Węglowodany to obszerna grupa substancji organicznych, które wraz z białkami i tłuszczami stanowią podstawę organizmu człowieka i zwierzęcia. Węglowodany są obecne w każdej komórce ciała i pełnią różnorodne funkcje. Małe cząsteczki węglowodanów, reprezentowane głównie przez glukozę, mogą poruszać się po całym ciele i pełnić funkcję energetyczną. Duże cząsteczki węglowodanów nie poruszają się i pełnią głównie funkcję budulcową. Z pożywienia człowiek wydobywa tylko małe cząsteczki, ponieważ tylko one mogą zostać wchłonięte do komórek jelitowych. Organizm musi sam zbudować duże cząsteczki węglowodanów. Całość wszystkich reakcji rozpadu węglowodanów spożywczych do glukozy i syntezy z niej nowych cząsteczek, a także wielu innych licznych przemian tych substancji w organizmie, nazywana jest w biochemii metabolizmem węglowodanów.
Klasyfikacja
W zależności od struktury istnieje kilka grup węglowodanów.
Monosacharydy to małe cząsteczki, które nie są rozkładane w przewodzie pokarmowym. Są to glukoza, fruktoza, galaktoza.
Disacharydy to małe cząsteczki węglowodanów, które w przewodzie pokarmowym są rozkładane na dwa monosacharydy. Na przykład laktoza - dla glukozy i galaktozy, sacharoza - dla glukozy i fruktozy.
Polisacharydy to duże cząsteczki składające się z setek tysięcy połączonych ze sobą reszt monosacharydowych (głównie glukozy). To jest skrobia, glikogen mięsny.
Węglowodany i diety
Czas rozpadu polisacharydów w przewodzie pokarmowym jest różny w zależności od ich zdolności do rozpuszczania się w wodzie. Niektóre polisacharydy szybko rozkładają się w jelitach. Wówczas glukoza uzyskana podczas ich rozpadu szybko trafia do krwiobiegu. Takie polisacharydy nazywane są „szybkimi”. Inne gorzej rozpuszczają się w wodnym środowisku jelita, więc rozkładają się wolniej, a glukoza wolniej dostaje się do krwi. Takie polisacharydy nazywane są „powolnymi”. Niektóre z tych pierwiastków w ogóle nie są rozkładane w jelitach. Nazywane są nierozpuszczalnym błonnikiem pokarmowym.
Zazwyczaj pod nazwą "wolne lub szybkie węglowodany" mamy na myśli nie same polisacharydy, ale żywność, która zawiera je w dużych ilościach.
Lista węglowodanów - szybkich i wolnych, została przedstawiona w tabeli.
| Szybkie węglowodany | Wolne węglowodany |
| smażone ziemniaki | Chleb otrębowy |
| Biały chleb | Nieprzetworzone ziarna ryżu |
| Tłuczone ziemniaki | Groszek |
| Miód | Płatki owsiane |
| Marchew | Kasza gryczana |
| Płatki kukurydziane | Chleb z otrębów żytnich |
| Cukier | Świeżo wyciskany sok owocowy bez cukru |
| Musli | Makaron pełnoziarnisty |
| Czekolada | Czerwona fasola |
| Gotowane ziemniaki | Nabiał |
| Ciasto | Świeże owoce |
| Kukurydza | Czekolada gorzka |
| Biały Ryż | Fruktoza |
| Czarny chleb | Soja |
| Buraki | Zielone warzywa, pomidory, grzyby |
| Banany | - |
| Jam | - |
Wybierając produkty do diety, dietetyk zawsze kieruje się listą szybkich i wolnych węglowodanów. Szybki w połączeniu z tłuszczami w jednym produkcie lub posiłku prowadzi do odkładania się tłuszczu. Czemu? Szybki wzrost poziomu glukozy we krwi stymuluje produkcję insuliny, która zapewnia organizmowi magazyn glukozy, w tym ścieżkę powstawania z niej tłuszczu. W efekcie podczas jedzenia ciast, lodów, smażonych ziemniaków bardzo szybko przybiera na wadze.
Trawienie
Z punktu widzenia biochemii metabolizm węglowodanów przebiega w trzech etapach:
- Trawienie. Rozpoczyna się w ustach podczas żucia pokarmu.
- Właściwy metabolizm węglowodanów.
- Edukacja końcowych produktów wymiany.
Węglowodany są podstawą diety człowieka. Zgodnie ze wzoremracjonalne żywienie, w składzie żywności powinny być 4 razy więcej niż białka czy tłuszcze. Zapotrzebowanie na węglowodany jest indywidualne, ale średnio osoba potrzebuje 300-400 g dziennie. Spośród nich około 80% to skrobia w składzie ziemniaków, makaronów, zbóż, a 20% to szybkie węglowodany (glukoza, fruktoza).
Wymiana węglowodanów w organizmie zaczyna się również w jamie ustnej. Tutaj enzym amylaza ślinowa działa na polisacharydy – skrobię i glikogen. Amylaza hydrolizuje (rozkłada) polisacharydy na duże fragmenty – dekstryny, które dostają się do żołądka. Nie ma enzymów oddziałujących na węglowodany, dlatego dekstryny w żołądku nie ulegają żadnym zmianom i przechodzą dalej wzdłuż przewodu pokarmowego, dostając się do jelita cienkiego. Tutaj na węglowodany działa kilka enzymów. Amylaza z soku trzustkowego hydrolizuje dekstryny do m altozy disacharydowej.
Swoiste enzymy są wydzielane przez komórki samego jelita. Enzym m altaza hydrolizuje m altozę do monosacharydu glukozy, laktaza hydrolizuje laktozę do glukozy i galaktozy, a sacharaza hydrolizuje sacharozę do glukozy i fruktozy. Powstałe monozy są wchłaniane z jelit do krwi i przez żyłę wrotną przedostają się do wątroby.
Rola wątroby w metabolizmie węglowodanów
Ten narząd utrzymuje określony poziom glukozy we krwi dzięki reakcjom syntezy i rozpadu glikogenu.
Reakcje wzajemnej konwersji cukrów prostych zachodzą w wątrobie - fruktoza i galaktoza są przekształcane w glukozę, a glukoza może być przekształcana w fruktozę.
W tym narządzie zachodzą reakcje glukoneogenezy -synteza glukozy z prekursorów niewęglowodanowych – aminokwasów, glicerolu, kwasu mlekowego. Neutralizuje również insulinę hormonalną za pomocą enzymu insulinazy.
Metabolizm glukozy
Glukoza odgrywa kluczową rolę w biochemii metabolizmu węglowodanów oraz w ogólnym metabolizmie organizmu, ponieważ jest głównym źródłem energii.
Poziom glukozy we krwi jest wartością stałą i wynosi 4–6 mmol/l. Głównymi źródłami tego pierwiastka we krwi są:
- Węglowodany spożywcze.
- Glikogen w wątrobie.
- Aminokwasy.
Glukoza jest zużywana w organizmie przez:
- wytwarzanie energii,
- Synteza glikogenu w wątrobie i mięśniach,
- synteza aminokwasów,
- synteza tłuszczu.
Naturalne źródło energii
Glukoza jest uniwersalnym źródłem energii dla wszystkich komórek ciała. Energia jest potrzebna do budowy własnych cząsteczek, skurczu mięśni, wytwarzania ciepła. Sekwencja reakcji konwersji glukozy prowadząca do uwolnienia energii nazywana jest glikolizą. Reakcje glikolizy mogą zachodzić w obecności tlenu, wtedy mówi się o glikolizie tlenowej, lub w warunkach beztlenowych, wtedy proces przebiega beztlenowo.
Podczas procesu beztlenowego jedna cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie cząsteczki kwasu mlekowego (mleczan) i uwalniana jest energia. Glikoliza beztlenowa dostarcza mało energii: z jednej cząsteczki glukozy uzyskuje się dwie cząsteczki ATP – substancji, której wiązania chemiczne kumulują energię. W ten sposób uzyskaćenergia wykorzystywana jest do krótkotrwałej pracy mięśni szkieletowych – od 5 sekund do 15 minut, czyli podczas gdy mechanizmy dotleniające mięśnie nie mają czasu się włączyć.
Podczas reakcji glikolizy tlenowej jedna cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie cząsteczki kwasu pirogronowego (pirogronian). Proces, biorąc pod uwagę energię zużytą na własne reakcje, daje 8 cząsteczek ATP. Pirogronian wchodzi w dalsze reakcje utleniania - dekarboksylacji oksydacyjnej i cyklu cytrynianowego (cykl Krebsa, cykl kwasów trikarboksylowych). W wyniku tych przemian z każdej cząsteczki glukozy zostanie uwolnionych 30 cząsteczek ATP.
Wymiana glikogenu
Funkcją glikogenu jest magazynowanie glukozy w komórkach organizmu zwierzęcego. Skrobia pełni tę samą funkcję w komórkach roślinnych. Glikogen jest czasami nazywany skrobią zwierzęcą. Obie substancje są polisacharydami zbudowanymi z wielokrotnie powtarzających się reszt glukozy. Cząsteczka glikogenu jest bardziej rozgałęziona i zwarta niż cząsteczka skrobi.
Procesy metabolizmu glikogenu węglowodanowego w organizmie są szczególnie intensywne w wątrobie i mięśniach szkieletowych.
Glikogen jest syntetyzowany w ciągu 1-2 godzin po posiłku, gdy poziom glukozy we krwi jest wysoki. Do utworzenia cząsteczki glikogenu potrzebny jest starter - nasiono składające się z kilku reszt glukozy. Nowe reszty w postaci UTP-glukozy są kolejno przyłączane do końca startera. Gdy łańcuch rośnie o 11-12 reszt, dołącza do niego łańcuch boczny składający się z 5-6 takich samych fragmentów. Teraz łańcuch wychodzący z podkładu ma dwa końce - dwa punkty wzrostucząsteczki glikogenu. Ta cząsteczka będzie wielokrotnie wydłużać się i rozgałęziać, dopóki utrzymuje się wysokie stężenie glukozy we krwi.
Pomiędzy posiłkami glikogen ulega rozkładowi (glikogenoliza), uwalniając glukozę.
Uzyskiwany z rozpadu glikogenu wątrobowego, trafia do krwi i jest wykorzystywany na potrzeby całego organizmu. Glukoza uzyskana z rozpadu glikogenu w mięśniach wykorzystywana jest wyłącznie na potrzeby mięśni.
Tworzenie glukozy z prekursorów niewęglowodanowych - glukoneogeneza
Organizm ma wystarczającą ilość energii zmagazynowaną w postaci glikogenu tylko na kilka godzin. Po dniu głodu substancja ta nie pozostaje w wątrobie. Dlatego przy dietach bezwęglowodanowych, całkowitym głodzie czy podczas długotrwałej pracy fizycznej prawidłowy poziom glukozy we krwi jest utrzymywany dzięki jej syntezie z prekursorów niewęglowodanowych – aminokwasów, glicerolu kwasu mlekowego. Wszystkie te reakcje zachodzą głównie w wątrobie, a także w nerkach i błonie śluzowej jelit. W ten sposób procesy metabolizmu węglowodanów, tłuszczów i białek są ze sobą ściśle powiązane.
Z aminokwasów i glicerolu glukoza jest syntetyzowana podczas głodu. W przypadku braku pożywienia białka tkankowe rozkładają się na aminokwasy, tłuszcze na kwasy tłuszczowe i glicerol.
Z kwasu mlekowego glukoza jest syntetyzowana po intensywnych ćwiczeniach, gdy gromadzi się w dużych ilościach w mięśniach i wątrobie podczas glikolizy beztlenowej. Z mięśni kwas mlekowy jest przenoszony do wątroby, gdzie syntetyzowana jest z niego glukoza, która zawracana jest do pracymięsień.
Regulacja metabolizmu węglowodanów
Proces ten jest realizowany przez układ nerwowy, układ hormonalny (hormony) oraz na poziomie wewnątrzkomórkowym. Zadaniem regulacji jest zapewnienie stabilnego poziomu glukozy we krwi. Spośród hormonów regulujących metabolizm węglowodanów głównymi są insulina i glukagon. Są produkowane w trzustce.
Głównym zadaniem insuliny w organizmie jest obniżenie poziomu glukozy we krwi. Można to osiągnąć na dwa sposoby: zwiększając przenikanie glukozy z krwi do komórek organizmu oraz zwiększając w nich jej wykorzystanie.
- Insulina zapewnia przenikanie glukozy do komórek niektórych tkanek – mięśni i tłuszczu. Nazywa się je zależnymi od insuliny. Glukoza dostaje się do mózgu, tkanki limfatycznej, czerwonych krwinek bez udziału insuliny.
- Insulina zwiększa wykorzystanie glukozy przez komórki poprzez:
- Aktywacja enzymów glikolizy (glukokinazy, fosfofruktokinazy, kinazy pirogronianowej).
- Aktywacja syntezy glikogenu (dzięki zwiększonej konwersji glukozy do glukozo-6-fosforanu i stymulacji syntazy glikogenu).
- Hamowanie enzymów glukoneogenezy (karboksylazy pirogronianowej, glukozo-6-fosfatazy, karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej).
- Zwiększ włączenie glukozy do cyklu pentozofosforanowego.
Wszystkie inne hormony regulujące metabolizm węglowodanów to glukagon, adrenalina, glikokortykoidy, tyroksyna, hormon wzrostu, ACTH. Podnoszą poziom glukozy we krwi. Glukagon aktywuje rozkład glikogenu w wątrobie i syntezę glukozy z niewęglowodanówprzodkowie. Adrenalina aktywuje rozkład glikogenu w wątrobie i mięśniach.
Naruszenia dotyczące wymiany. Hipoglikemia
Najczęstsze zaburzenia metabolizmu węglowodanów to hipo- i hiperglikemia.
Hipoglikemia to stan organizmu spowodowany niskim poziomem glukozy we krwi (poniżej 3,8 mmol/l). Przyczynami mogą być: zmniejszenie spożycia tej substancji do krwi z jelita lub wątroby, zwiększenie jej wykorzystania przez tkanki. Hipoglikemia może prowadzić do:
- Patologia wątroby - upośledzona synteza glikogenu lub synteza glukozy z prekursorów niewęglowodanowych.
- Głód węglowodanów.
- Długotrwała aktywność fizyczna.
- Patologie nerek - upośledzona reabsorpcja glukozy z moczu pierwotnego.
- Zaburzenia trawienia - patologie rozkładu węglowodanów w pożywieniu lub proces wchłaniania glukozy.
- Patologie układu hormonalnego – nadmiar insuliny lub brak hormonów tarczycy, glikokortykoidów, hormonu wzrostu (GH), glukagonu, katecholamin.
Skrajnym objawem hipoglikemii jest śpiączka hipoglikemiczna, która najczęściej rozwija się u pacjentów z cukrzycą typu I po przedawkowaniu insuliny. Niski poziom glukozy we krwi prowadzi do głodu tlenowego i energetycznego mózgu, co powoduje charakterystyczne objawy. Charakteryzuje się niezwykle szybkim rozwojem - jeśli w ciągu kilku minut nie zostaną podjęte niezbędne działania, osoba straci przytomność i może umrzeć. Zazwyczaj pacjenci z cukrzycą są w stanie rozpoznać oznaki spadku poziomu glukozy.krwi i wiesz co robić - wypij szklankę słodkiego soku lub zjedz słodką bułkę.
Hiperglikemia
Innym rodzajem zaburzenia metabolizmu węglowodanów jest hiperglikemia – stan organizmu spowodowany utrzymującym się wysokim poziomem glukozy we krwi (powyżej 10 mmol/l). Przyczyny mogą być:
- patologia układu hormonalnego. Najczęstszą przyczyną hiperglikemii jest cukrzyca. Rozróżnij cukrzycę typu I i typu II. W pierwszym przypadku przyczyną choroby jest niedobór insuliny spowodowany uszkodzeniem komórek trzustki wydzielających ten hormon. Klęska gruczołu ma najczęściej charakter autoimmunologiczny. Cukrzyca typu II rozwija się przy normalnej produkcji insuliny, dlatego nazywa się ją insulinoniezależną; ale insulina nie spełnia swojej funkcji - nie przenosi glukozy do komórek mięśni i tkanki tłuszczowej.
- nerwica, stres aktywują produkcję hormonów – adrenaliny, glikokortykoidów, tarczycy, które zwiększają rozpad glikogenu i syntezę glukozy z prekursorów niewęglowodanowych w wątrobie, hamują syntezę glikogenu;
- patologia wątroby;
- przejadanie się.
W biochemii metabolizm węglowodanów jest jednym z najbardziej interesujących i obszernych tematów do nauki i badań.
