Chương 4 — Protein, chất béo, carbohydrate và nước¶
Sinh vật sống cần nạp hằng ngày các dưỡng chất — những chất từ bên ngoài cơ thể, khi được ăn vào và đồng hóa trong các mô, cho phép tăng trưởng, giữ gìn sức khỏe tốt, cung cấp năng lượng và bù đắp hao hụt. Một số chất cần với lượng lớn. Đó là các dưỡng chất đa lượng (macronutrient); chúng có bốn loại: protein, chất béo, carbohydrate và nước. Những chất khác — các dưỡng chất vi lượng (micronutrient) — cần với lượng nhỏ: một số khoáng chất, các vitamin, cùng các chất béo thiết yếu và các axit amin thiết yếu (những “viên gạch” cấu tạo protein). Loại sau được gọi là thiết yếu vì cơ thể không tự tạo ra chúng, dù nó có tạo ra các chất béo và axit amin khác. Trong chương này — của một cuốn sách vốn dành cho một nhóm dưỡng chất vi lượng — chúng ta xét các dưỡng chất đa lượng, theo đúng thứ tự liệt kê ở trên.
Cơ thể người chứa hàng chục nghìn protein khác nhau, phục vụ những mục đích khác nhau. Tóc và móng tay gồm các sợi của một protein gọi là keratin; cơ được cấu tạo từ các sợi myosin và actin. Một protein dạng sợi khác, collagen, làm chắc da, mạch máu, xương, răng, và lớp “xi măng” gian bào gắn kết các tế bào trong những cơ quan và mô khác nhau. Các protein dạng cầu, hòa tan trong dịch cơ thể, đóng vai trò enzyme để tăng tốc các phản ứng hóa học thiết yếu cho sự sống. Một số protein đảm nhiệm những chức năng đặc biệt khác. Ví dụ, hemoglobin — protein màu đỏ trong hồng cầu — mang các phân tử oxy từ phổi đến những phần khác của cơ thể, nơi nó được dùng để “đốt” các phân tử thức ăn nhằm cung cấp năng lượng.
Protein là những chuỗi dài gồm các gốc axit amin. Có hơn hai mươi axit amin khác nhau. Bản chất của một protein được quyết định bởi trình tự sắp xếp các axit amin khác nhau này trong chuỗi. Axit amin là những phân tử khá nhỏ, gồm từ mười đến hai mươi sáu nguyên tử hydro, carbon, nitơ, oxy và lưu huỳnh; ít nhất một trong các nguyên tử là nitơ, như minh họa ở Chương 9.
Phần lớn các chuỗi protein chứa vài trăm gốc axit amin. Phân tử hemoglobin ở người trưởng thành gồm bốn chuỗi: hai chuỗi 140 gốc và hai chuỗi 146 gốc. Như có thể dự đoán đối với những phân tử cấu trúc, protein được đặc trưng không chỉ bởi trình tự các gốc trong chuỗi mà còn bởi cách sắp xếp các axit amin thành phần trong không gian ba chiều. Cấu trúc ba chiều tự nhiên đơn giản nhất mà một chuỗi gồm các axit amin bất đối xứng giống hệt nhau — nối đầu-đuôi cùng một góc — tạo thành là cái gọi là xoắn alpha (alpha helix; xem hình ở Chương 9). Trong tóc, các chuỗi keratin cuộn thành xoắn alpha, như một chiếc lò xo. Trong một protein dạng cầu như hemoglobin hay enzyme tiêu hóa trypsin, có những đoạn thẳng, những đoạn cuộn xoắn alpha, nhưng chuỗi gập lại trên chính nó để trở nên gần như hình cầu. Trong tơ lụa, các chuỗi được kéo dãn ra gần tới chiều dài tối đa.
Trình tự axit amin của cùng một loại protein ở các loài động vật khác nhau thì khác nhau. Mọi loài thú đều có hemoglobin trong hồng cầu, nhưng các phân tử hemoglobin lại khác nhau về trình tự axit amin. Vì sự khác biệt ở protein máu (và cả carbohydrate máu) giữa các loài động vật, ta không thể an toàn truyền máu từ một loài khác sang người. Như Bác sĩ Karl Landsteiner phát hiện năm 1900, máu của những người khác nhau cũng có thể khác nhau theo cách khiến việc truyền máu từ người này sang người khác trở nên nguy hiểm cho người nhận, trừ khi xét nghiệm đã cho thấy hai người cùng nhóm máu.
Khi thức ăn ta ăn được tiêu hóa ở dạ dày và ruột, các phân tử protein bị các enzyme tiêu hóa phân cắt thành những axit amin thành phần. Các phân tử protein trong thức ăn (từ thịt, cá, rau, ngũ cốc, phô-mai và sữa) lớn đến mức không thể đi qua thành ruột vào máu, nhưng những phân tử nhỏ của axit amin và của glucose — sinh ra từ sự phân cắt các chuỗi carbohydrate dài của tinh bột — thì có thể đi qua. Máu mang những phân tử nhỏ này đến các mô khắp cơ thể. Chúng vào tế bào, rồi các axit amin được lắp ráp lại thành những chuỗi dài với trình tự đặc trưng của protein người, dưới sự dẫn dắt của các phân tử axit deoxyribonucleic (DNA) trong nhân tế bào mô — thứ quy định bản chất của chúng ta.
Cơ thể ta liên tục hao mòn và được làm mới. Ví dụ, hồng cầu chỉ sống khoảng một tháng. Sau đó chúng bị phân hủy, và các phân tử hemoglobin bị tách thành axit amin. Một số axit amin được dùng để tạo phân tử protein mới, nhưng một số bị oxy hóa thành nước, khí carbon dioxide và urê chứa nitơ — chất được bài tiết qua nước tiểu. Bởi một phần axit amin bị dùng làm nhiên liệu theo cách này, cơ thể ta chỉ có thể giữ cân bằng axit amin (thường gọi là cân bằng nitơ) bằng cách bổ sung thêm axit amin; tức là, bằng cách ăn một ít protein. Với lượng protein nạp quá thấp, một đứa trẻ sẽ ngừng lớn, và một đứa trẻ hay người lớn có thể chết vì đói protein, ngay cả khi lượng chất béo và carbohydrate đầy đủ. Đói protein được gọi là kwashiorkor (từ một từ châu Phi ở vùng có khẩu phần nhiều ngô). Marasmus là đói năng lượng, còn marasmus-kwashiorkor là cả hai thiếu hụt cùng lúc trong khẩu phần. Những bệnh này gây nhiều cái chết ở các nước quá đông dân và kém phát triển, và một số ít ở các nước giàu có.
Lượng protein cần để cân bằng axit amin ở người trưởng thành tỷ lệ với khối lượng cơ thể. Nó vào khoảng 0,45 gam (g) trên mỗi kilôgam (kg), tức 0,20 g trên mỗi pound. Hội đồng Thực phẩm và Dinh dưỡng khuyến nghị mức lớn hơn 30 phần trăm, 0,26 g mỗi pound cho người lớn. Trẻ sơ sinh cần khoảng 1,0 g mỗi pound, trẻ nhỏ khoảng 0,60 g mỗi pound, trẻ lớn và thiếu niên 0,50 hoặc 0,40 g mỗi pound.
Phần lớn người Mỹ trưởng thành nạp gấp hai hoặc ba lần lượng protein khuyến nghị. Phần dư không cần để dựng phân tử protein mới sẽ bị đốt lấy năng lượng, cùng với chất béo và carbohydrate, và có lẽ lượng dư đó không gây hại gì cho người có sức khỏe khá tốt. Nạp nhiều protein nghĩa là phải bài tiết một lượng lớn urê qua nước tiểu. Việc bài tiết urê đòi hỏi thận phải làm việc, và tăng lượng protein làm tăng gánh nặng cho thận. Người suy giảm chức năng thận — như người chỉ còn một quả thận hoặc đã tổn thương do viêm thận — có thể tránh tổn thương thận thêm bằng cách giới hạn protein ở mức cân bằng axit amin. Cần lưu ý không hạ xuống dưới mức này.
Mặc dù tất cả các axit amin đều có mặt trong protein của cơ thể người, không phải tất cả đều cần có trong thức ăn, vì phần lớn được cơ thể tự tạo ra. Những axit amin bắt buộc phải lấy từ thức ăn — các axit amin thiết yếu — là histidine, leucine, isoleucine, lysine, methionine, phenylalanine, threonine, tryptophan và valine. Lượng cần cho một nam thanh niên trưởng thành dao động từ 0,50 g mỗi ngày đối với tryptophan đến 2,20 g mỗi ngày đối với leucine, methionine và phenylalanine. Những lượng này được cung cấp bởi một khẩu phần hỗn hợp có protein động vật (thịt, cá, trứng) nhưng không bởi khẩu phần thuần chay, vốn có thể đặc biệt thấp lysine và methionine.
Ai cũng biết chất béo là gì — mỡ heo (lard) và mỡ bò hay mỡ cừu (tallow). Nó có cảm giác nhờn, không tan trong nước, và là một thành phần quan trọng của thực phẩm cũng như của cơ thể người. Bản chất hóa học của nó được nhà hóa học Pháp Michel Eugène Chevreul phát hiện khoảng năm 1820 — ông qua đời năm 1889, thọ 103 tuổi. (Tôi đoán ông không béo, nếu không thì đã chẳng sống lâu đến vậy.) Tác giả La Mã Pliny Già có nhắc trong cuốn sách về lịch sử tự nhiên rằng người German làm dung dịch xà phòng bằng cách đun mỡ với tro thực vật (bồ tạt). Năm 1779, nhà hóa học Thụy Điển K. W. Scheele phát hiện rằng một dung dịch tẩy rửa chứa không chỉ xà phòng — muối kali của một axit béo — mà còn một chất lỏng nhờn, vị ngọt, tan trong nước mà nay ta gọi là glycerine hay glycerol.
Chevreul phát hiện rằng các chất béo thông thường gồm glycerol gắn với ba phân tử axit béo. Một chất béo tiêu biểu là glyceryl tripalmitate; thành phần nguyên tử của nó được biểu diễn như sau:
H₂C—OOC(CH₂)₁₄CH₃
HC—OOC(CH₂)₁₄CH₃
H₂C—OOC(CH₂)₁₄CH₃
Chất béo này được gọi là “no” (bão hòa) bởi hydro (H), vì các nguyên tử hydro chiếm cả bốn liên kết của mỗi nguyên tử carbon (C) không gắn với nguyên tử carbon khác hay với oxy (O). Các chất béo no khác có số nhóm CH₂ ít hơn hoặc nhiều hơn trong các mạch nhánh hydrocarbon. Chất béo không no có ít nguyên tử hydro hơn; tức là chúng không bão hòa hydro. Các chất béo lỏng (dầu) có nhiều mạch nhánh không no hơn so với chất béo rắn.
Những phân tử chất béo này được gọi là triglyceride. Khi bạn nhận một bản phân tích máu, có thể có các giá trị về cholesterol toàn phần, HDL, LDL và triglyceride. Lượng triglyceride không gì khác chính là lượng chất béo trong huyết tương. Cholesterol, HDL và LDL là những phân tử được tạo ra qua quá trình xử lý chất béo.
Chất béo là một thành phần quan trọng của khẩu phần với vai trò nguồn năng lượng chuyển hóa. Nó còn có giá trị giúp đưa các vitamin tan trong dầu qua thành ruột vào máu. Năm 1929, người ta phát hiện rằng chuột non chậm lớn, thoái hóa thận và vô sinh khi ăn khẩu phần chỉ chứa chất béo no. Từ 1930 đến 1956, các nhà nghiên cứu khác nhau đã phát hiện bảy axit béo không no cần thiết — thiết yếu — với lượng nhỏ cho sự tăng trưởng và sự sống bình thường của chuột và các động vật khác. Có lẽ con người cũng cần nạp các axit béo thiết yếu này. Chỉ có ít quan sát được thực hiện trên người ăn khẩu phần rất ít chất béo; chúng cho thấy tỷ lệ chuyển hóa cơ bản bất thường, tăng tần suất nhiễm trùng và khuynh hướng viêm da. Người ta tin rằng một khẩu phần chứa lượng chất béo thông thường cung cấp đủ các axit béo thiết yếu. Tuy vậy, có một số bằng chứng cho thấy việc tăng lượng nạp hai trong số chúng — axit linoleic và axit gamma-linolenic — có thể có giá trị bảo vệ chống xơ vữa động mạch và ung thư.
Carbohydrate được đặt tên như vậy vì các nhà hóa học nhận thấy những chất này (các loại đường, tinh bột, glycogen và cellulose) có công thức C + H₂O, tức “carbon ngậm nước” (hydrat hóa). Ví dụ, glucose và fructose là C₆H₁₂O₆, sucrose là C₁₂H₂₂O₁₁. Thực ra trong những chất này không hề có phân tử nước; thay vào đó là các nguyên tử carbon, gắn với một hoặc hai nguyên tử hydro cùng các nguyên tử oxy và nhóm hydroxyl (OH).
Tinh bột là carbohydrate thực phẩm chính. Nó có trong tất cả trái cây và rau. Nạp 300 g sẽ cung cấp 50 phần trăm nhu cầu năng lượng trung bình mỗi ngày. Cung cấp năng lượng là chức năng chính của carbohydrate trong thức ăn của ta. Nhiều trái cây và một số rau cũng chứa lượng đáng kể các đường đơn glucose và fructose, cùng disaccharide sucrose — đường thông thường — vốn chứa cả glucose và fructose.
Khi tinh bột được các enzyme trong nước bọt và dịch vị tiêu hóa, nó kết hợp với nước và phân cắt thành những phân tử glucose nhỏ, đi qua thành ruột vào máu và được vận chuyển đến các tế bào khắp cơ thể. Tại đó, chúng bị đốt để cung cấp năng lượng mà ta cần để vận hành các cơ chế sinh hóa, làm việc và giữ ấm. Glucose có sẵn trong thực phẩm cũng vào máu và được xử lý theo cách tương tự. Con người và các tổ tiên đã quen chuyển hóa khoảng 300 g glucose (chủ yếu từ thực phẩm giàu tinh bột) mỗi ngày suốt hàng triệu năm.
Tình hình với fructose lại khác glucose. Con người luôn nạp một ít fructose, trong trái cây và mật ong vốn là một phần khẩu phần. Cho đến khoảng hai trăm năm trước, lượng fructose trung bình mỗi ngày khá nhỏ, chỉ khoảng 8 g. Rồi khi đường thông thường (sucrose) từ củ cải đường và mía bắt đầu phổ biến, lượng fructose nạp mỗi ngày tăng gấp mười lần, lên khoảng 75 g mỗi ngày. Lý do của mức tăng lớn này là: khi sucrose được ăn vào, nó phản ứng với nước tạo ra lượng glucose và fructose bằng nhau. Mỗi 100 g sucrose cho 53 g glucose và 53 g fructose; đó là lý do nó được gọi là disaccharide. Ở Hoa Kỳ, chúng ta ăn khoảng 100 pound đường (sucrose) mỗi năm. Đó là 125 g mỗi ngày, tương ứng — khi được tiêu hóa — với 66 g fructose mỗi ngày. Cộng với khoảng 8 g từ trái cây và mật ong, lượng trung bình mỗi ngày thành 74 g. Cơ thể ta vốn chỉ quen chuyển hóa 8 g fructose mỗi ngày. Vì vậy, không có gì ngạc nhiên khi mức quá tải gần gấp mười lần ấy gây ra vấn đề. Gần như không còn nghi ngờ gì rằng lượng fructose khổng lồ này — thứ mà con người chỉ phải hứng chịu trong thế kỷ gần đây — là nguyên nhân của nhiều bệnh tật của ta, như sẽ bàn ở Chương 6.
Nước là dưỡng chất đa lượng thứ tư. Nó cần cho sự sống với lượng khoảng một lít (l) mỗi ngày, một phần để tạo nước tiểu đưa đi các chất có hại đã được tách khỏi máu bởi các quá trình lọc vận hành trong hai triệu đơn vị lọc (nephron) ở thận. Để có sức khỏe tốt nhất cần lượng nước lớn hơn, tốt nhất khoảng 3 l (hơn 3 quart) mỗi ngày. Một thói quen tốt là cứ mỗi giờ uống một ly nước. Nước ngọt có ga cung cấp nước, nhưng chúng không nên dùng vì lượng đường hoặc chất tạo ngọt thay thế mà chúng chứa. Nước có ga, nước cam và các loại nước ép trái cây khác là nguồn nước tốt, bia cũng vậy nếu với lượng có hạn.
Một lý do để nạp nhiều nước là nó dẫn đến thể tích nước tiểu lớn; điều này giảm gánh nặng cho thận, vốn bài tiết nước tiểu loãng với ít công sức hơn so với nước tiểu đặc. Điều đó đặc biệt quan trọng với người suy giảm chức năng thận. Một lý do khác là khi nạp nhiều nước thì ít có khả năng các tinh thể loại này loại kia kết tinh từ dịch cơ thể. Bệnh gút là do sự tạo thành tinh thể natri urat ở khớp và gân, còn giả gút là do sự kết tinh tương tự của canxi pyrophosphat dihydrat. Sỏi tiết niệu (sỏi thận) liên quan đến việc hình thành những khối tinh thể giữ trong một khung protein. Các tinh thể là phosphat và urat của canxi và magiê, hoặc ít gặp hơn là cystine. Khoảng 1 phần trăm số người có khuynh hướng tạo những viên sỏi này. Có thể ngăn sự hình thành bằng cách giữ lượng nước nạp vào cao, không bao giờ để thể tích nước tiểu tụt xuống.
Các nhóm thực phẩm khác nhau — thịt, cá, trái cây và rau, ngũ cốc và hạt, sản phẩm từ sữa — đều có giá trị cung cấp protein, chất béo, carbohydrate, khoáng chất, vitamin và những dưỡng chất vi lượng quý giá khác, như axit gamma-aminobenzoic, choline, lecithin và các ubiquinone. Lượng những thành phần quan trọng này khác nhau ở các thực phẩm khác nhau, và khôn ngoan là có một khẩu phần đa dạng, hợp khẩu vị bạn, rồi bổ sung thêm các vitamin và khoáng chất quan trọng để có chúng ở mức tối ưu.
Khẩu phần thịt và cá phải được giữ nhỏ để giữ tổng lượng protein nạp vào ở mức khuyến nghị, 0,8 g trên mỗi kilôgam khối lượng cơ thể. Người ăn chay có trứng-sữa (ovolactovegetarian), vốn dùng trứng và sữa nhưng không dùng thịt cá, có thể giữ sức khỏe tốt bằng cách bổ sung vitamin và khoáng chất. Người ăn chay nghiêm ngặt cần chọn thực phẩm thực vật cẩn thận để bảo đảm nạp đủ những loại rau cung cấp các axit amin thiết yếu vốn chỉ có với lượng nhỏ trong hầu hết thực phẩm thực vật.
Lượng chất béo nạp vào nên có hạn, nhưng cần ăn đủ để cung cấp các chất béo thiết yếu. Trái cây, rau, ngũ cốc và hạt nên được ăn với sự đa dạng và lượng vừa thỏa mãn. Trái cây và rau cung cấp một ít protein và chất béo, lượng lớn carbohydrate, cùng vitamin, khoáng chất và các dưỡng chất vi lượng khác. Ở các thế kỷ trước, cần nạp nhiều để có đủ lượng tối thiểu các dưỡng chất vi lượng này, cũng như carbohydrate cho năng lượng. Trong kỷ nguyên mới của dinh dưỡng hiện đại, mức nạp vitamin tối ưu — nhiều hơn lượng mà trái cây và rau có thể cung cấp một cách tiện lợi — đã có sẵn dưới dạng chất bổ sung, như được bàn xuyên suốt cuốn sách này. Tuy vậy, khôn ngoan là bổ trợ cho các viên vitamin bằng một lượng tốt trái cây và rau.
Hạt và quả hạch ít vitamin nhưng giàu protein và chất béo, cũng như carbohydrate và tổng năng lượng. Ví dụ, một bữa ăn nhẹ 1 ounce hạnh nhân cung cấp 180 kilôcalo (kcal) năng lượng thực phẩm, 5 g protein, 16 g chất béo và 6 g carbohydrate. Một bữa nhẹ tương tự bằng đậu phộng cung cấp 170 kcal năng lượng, 7 g protein, 14 g chất béo và 5 g carbohydrate.
Lượng carbohydrate ăn vào nên được giữ ở mức cho phép chất béo nạp vào bị đốt cháy thay vì tích lại trong cơ thể. Bạn có thể phải hạn chế lượng rượu, hạt và các món ăn vặt khác, cũng như cỡ bữa ăn. Lượng sucrose (đường trắng, đường nâu, đường thô, mật ong, kẹo, món tráng miệng ngọt) nên giữ thấp. Xi-rô ngô gồm glucose, và nó là một chất tạo ngọt chấp nhận được trừ khi đã thêm sucrose để cho ngọt hơn — hãy đọc nhãn. Béo phì và xơ vữa động mạch — hai bệnh dinh dưỡng phổ biến nhất phát sinh từ những thói quen xấu đối với các dưỡng chất đa lượng, nối tiếp việc vi phạm các quy tắc đơn giản này — được bàn ở Chương 6.