Хранене и храносмилане — урок по биология

1. Хранителни вещества и енергия

Растенията сами правят органичните си вещества от CO₂ и вода. Животните и човекът са хетеротрофи: те получават готови органични вещества с храната. От тях вземат енергия (чрез ) и градивен материал за собствените си клетки. Храната съдържа шест групи вещества: въглехидрати, мазнини (липиди), белтъци, витамини, минерални вещества и вода. Към тях се добавят и баластните вещества (фибри) – главно целулоза, която човекът не може да разгради, но която е важна за работата на червата. Как са построени , мазнините и , виж в Биомолекули.

Вещество	Енергия	Главна роля
въглехидрати	17 kJ/g (4 kcal/g)	бърз източник на енергия; запас – гликоген
мазнини	37 kJ/g (9 kcal/g)	запас на енергия, мембрани, топлоизолация
белтъци	17 kJ/g (4 kcal/g)	строеж на клетките, ензими, антитела
витамини, минерали, вода	0	коензими, кости, кръв, разтворител

О

Енергийна стойност на храната

E = 17·mв + 37·mм + 17·mб (kJ, масите в грамове). Мазнините дават над два пъти повече енергия на грам, защото са по-бедни на кислород – въглеродът и водородът в тях са по-малко окислени. 1 kcal = 4,184 kJ.

Белтъците могат да дават енергия, но тялото ги използва главно за строеж. Девет от двадесетте човекът не може да синтезира – те са незаменими и трябва да се приемат с храната. Животинските белтъци обикновено ги съдържат всичките, а растителните се допълват – например боб с хляб.

Пример

100 g сухи макарони съдържат около 75 g въглехидрати, 1,5 g мазнини и 13 g белтъци. Колко енергия дават?

$E = 75 \cdot 17 + 1{,}5 \cdot 37 + 13 \cdot 17$
$E = 1275 + 55{,}5 + 221 \approx 1552\ \mathrm{kJ}$
Това е около 370 kcal – почти една шеста от дневната нужда на тийнейджър.

2. Храносмилателната система

Едрите молекули в храната – нишесте, белтъци, мазнини – не могат да минат през стената на червата. Храносмилането ги разгражда до малки молекули, които се всмукват: глюкоза (и други ), аминокиселини, мастни киселини и глицерол (или моноглицериди). Разграждането е механично (дъвчене, разбъркване в стомаха) и химично – с , които хидролизират връзките, като добавят вода.

Храносмилателният канал е тръба, дълга няколко метра (в учебниците – около 8–9 m): уста → гълтач → хранопровод → стомах → тънко черво (дванадесетопръстник, празно и хълбочно черво) → дебело черво (с апендикса) → право черво. Към нея се изливат соковете на три големи жлези: слюнчените жлези, черния дроб (жлъчка) и задстомашната жлеза (панкреаса). Храната се придвижва с перисталтика – вълни от свиване на гладката мускулатура в стената. Затова можем да гълтаме дори с главата надолу.

О

Стомахът

Мускулест мехур, в който храната престоява 2–4 часа. Жлезите в стената му отделят солна киселина (pH около 1,5–3,5), пепсиноген и слуз. Киселината убива повечето бактерии, денатурира белтъците и превръща пепсиногена в активен пепсин. Слузта и бикарбонатът пазят стената от собствения сок.

От стомаха храната минава на малки порции през пилора в дванадесетопръстника. Там в нея се изливат жлъчка и панкреатичен сок. Бикарбонатът (HCO₃⁻) от панкреаса неутрализира и се вдига до около 7–8 – там работят панкреатичните ензими. Кога да се отделят соковете, решават нервната система и на самия храносмилателен канал: гастринът подтиква стомаха да отделя киселина, а и холецистокининът от стената на дванадесетопръстника – панкреаса и жлъчния мехур.

3. Ензимите по пътя на храната

Всеки храносмилателен ензим разгражда определен вид връзки и работи най-добре при определено pH. Как ензимите зависят от pH и температурата, виж в Ензими.

Ензим	Откъде	Какво разгражда	pH
амилаза	слюнка	нишесте → малтоза	≈ 7
пепсин	стомах	белтъци → пептиди	≈ 2
амилаза	панкреас	нишесте → малтоза	≈ 7
трипсин, химотрипсин	панкреас	белтъци и пептиди → по-къси пептиди	≈ 8
липаза	панкреас	мазнини → мастни киселини + моноглицериди	≈ 8
малтаза, лактаза, захараза	стена на тънкото черво	дизахариди → монозахариди	≈ 7
пептидази	стена на тънкото черво	пептиди → аминокиселини	≈ 7–8

Белтъчните ензими са опасни за клетките, които ги правят. Затова те се отделят като неактивни предшественици: пепсиногенът става пепсин в киселата среда на стомаха, а трипсиногенът се активира в дванадесетопръстника от ензима ентеропептидаза в стената на червото. Ако трипсинът се активира по-рано, още в панкреаса, той започва да смила самата жлеза – това е острият панкреатит.

В лабораторията по-долу проследи хапка храна от устата до дебелото черво. Виж кои ензими има във всеки отдел и колко силно работят при тамошното pH. После изключи жлъчката или панкреаса.

отделустаpH6,8времедо 1 min

слюнчена амилазаопт. pH 6,8

В устата слюнчената амилаза започва да разгражда нишестето – но храната стои там само секунди.

💡 Числата са опростен модел, а не измервания. Лентите показват каква част от всяко вещество е останала неразградена, каква е разградена до междинни продукти и каква е всмукана. Активността на ензимите е камбана около оптималното им pH. Изключи жлъчката или панкреаса и проследи храната до дебелото черво.

Пример

Много възрастни хора получават подуване и разстройство след прясно мляко, но понасят кисело мляко и сирене. Защо?

Млечната захар лактоза е дизахарид. Разгражда се до глюкоза и галактоза от ензима лактаза в стената на тънкото черво.
При повечето хора по света лактазата намалява след кърмаческата възраст. Неразградената лактоза стига до дебелото черво, където бактериите я ферментират – отделят се газове, а водата се задържа в червото.
В киселото мляко и зрелите сирена бактериите вече са превърнали голяма част от лактозата в млечна киселина.

4. Жлъчка и емулгиране

Мазнините не се смесват с вода и в червото образуват капки. Липазата е разтворена във водата и може да работи само по повърхността им. Тук помага жлъчката. Тя се образува в черния дроб, събира се в жлъчния мехур и се излива в дванадесетопръстника, когато в него влезе мазна храна. Жлъчката не съдържа ензими. Нейните жлъчни соли имат хидрофилна и хидрофобна страна – като сапуна. Те покриват капките мазнина и ги раздробяват на много ситни капчици: емулгират ги.

Т

Площ на капчиците

Ако обем V мазнина се раздели на еднакви сферични капки с диаметър d, общата им площ е A = 6V/d. При 10 пъти по-малки капки площта – и скоростта на липазата – расте 10 пъти, макар че мазнината е същата.

капки d26,7 mmброй1,00площ0,0022 m²

A = 6V / d = 6 · 10 cm³ / 26,7 mm ≈ 0,0022 m²

Една голяма капка има площ само около 22 cm² – липазата е разтворена във водата и може да работи само по повърхността.

💡 10 cm³ мазнина се разделя на еднакви сферични капки с диаметър d. Броят им е 6V/(πd³), а общата площ – 6V/d. Скоростта на липазата е пропорционална на площта; константата ѝ е подбрана само за пример (при капки 1 µm мазнината се разгражда за около 30 min). Без жлъчни соли приемаме, че капчиците не остават по-малки от 0,2 mm.

Жлъчните соли правят и още нещо: събират мастните киселини и моноглицеридите в малки мицели, които ги носят до стената на червото. Когато жлъчката не може да изтече (например при камък в жлъчния канал), голяма част от мазнините остава неразградена и излиза с изпражненията – те стават светли и мазни. Страда и всмукването на мастноразтворимите витамини.

5. Всмукване в тънкото черво

Тънкото черво е дълго около 6 m. Стената му е нагъната в кръгови гънки, гънките са покрити с милиони въсинки – израстъци, дълги около 1 mm, а клетките по въсинките имат по мембраната си хиляди микровъсинки (четкова ивица). Всичко това огромно увеличава площта, през която се всмукват веществата. Класическата оценка в учебниците е 200–300 m², колкото тенис корт. По-ново измерване (2014 г.) дава по-скромно число – около 30 m² за целия храносмилателен канал. И то е много повече от площта на гладка тръба.

О

Как се всмукват веществата

Глюкозата влиза в клетките на въсинката заедно с Na⁺ (котранспорт), като използва градиента на Na⁺, поддържан от Na⁺/K⁺ помпата – косвено активен транспорт. Аминокиселините се всмукват по подобен начин. Двете вещества минават в кръвоносните капиляри на въсинката и по порталната вена стигат до черния дроб. Мастните киселини и моноглицеридите дифундират през мембраната, в клетката отново стават мазнини, опаковат се с белтъци в хиломикрони и излизат в лимфния съд на въсинката.

Как работят котранспортът и , виж в Мембрана и транспорт. Важна подробност: кръвта от червата не отива направо в сърцето, а първо минава през черния дроб. Така той пръв „вижда“ всичко всмукано – и хранителните вещества, и отровите.

Пример

При целиакия имунната система реагира срещу глутена (белтък в пшеницата) и уврежда въсинките – те се скъсяват и изглаждат. Какво ще стане с човек, който продължава да яде хляб?

Площта за всмукване намалява многократно.
Хранителните вещества, витамините и желязото не се всмукват достатъчно – човекът отслабва, може да развие анемия.
Без глутен въсинките обикновено се възстановяват за месеци.

6. Черният дроб и дебелото черво

Черният дроб е най-голямата жлеза в тялото – около 1,5 kg. Освен жлъчката той изпълнява десетки задачи:

превръща излишната глюкоза в гликоген и обратно – поддържа захарта в кръвта (виж Отделяне и хомеостаза);
превръща азота от излишните аминокиселини в урея, която изхвърлят;
синтезира белтъците на – албумин и факторите на ;
обезврежда отрови, лекарства и ;
запасява желязо и витамини A, D и B₁₂.

В дебелото черво стигат вода, фибри и неразградени остатъци. Там се всмуква голяма част от останалата вода и солите. В него живеят трилиони – чревната микробиота. Те ферментират част от фибрите до къси мастни киселини, които хранят клетките на стената, синтезират витамин K и пречат на вредните бактерии да се заселят. Фибрите задържат вода, правят съдържанието по-обемно и улесняват перисталтиката.

7. Витамини и минерални вещества

Витамините са органични вещества, нужни в малки количества, които тялото не може да синтезира (или не синтезира достатъчно). Много от тях са части от . Мастноразтворимите (A, D, E, K) се запасяват в тялото и при прекомерен прием могат да станат отровни; водоразтворимите (групата B и C) се изхвърлят с урината и трябва да се приемат редовно.

Вещество	За какво служи	При недостиг
витамин A	зрителният пигмент родопсин	нощна слепота
витамин B₁	коензим при разграждането на глюкозата	бери-бери (нерви, сърце)
витамин B₁₂	делене на клетките в костния мозък	анемия
витамин C	синтез на колаген	скорбут: кървящи венци, бавно зарастване
витамин D	всмукване на калций (образува се и в кожата на слънце)	рахит при децата
витамин K	кръвосъсирване (правят го и чревните бактерии)	кървене
желязо	хемоглобин	анемия
калций	кости, зъби, мускули, кръвосъсирване	крехки кости
йод	хормоните на щитовидната жлеза	гуша

Историята на витамините започва със скорбута на моряците. През 1747 г. корабният лекар Джеймс Линд дава на болни моряци различни „лекарства“ – само онези, които получават портокали и лимони, оздравяват бързо. Това е едно от първите сравнителни изпитания в медицината, макар и само с 12 души.

8. Енергиен баланс

Дори в пълен покой тялото харчи енергия: за работата на сърцето, дишането, мозъка, помпите в мембраните, поддържането на температурата. Това е основната обмяна – при тийнейджър около 6000–7000 kJ на ден. Към нея се добавя енергията за движение и за смилането на храната. Общият разход е приблизително основната обмяна, умножена по коефициента на физическа активност – от около 1,4 при заседнал живот до 2 и повече при спортисти.

О

Основна обмяна и индекс на телесната маса

Формула на Мифлин – Сейнт Жор (за възрастни, kcal на ден): 10·m + 6,25·h − 5·възраст + 5 за мъже и − 161 за жени (m в kg, h в cm). Индекс на телесната маса: ИТМ = m / h² (h в метри). При възрастни: под 18,5 – поднормено тегло; 18,5–25 – нормално; 25–30 – наднормено; над 30 – затлъстяване.

Ако приемаме повече енергия, отколкото харчим, излишъкът се запасява – първо като гликоген (няколкостотин грама), после като мазнина. Грубо 1 kg мастна съдържа около 32 000 kJ (7700 kcal). Обратното – при недостиг тялото изразходва запасите си. При подрастващите ИТМ не се сравнява с горните граници, а с таблици за пола и възрастта, защото тялото още расте.

възраст17m, kg65h, cm175въгл. g330мазн. g85белт. g90

основна обмяна6961 kJ (1664 kcal)баланс−853 kJ/денИТМ21,2 – нормално тегло

Δm ≈ −853 · 7 / 32 000 ≈ −0,19 kg на седмица

Тялото взема липсващата енергия от запасите си – първо от гликогена, после от мазнините. Подрастващите растат, затова тяхната оценка е само ориентир, а ИТМ при тях се сравнява с таблици за възрастта.

💡 Основната обмяна е по формулата на Мифлин – Сейнт Жор (в kcal: 10m + 6,25h − 5·години + 5 за мъже, − 161 за жени), умножена по 4,184 за kJ. Общият разход е основната обмяна по коефициента на физическа активност. Енергия от храната: 17 kJ/g въглехидрати и белтъци, 37 kJ/g мазнини. 1 kg мастна тъкан – грубо 32 000 kJ. Всички числа са приблизителни.

Пример

17-годишно момче тежи 65 kg и е високо 175 cm. Колко е основната му обмяна и колко енергия харчи на ден при умерена активност (коефициент 1,6)?

$10 \cdot 65 + 6{,}25 \cdot 175 - 5 \cdot 17 + 5 \approx 1664\ \mathrm{kcal}$
$1664 \cdot 4{,}184 \approx 6960\ \mathrm{kJ}$
$6960 \cdot 1{,}6 \approx 11\,100\ \mathrm{kJ}$ на ден – около 2660 kcal.

9. Тренажор

Енергия на храната, kcal и kJ, индекс на телесната маса, основна обмяна, pH, емулгиране и енергиен баланс.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0

-2000\ \mathrm{kJ/ден},\ 80\ \text{дни}

Човек приема всеки ден с 2000 kJ по-малко, отколкото изразходва. Колко kg мазнина губи за 80 дни (1 kg мастна тъкан ≈ 32 000 kJ)?

10. Храната в числа

0 / 6

🥪 Сандвич за обяд

Сандвич съдържа 40 g въглехидрати, 12 g мазнини и 15 g белтъци. Колко kJ енергия дава?

🥛 Кофичка кисело мляко

На етикета пише: в 100 g – 3,6 g мазнини, 4 g въглехидрати и 3,2 g белтъци. Колко kJ има в кофичка от 400 g?

⚖️ Индекс на телесната маса

Мъж е висок 1,80 m и тежи 81 kg. Какъв е индексът на телесната му маса и в коя група попада?

🧪 Киселина в стомаха

В устата pH е около 7, а в стомаха – около 2. Колко пъти е по-голяма концентрацията на водородни йони в стомаха?

🥤 Една газирана напитка на ден

Тийнейджър пие всеки ден по една кутийка газирана напитка (около 250 kcal) повече, отколкото му трябва. До колко kg мазнина би довело това за една година, ако цялата излишна енергия се запаси (1 kg мастна тъкан ≈ 32 000 kJ)?

🎾 Тенис корт в корема

Тънкото черво е дълго около 6 m с диаметър 2,5 cm. Каква би била вътрешната му площ като гладка тръба? Колко става тя, ако гънките я увеличават 3 пъти, въсинките – 10 пъти, а микровъсинките – 20 пъти?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

11. ⚠️ Чести грешки

Жлъчката

✗ Жлъчката е ензим, който разгражда мазнините.

✓ Жлъчката няма ензими. Жлъчните соли само раздробяват мазнините на капчици; разгражда ги липазата.

Стомахът

✗ Повечето храна се смила и всмуква в стомаха.

✓ В стомаха започва смилането на белтъците; главното смилане и почти цялото всмукване стават в тънкото черво.

Всмукването

✗ Всичко всмукано отива направо в кръвта към сърцето.

✓ Глюкозата и аминокиселините отиват по порталната вена в черния дроб, а мазнините – в лимфата.

Калориите

✗ Мазнините в храната са „лоши“, а въглехидратите – „добри“.

✓ Тялото има нужда и от двете. Значение имат общото количество енергия и видът на мазнините и захарите.

Ензимите и pH

✗ Амилазата работи навсякъде по пътя на храната.

✓ Слюнчената амилаза спира в киселия стомах; нишестето довършва панкреатичната амилаза в червото.

Витамините

✗ Колкото повече витамини, толкова по-добре.

✓ Мастноразтворимите витамини (особено A и D) се натрупват и в големи количества са отровни.

12. 🎯 Бърз тест

1 / 9

✓ 0

Колко енергия дава 1 g мазнини?

Избери отговор (или натисни 1–4)

13. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Ниво В· Национален кръг

Ниво С· Международна олимпиада

14. Обобщение

✓ Храната дава енергия и градивен материал: въглехидрати и белтъци – 17 kJ/g, мазнини – 37 kJ/g
✓ Храносмилането разгражда до глюкоза, аминокиселини, мастни киселини и глицерол – механично и с хидролиза от ензими
✓ Амилаза в устата, пепсин и HCl в стомаха (pH ≈ 2), панкреатични амилаза, трипсин и липаза в червото (pH ≈ 7–8), ензими на четковата ивица
✓ Белтъчните ензими се отделят неактивни (пепсиноген, трипсиноген)
✓ Жлъчката няма ензими – емулгира мазнините и площта им расте като 1/d
✓ Гънки, въсинки и микровъсинки увеличават площта; глюкоза и аминокиселини → кръв → черен дроб, мазнини →
✓ Черният дроб: жлъчка, гликоген, , плазмени белтъци, обезвреждане; дебелото черво: вода, микробиота, витамин K
✓ Мастноразтворими витамини A, D, E, K; водоразтворими B и C; желязо, калций, йод
✓ Енергиен баланс: основна обмяна × коефициент на активност; ИТМ = m/h²

💡 Интересен факт

Дълго време лекарите смятаха, че язвата на стомаха се дължи на стрес и пикантна храна – в толкова кисела среда бактерии не можели да живеят. Австралийците Робин Уорън и Бари Маршал откриват в стомаха спираловидната бактерия Helicobacter pylori, но колегите им не вярват. През 1984 г. Маршал изпива култура от бактерията и след няколко дни развива на стомаха, което лекува с . През 2005 г. двамата получават Нобелова награда, а язвата днес често се лекува с антибиотици.