά μάλλον χωρίς τη συνοδό απαγοήτευση, μας οδηγούν και όλα τα ευρήματα και συμπεράσματα που προκύπτουν από τη μελέτη του μεταβολισμού όσον αφορά τη διαχείριση της ενέργειας στο επίπεδο του κυττάρου: Ισχύουν και εδώ οι ίδιοι ακριβώς φυσικοί νόμοι που ισχύουν και στο μακρόκοσμο.
Δεν υπάρχει κυτταρικό ή ενδοκυττάριο αεικίνητο. Ολόκληρο το ποσό της ενέργειας που μετατρέπεται για τη λειτουργία του σώματος, καθώς και εκείνο που τελικά αποδίδεται ως εξωτερικό μηχανικό είτε άλλης μορφής έργο, πρέπει να εισάγεται στο σώμα με τη μορφή της χημικής ενέργειας που περικλείεται μέσα στις θρεπτικές ουσίες της τροφής. Ο οργανισμός μας δεν παράγει ενέργεια, αλλά ούτε και εξαφανίζει ενέργεια. Απλά την παραλαμβάνει από το περιβάλλον ως χημική ενέργεια, και τη μετατρέπει σε χημική, ωσμωτική, ηλεκτρική και κινητική ενέργεια. Τελικά δε, το σύνολο σχεδόν όλων αυτών των μορφών της ενέργειας αποδίδεται προς το περιβάλλον με τη μορφή της θερμικής ενέργειας (θερμότητα). Αυτός είναι σχεδιαγραμματικά ο κύκλος του μεταβολισμού της ενέργειας στο σώμα. Και επειδή, για να χρησιμοποιηθεί η ενέργεια στο σώμα, πρέπει πρώτα να απελευθερώνεται με τη διάσπαση κάποιου χημικού δεσμού, ενώ κατά τη χρησιμοποίησή της συνήθως ενσωματώνεται σε ένα νεοπαραγόμενο χημικό δεσμό, ο μεταβολισμός της ενέργειας διακρίνεται σε καταβολισμό (διάσπαση ουσιών), και σε αναβολισμό (σύνθεση ουσιών).
Τον μεταβολισμό είναι δυνατό να τον δούμε από πολλές και διάφορες απόψεις, ανάλογα με το τι ακριβώς μας ενδιαφέρει. Έτσι, αν μας ενδιαφέρουν οι χημικές ουσίες που διασπώνται, καθώς και οι χημικές ουσίες που συντίθενται μέσα στο σώμα, τότε μελετούμε το μεταβολισμό των υδατανθράκων, των πρωτεϊνών ή των λιπιδίων, καθώς και το μεταβολισμό πλήθους άλλων ουσιών ή στοιχείων, όπως του αζώτου, του ασβεστίου, του σιδήρου, των φωσφορικών αλάτων, κλπ. Η έννοια όμως του μεταβολισμού, έτσι όπως επικράτησε να ενδιαφέρει το ευρύ κοινό, αφορά τη διακίνηση της ενέργειας μέσα από το σώμα, γιατί αυτό έχει άμεση σχέση με τη διατροφή, το σωματικό βάρος, και γενικά με την «εικόνα του σώματος,” και το σημαντικότερο ίσως είναι ότι γίνεται πολύ ευκολότερα κατανοητή από τον μέσο, μη ειδικό αναγνώστη. Γι’ αυτό, σ’ αυτό το άρθρο, ασχολούμαστε μόνο με το μεταβολισμό της ενέργειας και τις επιπτώσεις του στην καθημερινή μας ζωή.
1. Η ενέργεια εισάγεται στο σώμα μας με τους υδατάνθρακες, τα λιπίδια και τις πρωτεϊνες της τροφής.
2. Τα τρία αυτά είδη των θρεπτικών ουσιών υποβάλλονται, μέσα στο πεπτικό μας σύστημα, στη διεργασία της πέψης και μετατρέπονται με αυτό τον τρόπο σε απλούστερες ουσίες, που μπορούν στη συνέχεια να περάσουν προς το αίμα και να μεταφερθούν σε όλα τα σημεία του σώματος.
3. Κατά τη διεργασία της πέψης ένα πολύ μικρό μέρος της ενέργειας που περικλείεται στις θρεπτικές ουσίες της τροφής αποδίδεται με τη μορφή της θερμότητας, χωρίς την περαιτέρω δυνατότητα να αποδώσει έργο οποιασδήποτε μορφής.
4. Τα προϊόντα της πέψης, δηλαδή οι απλοί υδατάνθρακες, τα λιπαρά οξέα και τα μονογλυκερίδια, καθώς και τα αμινοξέα, απορροφώνται από το έντερο και φέρονται στο αίμα.
5. Το μεγαλύτερο μέρος των υδατανθράκων, μετά τη μετατροπή τους σε γλυκόζη, εναποθηκεύεται στο συκώτι και στους μυς, με τη μορφή του γλυκογόνου, για μελλοντική χρήση και, εάν υπάρχει ακόμα περίσσευμα, αυτό μετατρέπεται σε λίπος και εναποθηκεύεται στο λιπώδη ιστό του σώματος.
6. Το μεγαλύτερο μέρος των προϊόντων της πέψης του λίπους εναποτίθεται και αυτό στο λιπώδη ιστό του σώματος με τη μορφή του λίπους για μελλοντική χρήση.
7. Τα αμινοξέα που προήλθαν από την πέψη των πρωτεϊνών της τροφής, παραλαμβάνονται από όλα τα κύτταρα του σώματος και χρησιμοποιούνται για τη δομή νέου λευκώματος. Όσα περισσεύουν, μετατρέπονται από το συκώτι σε γλυκόζη και σε λιπαρά οξέα, ουσίες που ακολουθούν αντίστοιχα το μεταβολισμό των υδατανθράκων και των λιπών.
8. Μέσα στα μιτοχόνδρια όλων των κυττάρων του σώματος γίνονται οξειδωτικές διασπάσεις (καύσεις) γλυκόζης, λιπαρών οξέων και των υποπροϊόντων τους, με οξυγόνο που παραλαμβάνεται από την ατμόσφαιρα με την αναπνευστική λειτουργία, με αποτέλεσμα τη μετατροπή τους σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό, και την απόδοση μεγάλου ποσού ενέργειας.
9. Σημαντικό ποσό από αυτή την ενέργεια χρησιμοποιείται επί τόπου για τη σύνθεση της ουσίας ATP, ενώ το υπόλοιπο αποδίδεται ως θερμότητα.
10. Η ουσία ATP μεταφέρεται σε όλα τα σημεία του κυττάρου όπου, σε συνδυασμό με ποικίλα ενζυμικά συστήματα, διασπάται χωρίς τη χρησιμοποίηση οξυγόνου και αποδίδει ενέργεια για την επιτέλεση όλων των λειτουργιών των κυττάρων (σύνθεση ουσιών, μετακίνηση ουσιών και ιόντων, αύξηση είτε ελάττωση της συγκέντρωσης ουσιών σε διάφορους ενδοκυττάριους χώρους, έκκριση, μεταβίβαση νευρικών ώσεων, συστολή μυών, κλπ.). Κατά τις μετατροπές αυτές, ένα μέρος της ενέργειας αποδίδεται και πάλι με τη μορφή της θερμότητας, η οποία δεν μπορεί πια να αποδώσει οποιοδήποτε έργο.
11. Τα προϊόντα διάσπασης της ATP επανέρχονται και πάλι στα μιτοχόνδρια για να ξαναγίνουν ATP, κοκ.
12. Τελικά, όλο το ποσό της ενέργειας που αποδίδεται με την αρχική καύση των θρεπτικών ουσιών μέσα στα μιτοχόνδρια, μετατρέπεται, με τις αλλεπάλληλες μετατροπές, σε θερμότητα, εκτός από την περίπτωση ενέργειας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή εξωτερικού μηχανικού έργου, είτε τη δημιουργία νέων χημικών δεσμών. Για παράδειγμα, όλο το μηχανικό έργο που παράγεται από την συνεχή λειτουργία της καρδίας για την κυκλοφορία του αίματος, τελικά μετατρέπεται σε θερμότητα μέσα στο σώμα, με την τριβή του κυκλοφορούμενου αίματος στα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων.
Εάν όμως πιάσω από το πάτωμα ένα αντικείμενο βάρους ενός κιλού και το ανυψώσω και το τοποθετήσω στο τραπέζι, σε ύψος ενός μέτρου, τότε, από το συνολικό ποσό της ενέργειας που χρειάστηκε για να γίνει αυτή η δουλειά, το ποσό της ενέργειας που αντιστοιχεί σε μηχανικό έργο ενός χιλιογραμμόμετρου ΔΕΝ αποδίδεται ως θερμότητα μέσα στο σώμα μου, γιατί χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση εξωτερικού μηχανικού έργου.
Για να καταλάβουμε τι γίνεται με όλη αυτή τη διακίνηση της ενέργειας μέσα στο σώμα, είναι ανάγκη να καταφύγουμε σε μια απλή μάλλον λογιστική ανάλυση.
1. Θα θεωρήσουμε όλη τη μετατρέψιμη ενέργεια που περιλαμβάνεται στην τροφή μας ως έσοδο ενέργειας, το δε ποσό της ενέργειας που αποδίδεται με τις καύσεις μέσα στα μιτοχόνδρια των κυττάρων μας ως έξοδο ενέργειας.
2. Σε ένα φυσιολογικό άτομο, το έξοδο ενέργειας πρέπει να αντισταθμίζεται με ακρίβεια από ανάλογο έσοδο ενέργειας. Αυτό γίνεται με το αίσθημα της πείνας, δηλαδή εάν το έξοδο ενέργειας σήμερα τυχαίνει να είναι μεγάλο, πεινάμε περισσότερο, τρώμε παραπάνω, και το αναπληρώνουμε. Αντίθετα, εάν το έξοδο ενέργειας σήμερα τυχαίνει να είναι μικρό, πεινάμε λιγότερο, τρώμε λιγότερο, και έχουμε και πάλι ισοζύγιο ενέργειας
3. Eάν για οποιοδήποτε λόγο αυτό το ισοζύγιο ενέργειας διαταράσσεται, αυτό έχει άμεση επίπτωση στο σωματικό μας βάρος. Δηλαδή, εάν το έξοδο ενέργειας είναι λιγότερο από το έσοδο, ο ισολογισμός της ενέργειας θα είναι θετικός, και το σωματικό βάρος μας αυξάνεται (με την εναπόθεση λίπους στις λιπαποθήκες του σώματος). Αντίθετα, εάν το έξοδο ενέργειας είναι μεγαλύτερο από το έσοδο, ο ισολογισμός της ενέργειας θα είναι αρνητικός, και το σωματικό βάρος ελαττώνεται (με κατανάλωση λίπους από τις λιπαποθήκες του σώματος.
4. Η ενέργεια που εισάγεται στο σώμα μας με την τροφή, καθώς και αυτή που μετατρέπεται με τις καύσεις στα κύτταρά μας, μετράται σε μεγάλες θερμίδες. (kcal). Οι υδατάνθρακες και οι πρωτεϊνες (λευκώματα) αποδίδουν 4 (περίπου) μεγάλες θερμίδες (kcal) ανά γραμμάριο, ενώ τα λίπη (και γενικά τα λιπίδια) αποδίδουν 9 περίπου kcal ανά γραμμάριο, το δε οινόπνευμα αποδίδει 7 kcal/γραμμάριο.
5. Το ποσό της ενέργειας που εισάγεται στο σώμα εύκολα μπορεί να υπολογίζεται με τη ζυγαριά και τους Πίνακες περιεκτικότητας της κάθε τροφής στα τρία είδη των θρεπτικών ουσιών.
6. Το ποσό τα ενέργειας που χρησιμοποιείται από τα κύτταρά μας υπολογίζεται, με αρκετά μεγάλη ακρίβεια, από το ποσό του οξυγόνου που καταναλίσκουμε, γιατί, όπως αναφέρεται και παραπάνω, αυτή η ενέργεια αποδίδεται αρχικά με την καύση των θρεπτικών στοιχείων μέσα σε ειδικά οργανύλλια των κυττάρων μας, τα μιτοχόνδρια.
Ο ρυθμός με τον οποίο χρησιμοποιείται η ενέργεια στο σώμα μας δεν είναι πάντα ο ίδιος, γιατί αυτός εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, που δεν είναι σταθεροί. Εάν, για παράδειγμα, κάνουμε καθιστική ζωή, η χρησιμοποίηση ενέργειας για κίνηση είναι περιορισμένη και, κατά συνέπεια, το έξοδο της ενέργειας είναι μικρό. Εάν όμως έχουμε αυξημένη κινητικότητα – περπατάμε, τρέχουμε , γυμναζόμαστε, ανεβαίνουμε σκάλες – το έξοδο της ενέργειας είναι μεγάλο, δηλαδή έχουμε αυξημένο μεταβολισμό. Επίσης, αν βρισκόμαστε σε ψυχρό περιβάλλον, οι καύσεις στο σώμα αυξάνονται, για να μπορέσει το σώμα να διατηρήσει τη θερμοκρασία του σταθερή. Εάν όμως βρισκόμαστε σε περιβάλλον με αδιάφορη θερμοκρασία (γύρω στους 20 ως 24 βαθμούς C), οι καύσεις περιορίζονται στο ελάχιστο. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η πρόσληψη τροφής. Εάν έχουμε φάει, για ένα χρονικό διάστημα 12 περίπου ωρών, οι καύσεις στο σώμα είναι αυξημένες, γιατί χρειάζεται επιπρόσθετη ενέργεια για τη μετατροπή ενός πλήθους από τις ουσίες που έχουν απορροφηθεί από το έντερο, σε άλλες ουσίες, και γι’ αυτό απαιτείται η επιπρόσθετη χρησιμοποίηση ενέργειας. Μάλιστα σ’ αυτή την περίπτωση, το έξοδο ενέργειας δεν εξαρτάται μόνο από την ποσότητα της τροφής αλλά και από το είδος της. Για παράδειγμα, εάν στην τροφή μας υπήρχε πολύ λεύκωμα, ο μεταβολισμός αυξάνεται πολύ περισσότερο σε σύγκριση με την περίπτωση που η τροφή μας αποτελείτο κυρίως από υδατάνθρακες είτε από λίπος.
Τι γίνεται όμως με τον μεταβολισμό μας εάν αποκλειστούν όλοι αυτοί οι μεταβλητοί παράγοντες; Για παράδειγμα, τι γίνεται με το μεταβολισμό ενός ατόμου που είναι νηστικό για 12 ώρες, είναι ξαπλωμένο ήρεμα στο κρεβάτι του σε θερμοκρασία περιβάλλοντος αδιάφορη, και σε κατάσταση απόλυτης ψυχικής ηρεμίας; Σ’ αυτή την περίπτωση, η ενέργεια που χρησιμοποιείται στο σώμα είναι η ελάχιστη απαραίτητη για την επιτέλεση των βασικών λειτουργιών συντήρησης της ζωής, όπως είναι η λειτουργία της καρδίας για την κυκλοφορία του αίματος, οι συστολές των αναπνευστικών μυών για την επιτέλεση της εισπνοής και της εκπνοής, η λειτουργία των νεφρών για την παραγωγή των ούρων, η λειτουργία του ήπατος, των ενδοκρινών αδένων, του νευρικού συστήματος, και γενικά όλων των άλλων κυττάρων του σώματος για να διατηρούνται στη ζωή. Ο ρυθμός της μετατροπής της ενέργειας στο σώμα, κάτω από αυτές τις συνθήκες χαρακτηρίζεται ως ΒΑΣΙΚΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ..
Ο βασικός μεταβολισμός συνήθως μετράται και εκφράζεται σε θερμίδες (kcal) ανά τετραγωνικό μέτρο επιφάνειας του σώματος, ανά 24ωρο. (η επιφάνεια του σώματος υπολογίζεται με ειδικό μαθηματικό τύπο, με δεδομένα το βάρος και το ύψος του σώματος), και αρχίζει από 1.400 (μεγάλες) θερμίδες (kcal), σε ηλικία 1 έτους, ελαττώνεται στις 980 kcal στον άντρα σε ηλικία 20 ετών (ενώ στη γυναίκα είναι μόνο 860), σε 860 kcal στον άντρα σε ηλικία 50 ετών (ενώ στη γυναίκα είναι μόνο 800), ενώ σε ηλικία 70 ετών οι αντίστοιχες τιμές είναι 800 και 770. Και πρακτικότερα, για παράδειγμα, σε άντρα 20 ετών, με σωματικό βάρος 68 κιλά και ύψος 1,75 m, η επιφάνεια του σώματος είναι 1,82 τετραγωνικό μέτρο, και ο βασικός μεταβολισμός είναι 1.808 θερμίδες (kcal) ανά 24ωρο, ενώ σε γυναίκα της ίδιας ηλικίας, με σωματικό βάρος 56 κιλά και ύψος σώματος 1,65 m, η επιφάνεια του σώματος είναι 1,6 τετραγωνικό μέτρο, και ο βασικός μεταβολισμός είναι 1.386 θερμίδες (kcal) ανά 24ωρο. Οι παραπάνω τιμές του βασικού μεταβολισμού είναι οι ιδανικές για τα άτομα που αναφέραμε ως παράδειγμα. Kατά τη μέτρηση του βασικού μεταβολισμού, η τιμή που υπολογίζεται συγκρίνεται με την ιδανική τιμή και εκφράζεται ως ποσοστό αυτής της τιμής με την ένδειξη «συν» (ή +), εάν είναι μεγαλύτερη, και με την ένδειξη «πλην « (ή -) εάν είναι μικρότερη. Ως φυσιολογικό πλαίσιο θεωρούνται οι τιμές από +15% ως –10%. Σε παθολογικές περιπτώσεις, ο βασικός μεταβολισμός μπορεί να φτάσει μέχρι και + 100%, δηλαδή διπλάσιος του φυσιολογικού, ή και να είναι μόνο – 50%, δηλαδή ο μισός του φυσιολογικού. Ενδιαφέρουσα είναι η κατανομή της χρησιμοποίησης της ενέργειας του βασικού μεταβολισμού από τα διάφορα όργανα και συστήματα του σώματος. Έτσι, η καρδία, που επιτελεί ένα πολύ μεγάλο μηχανικό έργο για την κυκλοφορία του αίματος, χρησιμοποιεί μόνο τα 10% αυτής της ενέργειας, ενώ ο εγκέφαλος χρησιμοποιεί τα 19%, δηλαδή σχεδόν διπλάσια ενέργεια από την καρδία. Το συκώτι, επίσης, μαζί με τα κοιλιακά σπλάχνα, χρησιμοποιούν τα 27% και οι νεφροί άλλα 7%.
Ο ολικός μεταβολισμός είναι βέβαια ο βασικός μεταβολισμός, συν όλες τις επιπρόσθετες θερμίδες που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή μας ζωή για τη θερμορύθμιση, την κίνηση και τις λοιπές μας δραστηριότητες. Οι συνήθεις τιμές του ολικού μεταβολισμού για τον μέσο εργαζόμενο είναι γύρω στις 2.500 μεγάλες θερμίδες (kcal) ανά 24ωρο. Μπορεί όμως, σε εξαιρετικές περιπτώσεις αυτές να φτάνουν ακόμα και στις 6.000 kcal/24ωρο.