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人体需要六大营养物质来维持正常的生理功能。糖类是人体的主要能源物质，为细胞提供快速能量。脂肪是高效的储能物质，每克脂肪产生的能量约为糖类的两倍多。蛋白质是生命活动的基础，参与构成细胞结构和各种酶类。维生素虽然需要量少，但对调节生理功能至关重要。无机盐维持体内的酸碱平衡和渗透压。水是生命之源，参与几乎所有的生理过程。其中糖类、脂肪、蛋白质被称为三大主要营养物质，是人体能量和结构的主要来源。
糖类是由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，通常氢氧原子比例为二比一。根据分子大小，糖类分为单糖、双糖和多糖。单糖如葡萄糖和果糖，分子式都是C6H12O6，是最简单的糖类，可以直接被人体吸收利用。双糖如蔗糖和麦芽糖，分子式为C12H22O11，需要水解成单糖才能被吸收。多糖如淀粉和纤维素，是由许多单糖分子聚合而成的大分子化合物。糖类在人体内主要通过水解反应分解，最终产生葡萄糖为细胞提供能量，是人体最重要的能源物质。
脂肪是由碳、氢、氧三种元素组成的有机化合物，主要以甘油三酯的形式存在。甘油三酯由一分子甘油和三分子脂肪酸结合而成。脂肪酸根据分子结构可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸分子中碳原子间全部为单键连接，而不饱和脂肪酸含有一个或多个双键。脂肪可以发生皂化反应，与氢氧化钠反应生成甘油和脂肪酸钠，这是制造肥皂的原理。不饱和脂肪酸还可以发生氢化反应，双键被氢气还原成单键。脂肪是人体重要的储能物质，每克脂肪能产生约37千焦的能量，是糖类的2.25倍，因此是高效的能量储存形式。
蛋白质具有复杂的分子结构，可以分为四个层次。蛋白质的基本组成单位是氨基酸，其通式为R-CH(NH2)-COOH，其中R代表不同的侧链基团。一级结构是氨基酸通过肽键连接形成的线性序列，决定了蛋白质的基本性质。二级结构是肽链的局部空间构象，主要包括α螺旋和β折叠两种形式，通过氢键维持稳定。三级结构是整个肽链的空间折叠形态，由氢键、二硫键、疏水相互作用等维持。四级结构是多个肽链亚基的组合方式。蛋白质结构的复杂性使其具有多样化的功能，可以作为酶催化生化反应，作为抗体参与免疫反应，作为激素调节生理功能，是生命活动的重要物质基础。
三大营养物质在人体内经历复杂的代谢过程。糖类主要通过糖酵解途径分解，产生丙酮酸，然后进入柠檬酸循环彻底氧化。脂肪通过β氧化过程分解为乙酰辅酶A，同样进入柠檬酸循环。蛋白质首先分解为氨基酸，经过脱氨基作用后，碳骨架可以转化为糖类或脂肪酸。柠檬酸循环是三大营养物质代谢的共同通路，在这个过程中产生大量的ATP，ATP是细胞的能量货币，为各种生命活动提供能量。值得注意的是，三大营养物质之间可以相互转化，糖类可以转化为脂肪储存，蛋白质在必要时也可以转化为糖类提供能量，这种代谢的灵活性保证了机体能量供应的稳定性。