Въглехидратите са обширна група от органични вещества, които заедно с протеини и мазнини формират основата на човешкото и животинското тяло. Въглехидратите присъстват във всяка клетка на тялото и изпълняват различни функции. Малките молекули въглехидрати, представени главно от глюкоза, могат да се движат в тялото и да изпълняват енергийна функция. Големите молекули на въглехидратите не се движат и изпълняват основно строителна функция. От храната човек извлича само малки молекули, тъй като само те могат да се абсорбират в чревните клетки. Големи молекули въглехидрати тялото трябва да изгради сам. Съвкупността от всички реакции за разграждането на хранителните въглехидрати до глюкоза и синтеза на нови молекули от нея, както и други многобройни трансформации на тези вещества в организма, се нарича въглехидратен метаболизъм в биохимията.
Класификация
В зависимост от структурата има няколко групи въглехидрати.
Монозахаридите са малки молекули, които не се разграждат в храносмилателния тракт. Това са глюкоза, фруктоза, галактоза.
Дизахаридите са малки въглехидратни молекули, които се разграждат на два монозахарида в храносмилателния тракт. Например лактоза - за глюкоза и галактоза, захароза - за глюкоза и фруктоза.
Полизахаридите са големи молекули, състоящи се от стотици хиляди монозахаридни остатъци (главно глюкоза), свързани помежду си. Това е нишесте, месен гликоген.
Въглехидрати и диети
Времето за разграждане на полизахаридите в храносмилателния тракт е различно, в зависимост от способността им да се разтварят във вода. Някои полизахариди се разграждат бързо в червата. Тогава получената по време на разпадането им глюкоза бързо навлиза в кръвта. Такива полизахариди се наричат "бързи". Други се разтварят по-зле във водната среда на червата, така че се разграждат по-бавно, а глюкозата навлиза в кръвта по-бавно. Такива полизахариди се наричат "бавни". Някои от тези елементи изобщо не се разграждат в червата. Те се наричат неразтворими диетични фибри.
Обикновено под името "бавни или бързи въглехидрати" имаме предвид не самите полизахариди, а храни, които ги съдържат в големи количества.
Списъкът с въглехидрати - бързи и бавни, е представен в таблицата.
| Бързи въглехидрати | Бавни въглехидрати |
| пържени картофи | хляб с трици |
| бял хляб | Непреработени оризови зърна |
| Картофено пюре | грах |
| Скъпа | Овесени ядки |
| моркови | Каша от елда |
| корнфлейкс | хляб с ръжени трици |
| Захар | Прясно изцеден плодов сок без захар |
| мюсли | Пълнозърнеста паста |
| Шоколад | червен боб |
| Варени картофи | Млечни |
| бисквита | Пресни плодове |
| царевица | горчив шоколад |
| бял ориз | Фруктоза |
| Черен хляб | соя |
| Цвекло | Зелени зеленчуци, домати, гъби |
| Банани | - |
| Jam | - |
При избора на продукти за диета, диетологът винаги разчита на списък с бързи и бавни въглехидрати. Бързите в комбинация с мазнини в един продукт или хранене водят до отлагане на мазнини. Защо? Бързото покачване на глюкозата в кръвта стимулира производството на инсулин, който осигурява на тялото запас от глюкоза, включително пътя за образуване на мазнини от нея. В резултат на това, когато ядете сладкиши, сладолед, пържени картофи, теглото се набира много бързо.
Храносмилане
От гледна точка на биохимията, метаболизмът на въглехидратите протича на три етапа:
- Храносмилане. Започва в устата по време на дъвчене на храна.
- Правилен метаболизъм на въглехидратите.
- Образование на крайни продукти на размяна.
Въглехидратите са в основата на човешката диета. Според формулатарационално хранене, в състава на храната те трябва да са 4 пъти повече от протеините или мазнините. Нуждата от въглехидрати е индивидуална, но средно човек се нуждае от 300-400 g на ден. От тях около 80% са нишесте в състава на картофи, тестени изделия, зърнени храни и 20% са бързи въглехидрати (глюкоза, фруктоза).
Обмяната на въглехидрати в тялото също започва от устната кухина. Тук слюнченият ензим амилаза действа върху полизахаридите – нишесте и гликоген. Амилазата хидролизира (разгражда) полизахаридите на големи фрагменти – декстрини, които навлизат в стомаха. Няма ензими, които действат върху въглехидратите, така че декстрините в стомаха не се променят по никакъв начин и преминават по-нататък по храносмилателния тракт, навлизайки в тънките черва. Тук няколко ензима действат върху въглехидратите. Амилазата на панкреатичния сок хидролизира декстрините до дизахарида малтоза.
Специфични ензими се секретират от клетките на самото черво. Ензимът малтаза хидролизира малтозата до монозахарид глюкоза, лактазата хидролизира лактозата до глюкоза и галактоза, а захарозата хидролизира захарозата до глюкоза и фруктоза. Получените монози се абсорбират от червата в кръвта и през порталната вена влизат в черния дроб.
Ролята на черния дроб в метаболизма на въглехидратите
Този орган поддържа определено ниво на глюкоза в кръвта поради реакциите на синтез и разграждане на гликоген.
Реакциите на взаимно преобразуване на монозахариди протичат в черния дроб - фруктозата и галактозата се превръщат в глюкоза, а глюкозата може да се превърне във фруктоза.
В този орган протичат реакции на глюконеогенеза -синтез на глюкоза от невъглехидратни прекурсори - аминокиселини, глицерол, млечна киселина. Той също така неутрализира хормона инсулин с помощта на ензима инсулиназа.
Метаболизъм на глюкозата
Глюкозата играе ключова роля в биохимията на въглехидратния метаболизъм и в цялостния метаболизъм на тялото, тъй като е основният източник на енергия.
Нивото на глюкозата в кръвта е постоянна стойност и е 4 - 6 mmol/l. Основните източници на този елемент в кръвта са:
- Въглехидрати в храната.
- Гликоген в черния дроб.
- Аминокиселини.
Глюкозата се консумира в тялото за:
- генериране на енергия,
- Синтез на гликоген в черния дроб и мускулите,
- синтез на аминокиселини,
- синтез на мазнини.
Естествен източник на енергия
Глюкозата е универсален източник на енергия за всички телесни клетки. Необходима е енергия за изграждане на собствени молекули, мускулно свиване, генериране на топлина. Последователността от реакции на преобразуване на глюкоза, водещи до освобождаване на енергия, се нарича гликолиза. Реакциите на гликолиза могат да протичат в присъствието на кислород, тогава те говорят за аеробна гликолиза или в условия без кислород, тогава процесът е анаеробен.
По време на анаеробния процес една молекула глюкоза се превръща в две молекули млечна киселина (лактат) и се освобождава енергия. Анаеробната гликолиза осигурява малко енергия: от една молекула глюкоза се получават две молекули АТФ - вещество, чиито химични връзки натрупват енергия. По този начин да получитеенергията се използва за краткотрайна работа на скелетните мускули - от 5 секунди до 15 минути, тоест докато механизмите за снабдяване на мускулите с кислород нямат време да се включат.
По време на реакциите на аеробна гликолиза, една молекула глюкоза се превръща в две молекули пирогроздна киселина (пируват). Процесът, като се вземе предвид енергията, изразходвана за собствените му реакции, дава 8 АТФ молекули. Пируватът влиза в по-нататъшни реакции на окисление - окислително декарбоксилиране и цитратен цикъл (цикъл на Кребс, цикъл на трикарбоксилна киселина). В резултат на тези трансформации ще бъдат освободени 30 АТФ молекули на глюкозна молекула.
Обмен на гликоген
Функцията на гликогена е съхраняването на глюкоза в клетките на животинския организъм. Нишестето изпълнява същата функция в растителните клетки. Гликогенът понякога се нарича животинско нишесте. И двете вещества са полизахариди, изградени от многократно повтарящи се глюкозни остатъци. Молекулата на гликогена е по-разклонена и компактна от молекулата на нишестето.
Процесите на метаболизъм в тялото на въглехидратния гликоген са особено интензивни в черния дроб и скелетните мускули.
Гликогенът се синтезира в рамките на 1-2 часа след хранене, когато нивата на кръвната захар са високи. За образуването на гликогенова молекула е необходим праймер - семе, състоящо се от няколко глюкозни остатъка. Нови остатъци под формата на UTP-глюкоза са последователно прикрепени към края на праймера. Когато веригата нарасне с 11-12 остатъка, към нея се присъединява странична верига от 5-6 от същите фрагменти. Сега веригата, идваща от грунда, има два края - две точки на растежгликогенни молекули. Тази молекула многократно ще се удължава и разклонява, докато остане висока концентрация на глюкоза в кръвта.
Между храненията гликогенът се разгражда (гликогенолиза), освобождавайки глюкоза.
Получаван от разграждането на чернодробния гликоген, той отива в кръвта и се използва за нуждите на целия организъм. Глюкозата, получена от разграждането на гликогена в мускулите, се използва само за нуждите на мускулите.
Образуване на глюкоза от не-въглехидратни прекурсори - глюконеогенеза
Тялото има достатъчно енергия, съхранявана под формата на гликоген само за няколко часа. След ден на гладуване това вещество не остава в черния дроб. Ето защо при диети без въглехидрати, пълно гладуване или при продължителна физическа работа се поддържа нормалното ниво на глюкоза в кръвта поради синтеза й от невъглехидратни прекурсори - аминокиселини, млечнокисел глицерол. Всички тези реакции се проявяват главно в черния дроб, както и в бъбреците и чревната лигавица. Така процесите на метаболизъм на въглехидратите, мазнините и протеините са тясно преплетени.
От аминокиселини и глицерол, глюкозата се синтезира по време на гладуване. При липса на храна тъканните протеини се разграждат до аминокиселини, мазнините до мастни киселини и глицерол.
От млечната киселина глюкозата се синтезира след интензивни упражнения, когато се натрупва в големи количества в мускулите и черния дроб по време на анаеробна гликолиза. От мускулите млечната киселина се пренася в черния дроб, където от нея се синтезира глюкоза, която се връща към работниямускул.
Регулиране на въглехидратния метаболизъм
Този процес се осъществява от нервната система, ендокринната система (хормони) и на вътреклетъчно ниво. Задачата на регулирането е да осигури стабилно ниво на глюкоза в кръвта. От хормоните, които регулират въглехидратния метаболизъм, основните са инсулинът и глюкагонът. Те се произвеждат в панкреаса.
Основната задача на инсулина в тялото е да понижи нивата на кръвната захар. Това може да се постигне по два начина: чрез увеличаване на проникването на глюкозата от кръвта в клетките на тялото и чрез увеличаване на използването й в тях.
- Инсулинът осигурява проникването на глюкозата в клетките на определени тъкани - мускулна и мастна. Те се наричат инсулинозависими. Глюкозата навлиза в мозъка, лимфната тъкан, червените кръвни клетки без участието на инсулин.
- Инсулинът подобрява използването на глюкозата от клетките чрез:
- Активиране на гликолизните ензими (глюкокиназа, фосфофруктокиназа, пируват киназа).
- Активиране на синтеза на гликоген (поради повишено превръщане на глюкозата в глюкозо-6-фосфат и стимулиране на гликоген синтаза).
- Инхибиране на ензимите на глюконеогенезата (пируват карбоксилаза, глюкозо-6-фосфатаза, фосфоенолпируват карбоксикиназа).
- Увеличете включването на глюкоза в цикъла на пентозофосфата.
Всички други хормони, които регулират въглехидратния метаболизъм, са глюкагон, адреналин, глюкокортикоиди, тироксин, хормон на растежа, ACTH. Те повишават нивата на кръвната захар. Глюкагонът активира разграждането на гликогена в черния дроб и синтеза на глюкоза от невъглехидратипредшественици. Адреналинът активира разграждането на гликогена в черния дроб и мускулите.
Нарушения при обмен. Хипогликемия
Най-честите нарушения на въглехидратния метаболизъм са хипо- и хипергликемия.
Хипогликемията е състояние на тялото, причинено от ниски нива на кръвната захар (под 3,8 mmol/l). Причините могат да бъдат: намаляване на приема на това вещество в кръвта от червата или черния дроб, увеличаване на употребата му от тъканите. Хипогликемията може да доведе до:
- Патология на черния дроб - нарушен синтез на гликоген или синтез на глюкоза от не-въглехидратни прекурсори.
- Въглехидратен глад.
- Продължителна физическа активност.
- Патологии на бъбреците - нарушена реабсорбция на глюкоза от първичната урина.
- Нарушения на храносмилането - патологии на разграждането на хранителните въглехидрати или процеса на усвояване на глюкозата.
- Патологии на ендокринната система - излишък на инсулин или липса на хормони на щитовидната жлеза, глюкокортикоиди, растежен хормон (GH), глюкагон, катехоламини.
Екстремната проява на хипогликемията е хипогликемичната кома, която най-често се развива при пациенти със захарен диабет тип I при предозиране на инсулин. Ниската кръвна захар води до кислороден и енергиен глад на мозъка, което причинява характерни симптоми. Характеризира се с изключително бързо развитие – ако в рамките на няколко минути не се предприемат необходимите действия, човек ще загуби съзнание и може да умре. Обикновено пациентите с диабет са в състояние да разпознаят признаци на спад в нивата на глюкозата.кръв и знайте какво да правите - изпийте чаша сладък сок или изяжте сладка кифла.
Хипергликемия
Друг вид нарушение на въглехидратния метаболизъм е хипергликемията - състояние на тялото, причинено от постоянно високо ниво на кръвната захар (над 10 mmol/l). Причините могат да бъдат:
- патология на ендокринната система. Най-честата причина за хипергликемия е захарният диабет. Разграничаване на диабет тип I и тип II. В първия случай причината за заболяването е инсулинов дефицит, причинен от увреждане на клетките на панкреаса, които отделят този хормон. Поражението на жлезата най-често има автоимунна природа. Захарен диабет тип II се развива при нормално производство на инсулин, поради което се нарича инсулинонезависим; но инсулинът не изпълнява своята функция - той не пренася глюкозата в клетките на мускулите и мастната тъкан.
- невроза, стрес активират производството на хормони - адреналин, глюкокортикоиди, щитовидна жлеза, които увеличават разграждането на гликогена и синтеза на глюкоза от невъглехидратни прекурсори в черния дроб, инхибират синтеза на гликоген;
- патология на черния дроб;
- преяждане.
В биохимията въглехидратният метаболизъм е една от най-интересните и обширни теми за изследване и изследване.
