Распад углеводов в организме человека. Углеводный обмен

Углеводы - обязательный и наиболее значительный компонент пищи. В сутки человек потребляет 400–600 г различных углеводов.

Как необходимый участник метаболизма, углеводы включены практически во все виды обмена веществ: нуклеиновых кислот (в виде рибозы и дезоксирибозы), белков (например, гликопротеинов), липидов (например, гликолипидов), нуклеозидов (например, аденозина), нуклеотидов (например, АТФ, АДФ, АМФ), ионов (например, обеспечивая энергией их трансмембранный перенос и внутриклеточное распределение).

Как важный компонент клеток и межклеточного вещества, углеводы входят в состав структурных белков (например, гликопротеинов), гликолипидов, гликозаминогликанов и других.

Как один из главных источников энергии, углеводы необходимы для обеспечения жизнедеятельности организма. Наиболее важны углеводы для нервной системы. Ткань мозга использует примерно 2/3 всей глюкозы, поступающей в кровь.

Типовые формы нарушений

Расстройства метаболизма углеводов объединяют в несколько групп их типовых форм патологии: гипогликемии, гипергликемии, гликогенозы, гексоз‑ и пентоземии, агликогенозы (рис. 8–1).

Рис. 8–1. Типовые формы нарушения углеводного обмена.

Гипогликемии

Гипогликемии - состояния, характеризующиеся снижением уровня глюкозы плазмы крови (ГПК) ниже нормы (менее 65 мг%, или 3,58 ммоль/л). В норме ГПК натощак колеблется в диапазоне 65–110 мг%, или 3,58–6,05 ммоль/л.

Причины гипогликемии

Причины гипогликемии представлены на рис. 8–2.

Рис. 8–2. Причины гипогликемии.

Патология печени

Наследственные и приобретённые формы патология печени - одна из наиболее частых причин гипогликемии. Гипогликемия характерна для хронических гепатитов, циррозов печени, гепатодистрофий (в том числе иммуноагрессивного генеза), для острых токсических поражений печени, для ряда ферментопатий (например, гексокиназ, гликогенсинтетаз, глюкозо–6‑фосфатазы) и мембранопатий гепатоцитов. К гипогликемии приводят нарушения транспорта глюкозы из крови в гепатоциты, снижение активности гликогенеза в них и отсутствие (или малое содержание) депонированного гликогена.

Нарушения пищеварения

Нарушения пищеварения - полостного переваривания углеводов, а также их пристеночного расщепления и абсорбции - приводят к развитию гипогликемии. Гипогликемия развивается также при хронических энтеритах, алкогольном панкреатите, опухолях поджелудочной железы, синдромах нарушенного всасывания.

Причины нарушений полостного переваривания углеводов

† Недостаточность  ‑амилазы поджелудочной железы (например, у пациентов с панкреатитами или опухолями железы).

† Недостаточное содержание и/или активность амилолитических ферментов кишечника (например, при хронических энтеритах, резекции кишечника).

Причины нарушений пристеночного расщепления и абсорбции углеводов

† Недостаточность дисахаридаз, расщепляющих углеводы до моносахаридов - глюкозы, галактозы, фруктозы.

† Недостаточность ферментов трансмембранного переноса глюкозы и других моносахаридов (фосфорилаз), а также белка–переносчика глюкозы GLUT5.

Патология почек

Гипогликемия развивается при нарушении реабсорбции глюкозы в проксимальных канальцах нефрона почек. Причины:

Дефицит и/или низкая активность ферментов (ферментопатия, энзимопатия), участвующих в реабсорбции глюкозы.

Нарушение структуры и/или физико‑химического состояния мембран (мембранопатии) вследствие дефицита или дефектов мембранных гликопротеинов, участвующих в реабсорбции глюкозы (подробнее см. в приложении «Справочник терминов», статья «Переносчики глюкозы» на компакт-диске).

Названные причины приводят к развитию синдрома, характеризующегося гипогликемией и глюкозурией («почечный диабет»).

Эндокринопатии

Основные причины развития гипогликемии при эндокринопатиях: недостаток эффектов гипергликемизирующих факторов или избыток эффектов инсулина.

К гипергликемизирующим факторам относят глюкокортикоиды, йодсодержащие гормоны щитовидной железы, СТГ, катехоловые амины и глюкагон.

† Глюкокортикоидная недостаточность (например, при гипокортицизме вследствие гипотрофии и гипоплазии коры надпочечников). Гипогликемия развивается в результате торможения глюконеогенеза и дефицита гликогена.

† Дефицит тироксина (T 4) и трийодтиронина (T 3) (например, при микседеме). Гипогликемия при гипотиреозах является результатом торможения процесса гликогенолиза в гепатоцитах.

† Недостаток СТГ (например, при гипотрофии аденогипофиза, разрушении его опухолью, кровоизлиянии в гипофиз). Гипогликемия при этом развивается в связи с торможением гликогенолиза и трансмембранного переноса глюкозы.

† Дефицит катехоламинов (например, при туберкулёзе с развитием надпочечниковой недостаточности). Гипогликемия при дефиците катехоламинов является следствием пониженной активности гликогенолиза.

† Недостаток глюкагона (например, при деструкции  ‑клеток поджелудочной железы в результате иммунной аутоагрессии). Гипогликемия развивается в связи с торможением глюконеогенеза и гликогенолиза.

Избыток инсулина и/или его эффектов

Причины гипогликемии при гиперинсулинизме:

† активация утилизации глюкозы клетками организма,

† торможение глюконеогенеза,

† подавление гликогенолиза.

Указанные эффекты наблюдаются при инсулиномах или передозировке инсулина.

Углеводное голодание

Углеводное голодание наблюдается в результате длительного общего голодания, в том числе - углеводного. Дефицит в пище только углеводов не приводит к гипогликемии в связи с активацией глюконеогенеза (образование углеводов из неуглеводных веществ).

Длительная значительная гиперфункция организма при физической работе

Гипогликемия развивается при длительной и значительной физической работе в результате истощения запасов гликогена, депонированного в печени и скелетных мышцах.

Клинические проявления гипогликемиИ

Возможные последствия гипогликемии (рис. 8–3): гипогликемическая реакция, синдром и кома.

Рис. 8–3. Возможные последствия гипогликемии.

Гипогликемическая реакция

Гипогликемическая реакция - острое временное снижение ГПК до нижней границы нормы (как правило, до 80–70 мг%, или 4,0–3,6 ммоль/л).

Причины

† Острая избыточная, но преходящая секреция инсулина через 2–3 сут после начала голодания.

† Острая чрезмерная, но обратимая секреция через несколько часов после нагрузки глюкозой (с диагностической или лечебной целью, переедания сладкого, особенно у лиц пожилого и старческого возраста).

Проявления

† Низкий уровень ГПК.

† Лёгкое чувство голода.

† Мышечная дрожь.

† Тахикардия.

Указанные симптомы в покое выражены слабо и выявляются при дополнительной физической нагрузке или стрессе.

Гипогликемический синдром

Гипогликемический синдром - стойкое снижение ГПК ниже нормы (до 60–50 мг%, или 3,3–2,5 ммоль/л), сочетающееся с расстройством жизнедеятельности организма.

Проявления гипогликемического синдрома приведены на рис. 8–4. По происхождению они могут быть как адренергическими (обусловленными избыточной секрецией катехоламинов), так и нейрогенными (вследствие расстройств функций ЦНС).

Рис. 8–4. Проявления гипогликемического синдрома.

Гипогликемическая кома

Гипогликемическая кома - состояние, характеризующееся падением ГПК ниже нормы (как правило, менее 40–30 мг%, или 2,0–1,5 ммоль/л), потерей сознания, значительными расстройствами жизнедеятельности организма.

Механизмы развития

Нарушение энергетического обеспечения нейронов, а также клеток других органов вследствие:

† Недостатка глюкозы.

† Дефицита короткоцепочечных метаболитов свободных жирных кислот - ацетоуксусной и  ‑гидрооксимасляной, которые эффективно окисляются в нейронах. Они могут обеспечить нейроны энергией даже в условиях гипогликемии. Однако, кетонемия развивается лишь через несколько часов и при острой гипогликемии не может быть механизмом предотвращения энергодефицита в нейронах.

† Нарушения транспорта АТФ и расстройств использования энергии АТФ эффекторными структурами.

Повреждение мембран и ферментов нейронов и других клеток организма.

Дисбаланс ионов и воды в клетках: потеря ими K + , накопление H + , Na + , Ca 2+ , воды.

Нарушения электрогенеза в связи с указанными выше расстройствами.

Принципы терапии гипогликемий

Принципы устранения гипогликемического синдрома и комы: этиотропный, патогенетический и симптоматический

Этиотропный

Этиотропный принцип направлен на ликвидацию гипогликемии и лечение основного заболевания.

Ликвидация гипогликемии

Введение в организм глюкозы:

В/в (для устранения острой гипогликемии одномоментно 25–50 г в виде 50% раствора. В последующем инфузия глюкозы в меньшей концентрации продолжается до восстановления сознания у пациента).

С пищей и напитками. Это необходимо в связи с тем, что при в/в введении глюкозы не восстанавливается депо гликогена в печени (!).

Терапия основного заболевания, вызвавшего гипогликемию (болезней печени, почек, ЖКТ, желёз внутренней секреции и др.).

Патогенетический

Патогенетический принцип терапии ориентирован на:.

Блокирование главных патогенетических звеньев гипогликемической комы или гипогликемического синдрома (расстройств энергообеспечения, повреждения мембран и ферментов, нарушений электрогенеза, дисбаланса ионов, КЩР, жидкости и других).

Ликвидацию расстройств функций органов и тканей, вызванных гипогликемией и её последствиями.

Устранение острой гипогликемии, как правило, приводит к быстрому «выключению» её патогенетических звеньев. Однако хронические гипогликемии требуют целенаправленной индивидуализированной патогенетической терапии.

Симптоматический

Симптоматический принцип лечения направлен на устранение симптомов, усугубляющих состояние пациента (например, сильной головной боли, страха смерти, резких колебаний АД, тахикардии и др.).

Углеводами называются альдегиды или кетоны многоатомных спиртов или их производных.

Углеводы классифицируются на:

1. моносахариды – не подвергаются гидролизу:

Триозы (глицеральдегид, диоксиацетон);

Тетрозы (эритроза);

Пентозы (рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилуоза);

Гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).

2. олигосахариды – состоят из 2–12 моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями (мальтоза – 2 глюкозы, лактоза – галактоза и глюкоза, сахароза – глюкоза и фруктоза);

3. полисахариды:

Гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка);

Гетерополисахариды (сиаловая кислота, нейраминовая кислота, гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин).

Углеводы входят в состав клеток животных (до 2%) и растений (до 80%).

Биологическая роль:

1. энергитическая. На долю углеводов приходится около 70% всей калорийности. Суточная потребность для взрослого человека – 400-500 г. При окислении 1 г углеводов до воды и углекислого газа выделяется 4,1 ккал энергии;

2. структурная. Углеводы используются как пластический материал для образования структурно-функциональных компонентов клеток. К ним относятся пентозы нуклеиновых кислот, углеводы гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества;

3. резервная. Могут откладываться про запас в печени, мышцах в виде гликогена;

4. защитная. Гликопротеины принимают участие в образовании антител. Гетерополисахариды участвуют в образовании вязких секретов (слизи), покрывающих слизистые оболочки ЖКТ, дыхательных и мочеполовых путей. Гиалуроновая кислота играет роль цементирующего вещества соединительной ткани, препятствующего проникновению чужеродных тел;

5. регуляторная. Некоторые гормоны – гликопротеины (гипофиза, щитовидной железы);

6. участвуют в процессах узнавания клеток (сиаловая и нейраминовая кислоты);

7. определяют группу крови, входя в состав оболочек эритроцитов;

8. участвуют в процессах свертываемости крови, входя в состав гликопротеинов крови, фибриногена и протромбина. Так же предупреждает свёртываемость крови, входя в состав гепарина.

Основным источником углеводов для организма служат углеводы пищи, главным образом крахмал, сахароза и лактоза.

Крахмал – это смесь двух гомополисахаридов: линейного (амилоза от 10% до 30%) и разветвленного (амилопектин от70% до 90%) строения. Крахмал содержится в основных продуктах питания: картофель до 10%, крупы – 70-80%.

Остатки глюкозы соединяются в амилозе и линейных цепях амилопектина с помощью -1,4-гликозидных связей, а в точках ветвления амилопектина - с помощью -1,6-гликозидных связей.

Крахмал, поступая с пищей в ротовую полость, после механической обработки будет подвергаться гидролизу с помощью -амилазы слюны. Этот фермент является эндоамилазой, расщепляющей -1,4-гликозидные связи. Оптимальный рН фермента находится в слабощелочной среде (рН=7-8). Поскольку пища в ротовой полости долго не находится, крахмал здесь подвергается лишь частичному гидролизу с образованием амилодекстринов.

Далее пища идёт в желудок. Слизистая оболочки желудка гликозидазы (ферменты, расщепляющие углеводы) не вырабатываются. В желудке среда резко кислая (рН=1,2-2,5) ,поэтому действие -амилазы слюны прекращается, но в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие фермента слюны продолжается и крахмал успевает пройти стадию гидролиза - эритродекстринов.

Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник. Здесь происходят наиболее важные стадии гидролиза крахмала. В двенадцатиперсной кишке, куда открывается проток поджелудочной железы, под действием ферментов ПЖЖ (-амилазы, амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы) будет идти гидролиз крахмала. Выделяющийся сок поджелудочной железы содержит бикарбонаты, которые участвуют в нейтрализации кислого желудочного содержимого. Образующийся при этом углекислый газ способствует перемешиванию пищевого комка, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9). Образующиеся катионы натрия и калия способствуют активации панкреатических гидролаз (-амилаза, амило-1,6-гликозидаза, олиго-1,6-гликозидаза). Эти ферменты завершают гидролитический разрыв внутри гликозидных связей, начатых -амилазой слюны.

Эритродекстрины превращаются в ахродекстрины. Под влиянием -амилазы панкреатического сока завершается разрыв внутренних -1,4-гликозидных связей в крахмале с образованием мальтозы. -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гидролизуются под действием амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы, которая является терминальной (последней) в этом процессе.

Т.о. три панкреатических фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз. Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала были соединены с помощью -1,6-гликозидных связей, образовались дисахариды – изомальтозы.

Слизистая оболочка тонкой кишки (энтероциты) синтезирует мальтазы (изомальтазы), лактазы и сахаразы. Образующиеся в результате гидролиза мальтоза, изомальтоза являются временным продуктом гидролиза, и в клетках кишечника они быстро гидролизуются под влиянием кишечных мальтазы, изомальтазы на две молекулы глюкозы. Т.о. в результате гидролиза крахмала в органах пищеварения образуется конечный продукт – глюкоза.

В составе пищи кроме полисахаридов поступают и дисахариды (лактоза и сахароза), которые подвергаются гидролизу только в тонком кишечнике. В энтероцитах синтезируются специфические ферменты: лактаза и сахараза, которые осуществляют гидролиз этих дисахаридов с образованием глюкоз, галактоз и фруктоз. Продукты полностью перевариваются. Углеводы - моносахариды всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов в организме человека - пищеварение.

Было установлено, что для всасывания моносахаридов (глюкозы) в кровь необходимо наличие в энтероцитах:

В цитоплазме - ионов калия, натрия, АТФ и воды.

В биомембранах - специфических белков–переносчиков и фермента - АТФ-азы.

90% образовавшейся в результате гидролиза крахмала глюкозы всасывается в кровь и через систему воротной вены поступает в печень, где депонируется в виде резервного полисахарида - гликогена. Около 10% всасывающихся в кровь моносахаридов попадает в большой круг кровообращения, разносится к органам и тканям, которые используют их в метаболических реакциях.

С пищей в организм человека поступает клетчатка – полисахарид, состоящий из остатков -D- глюкопиранозы. В ЖКТ человека она гидролизу не подвергается, поскольку не вырабатываются -гликозидазы, которые расщепляют её до глюкозы.

Биологическая роль клетчатки:

1. формирует пищевой комок;

2. продвигаясь по ЖКТ она раздражает слизистую оболочку, усиливая секрецию пищеварительных желез;

3. усиливает перистальтику кишечника;

4. нормализует кишечную микрофлору.

Достигая толстого отдела кишки, она под действием ферментов микрофлоры подвергается частичному сбраживанию с образованием глюкозы, малата, газообразных веществ. Глюкозы образуется мало, но она всасывается в кровь.

Биологический синтез гликогена

Установлено, что гликоген образуется почти во всех клетках организма, однако наибольшее содержание гликогена обнаружено в печени (2-6%) и в мышцах (0,5-2%). Т.к. общая мышечная масса организма человека велика, то большая часть всего гликогена содержится в мышцах.

Глюкоза из крови легко поступает в клетки организма и в ткани, легко проникая через биологические мембраны. Инсулин обеспечивает проницаемость мембран, это единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. Как только глюкоза поступает в клетку, она сразу же как бы запирается в ней. В результате первой метаболической реакции, катализируемой ферментом гексакиназой в присутствии АТФ, глюкоза превращается в фосфорный эфир – глюкозо-6-фосфат, для которого клеточная мембрана не проницаема. Глюкозо-6-фосфат теперь будет использоваться клеткой в метаболических реакциях (анаболизм, катаболизм). Из клетки глюкоза может обратно выйти в кровь только после гидролиза под действием фосфатазы (глюкозо-6-фосфатазы). Этот фермент есть в печени, почках, в эпителии кишечника, в других органах и тканях его нет, следовательно, проникновение глюкозы в клетки этих органов и тканей необратимо.

Процесс биосинтеза гликогена можно записать в виде 4-х стадий:

глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-1-фосфат (глюкозо-1-фосфат-уридин трансфераза) УДФ-глюкоза (гликоген-синтетаза, + n) n+1 (это наращенный гликоген) +УДФ

Затем УДФ+АТФ(нуклеозиддифосфаткиназа) УТФ+АДФ. Т.о. на присоединение 1 молекулы глюкозы тратмтся 2 молекулы АТФ.

Гликогенсинтаза является трансферазой, которая переносит остатки глюкозы, входящие в УДФ-глюкозу на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена. При этом образуются -1,4- гликозидные связи. Образование -1,6-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный фермент гликогенветвящий.

Гликоген в клетках печени накапливается во время пищеварения, и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется в промежутках между приёмами пищи.

Распад гликогена

Он может идти двумя путями:

1. Основной – фосфоролитический - протекает в печени, почках, эпителии кишечника.

Схематически его можно записать в виде 3-х стадий:

а) n (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н 3 РО 4) глюкозо-1-фосфат + n-1

б) глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

в) глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатаза, +Н 2 О) глюкоза + Н 3 РО 4

2. Не основной – амилолитический. его доля мала и незначительна. Протекает в клетках печени при участии:

- -амилазы слюны, расщепляющей -1,4-гликозидные связи;

Амило-1,6-гликозидазы, расщепляющей -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена;

- -амилазы, которая последовательно отрывает концевые остатки глюкозы от боковых цепей гликогена.

Гликогеновые болезни

Гликогеновые болезни - наследственные нарушения обмена гликогена, которые связаны с недостаточностью какого–либо фермента, участвующего в синтезе или распаде гликогена. Как правило, эта недостаточность выражена в снижении активности или полном отсутствии фермента.

Различают гликогенозы – болезни, связанные с нарушением процесса распада гликогена. При этом клетки печени, мышц, почек накапливают большое количество гликогена, что ведет к разрушению клеток. У больных наблюдается увеличение печени, гипоглюкоземия натощак, мышечная слабость. Обычно такие больные умирают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие гликогенозы:

Болезнь Герса, связанная с недостаточной активностью или отсутствием фосфорилазы печени;

Болезнь Мак-Ардля, -//- фосфорилазы мышц;

Болезнь Помпе, -//- -1,4-гликозидазы;

Болезнь Гори, -//- амило-1,6-гликозидазы;

Болезнь Гирке, -//- глюкозо-6-фосфатазы.

Агликогенозы – заболевания, которые характеризуются нарушением синтеза гликогена. У больных: гипогликемия натощак, судороги, рвота, потеря сознания, постоянное углеводное голодание мозга приводит к отставанию умственного развития. Больные погибают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие агликогенозы:

Болезнь Льюиса, связанная с нарушением выработки или полным отсутствием гликогенсинтазы;

Болезнь Андерсена, -//- гликогенветвящего фермента.

Пути катаболизма глюкозы

В зависимости от функционального состояния клеток органов и тканей, они могут находиться в условиях достаточного снабжения кислородом или испытывать его недостаток, находиться в условиях гипоксии.

Следовательно, катаболизм глюкозы в организме можно рассматривать с двух позиций: в аэробных и анаэробных условиях.

Анаэробный путь распада глюкозы в тканях называется гликолизом, если в анаэробных условиях распадается глюкозный остаток гликогена, то этот процесс называется гликогенолизом. Оба эти процесса протекают в цитоплазме клеток. Конечным продуктом окисления будет являться молочная кислота. В процессе окисления будет выделяться энергия за счет реакций субстратного фосфорилирования. Основная биологическая роль – энергетическая. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Схематически это можно представить как:

глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат;

N (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н 3 РО 4) глюкозо-1-фосфат + n-1

глюкозо-1-фосфат  (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

Основные стадии гликолиза и гликогенолиза:

Процесс гликолиза сложный и многоступенчатый. Условно его можно разделить на 2 стадии.

1 стадия – завершается образованием глицеральдегид-3-фосфата. 2 стадия – называется стадией гликолитической оксидоредукцией. Она сопряжена с образованием АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата и восстановлением пирувата в лактат.

гексакиназа ↓ АТФАДФ

глюкозо-6-фосфатизомераза ↓

фосфофруктокиназа ↓ АТФАДФ

альдолаза ↓

Фосфодиоксиацетон под действием изомеразы может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат.

2 стадия. На ней перед всеми формулами ставим 2, т.к. фосфодиоксиацетон изомеризовался и получилось 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата:

дегидрогеназа, +Н 3 РО 4 ↓ НАДНАДН 2

дифосфоглицераткиназа ↓ АДФАТФ

фосфоглицеромутаза ↓

енолаза ↓

фосфоенолпируваткиназа ↓ АДФАТФ

ЛДГ ↓ НАДН 2 НАД

Т.о. анаэробные превращения глюкозы в тканях завершается образование молочной кислоты. В процессе превращения глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы и фруктоза-6–фосфата (гексакиназная реакция и фосфофруктокиназная реакция).

С этапа образования триоз (альдолазная реакция) идет одновременная их окисление, в результате этих реакций образуется энергия в виде АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

На этапе гликолитической оксидоредукции идет окисление гицеральдегид-3-фосфата в присутствии Н 3 РО 4 и НАД-зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН 2 .

Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделяемый в процессе окисления НАДН 2 находиться в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять его. ПВК принимает НАДН 2 и восстанавливается с образованием лактата, завершая тем самым внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД-окисленный выделяется и вновь может принимать участие в окислительном процессе, выполняя роль переносчика водорода.

Три реакции гликолиза являются необратимыми:

Гексакиназная реакция;

Фосфофруктокиназная реакция;

Пируваткиназная реакция.

Энергетический эффект гликолиза (гликогенолиза):

АТФ(глюкоза)=(2*2)–2=2

АТФ(гликоген)=(2*2)–1=3

Биологическая роль гликолиза – энергетическая. Гликолиз является единственным процессом в клетке, способным поставлять энергию в форме АТФ в бескислородных условиях. В кризисных ситуациях, когда клетки органов и тканей по каким то причинам находятся в анаэробных условиях, гликолиз является единственным источником скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток, а в эритроцитах, где митохондрии отсутствуют, гликолиз вообще является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим их функции и целостность.

Гексозодифосфатный путь превращения углеводов в тканях

В аэробных условиях, когда в ткани в достаточном количестве поступает кислород, происходит подавление гликолиза. При этом уменьшается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект подавления гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера.

Глюкоза в аэробных условиях сгорает в клетках с образованием конечных продуктов - воды и углекислого газа. При окислении 1 моль глюкозы будет выделено 38 молекул АТФ, а при окислении 1 глюкозного остатка гликогена – 39 молекул.

Химизм реакций превращения глюкозы такой же, как и в аэробных условиях, но только до стадии образования пирувата.

Превращение глюкозы до пирувата протекает в цитоплазме, затем пируват поступает в митохондрии, где подвергается окислительному декарбоксилированию. Образовавшийся при этом АцКоА в дальнейшем окисляется в митохондриях с участием ферментов ЦТК и сопряженных с ними ферментов дыхательной цепи (ЦПЭ).

Реакция окислительного декарбоксилирования ПВК осуществляется при участии ряда ферментов и кофакторов:

1. дегидрогеназ (НАД, ФАД);

3. ацилтрансфераз (HS-KoA);

4. липоевой кислоты (ЛК), участвующей в переносе углекислого газа.

СН 3 -СО-СООН (это ПВК) (пируватдегидрогеназа, НАД, ФАД, HS-KoA, ТПФ, ЛК) СО 2 +НАДН 2 +Н 2 О +3АТФ +СН 3 -С(О)-SKoA (это АцКоА, он поступает в ЦТК).

При окислении глюкозы в аэробных условиях энергия выделяется за счет реакций :

1. субстратного фосфорилирования на этапах превращения 1,3-дифосфоглицериновой кислоты, фосфоенол-ПВК, сукцинил-КоА;

2. за счет реакций окислительного фосфорилирования на этапах превращения глицеральдегид-3-фосфата, ПВК, изоцитрата, -кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.

Энергетический эффект окисления:

АТФ (глюкозы)=2*(3+1+1+3+12)-2=38

АТФ (гликогена)=2*(3+1+1+3+12)-1=39

Конечные продукты образуются:

Углекислый газ на этапах превращения пирувата, оксалосукцината, -кетоглутаровой;

Вода образуется на этапах превращения: глицеральдегид-3-фосфата, 2-фосфоглицериновой кислоты, пирувата, изоцитрата, -кетоглутаровой кислоты, сукцината, малата.

Т.о. в отличие от анаэробного пути, аэробный путь окисления глюкозы является энергитически более эффективным и является основным путем обеспечения клеток энергией. При этом окисление идет с образованием конечных продуктов – углекислого газа и воды.

Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях

Гексозомонофосфатный путь превращения углеводов в тканях (пентозофосфатный путь, апотолический путь) протекает в цитоплазме клеток органов и тканей и представлен двумя последовательными ветвями: окислительной и неокислительной.

Активность этого пути превращения глюкозы зависит от типа ткани и ее функционального состояния. Особенно активно глюкоза окисляется по этому пути в тканях и органах, где синтезируется много липидов: печень, кора надпочечников, жировая ткань, молочные железы. Биологическая роль этого пути связана, прежде всего, с производством 2-х веществ:

1. рибозо-5-фосфата и его производных, которые используется в клетках для биосинтеза важнейших биологических молекул: АТФ, ГТФ, HSKoA, НАД, ФАД и нуклеиновых кислот (ДНК, РНК);

2. НАДФ·Н 2 , которые в отличие от НАД·Н 2 не окисляется в дыхательной цепи митохондрии, а используется как источник протонов и электронов для синтеза веществ, включающего реакции восстановления (ВЖК, холестерина, желчных кислот, стероидных гормонов, витамина D 3). НАДФН 2 используется для обезвреживания ядов и токсических веществ (в реакции связывания аммиака при восстановительном аминировании -кетокислот).

Этот путь является единственным поставщиком пентоз для работающих клеток тканей и органов, и на 50% покрывает потребность в НАДФН 2 , следовательно основная биологическая роль этого пути – анаболическая.

Окислительная стадия пентозного пути превращения глюкоза отличается от классического гексозодифосфатного пути с этапа превращения глюкозы-6-фосфата и включает 5 реакций:

глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, НАДФНАДФН 2) 6-фосфоглюкозолактон  (лактоназа, +Н 2 О) 6-фосфоглюконовая кислота (дегидрогеназа 6-фосфоглюконовой кислоты, НАДФНАДФН 2) 3-кето-6-фосфоглюконовая кислота (декарбоксилаза, -СО 2) рибулозо-5-фосфат (изомераза) рибозо-5-фосфат (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат

При определённых условиях на этом заканчивается окислительная стадия пентозного цикла. Между пентозами устанавливается подвижное равновесие: рибулозо-5-фосфат (изомераза) рибозо-5-фосфат (эпимераза) ксилуозо-5-фосфат

Однако в ряде случаев, когда в клетках отмечается дефицит кислорода, может протекать неокислительная стадия пентозного цикла. Основными реакциями этого этапа являются 2 транскетолазные реакции и одна трансальдолазная. Все они обратимы. В результате этих реакций образуются субстраты для гликолиза (фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат), а также вещества, характерные для пентозного пути превращения глюкозы. Схематически неокислительную стадию пентозного цикла можно записать так:

1. транскетолазные реакции:

а) ксилуозо-5-фосфат+рибозо-5-фосфа(ТПФ) седогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;

б) ксилуозо-5-фосфат+эритрозо-4-фосфат(ТПФ) фруктозо-6-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат;

2. трансальдолазная реакция:

судогептулозо-7-фосфат+ глицеральдегид-3-фосфат фруктозо-6-фосфат+ эритрозо-4-фосфат

Баланс окислительной и неокислительной стадий гексозомонофосфатного пути превращения глюкозы в тканях можно записать в виде суммарного уравнения реакции:

6 глюкозо-6-фосфат+ 7Н 2 О+ 12НАДФ 5 глюкозо-6-фосфат+ 6СО 2 +12НАДФН 2 +Фн

Глюконеогенез и другие источники глюкозы для организма человека

Глюкоза является основным углеводом крови. Её концентрация в течение суток колеблется в зависимости от энергозатрат и частоты приемов пищи, содержания углеводов в пище. Для взрослого человека содержание глюкозы в крови составляет от 3,3 до 5,5 ммоль/л. Поддерживается концентрация глюкозы в крови за счет процесса биосинтеза и распада гликогена, глюконеогенеза и за счет углеводов пищи.

Глюконеогенез - это процесс образования глюкозы из неуглеводных предшественников, которыми являются продукты распада белков, липидов и углеводов. Основными являются пируват, лактат. Промежуточными могут быть метаболиты ЦТК, а так же глицерин и АК. Ряд АК (АСП, ТИР, ФЕН, ТРЕ, ВАЛ, МЕТ, ИЛЕ, ГИС, ПРО, АРГ) тем или иным путем превращаются в метаболиты ЦТК – фумаровую кислоту, которая в дальнейшем превращается в ЩУК. Другие АК (ГЛИ, АЛА, ЦИС, СЕР) превращаются в пируват.

Глюконеогенез возможен не во всех тканях. Главным местом синтеза глюкозы является печень, в меньшей степени почки и слизистая оболочка кишечника.

Биологическая роль глюконеогенеза заключается не только в синтезе глюкозы, но и в возвращении лактата в клеточный фонд углеводов. За счет этого процесса поддерживается уровень глюкозы в крови при углеводном голодании и сахарном диабете. Этот путь является единственным, который поддерживает биоэнергетику жизненно важных тканей в кризисных ситуациях.

Большинство реакций глюконеогенеза представляют собой обратимые реакции гликолиза, за исключением 3-х, которые являются термодинамически необратимыми.:

1. гексакиназной;

2. фосфофруктокиназной;

3. пируваткиназной.

Эти реакции гликолиза имеют при глюконеогенезе обходные пути, которые связаны с образованием фосфоенолпирувата, фруктозо-6-фосфата и глюкозы.

Обходные реакции гликолиза:

Первая обходная реакция глюконеогенеза связана с образованием фосфоенолпирувата. Она протекает в 2 стадии. Сначала в результате реакции карбоксилирования пируват превращается в ЩУК. Эта реакция протекает в митохондриях, куда ПВК поступает из цитозоля. ЩУК в митохондриях восстанавливается в малат под действием МДГ (НАДН 2). Мембраны митохондрий не проницаемы для ЩУК, малат же легко выходит в цитозоль, где окисляясь снова превращается в ЩУК. ЩУК в дальнейшем принимает участие в глюконеогенезе, вступая в реакции декарбоксилирования и фосфорилирования. Донором фосфатного остатка служит ГТФ, но может быть и АТФ.

а) CH 3 -CO-COOH (это ПВК) (пируваткарбоксилаза (биотин), +СО 2 , +АТФ, +Н 2 О) СООН-СО-СН 2 -СООН (это ЩУК) +АДФ +Фн;

б) СООН-СО-СН 2 -СООН (это ЩУК)(фосфоеноилпируваткарбоксикиназа, +ГТФ, +Н 2 О) СООН-С(О~РО 3 Н 2)=СН 2 + СО2 +ГДФ.

Вторая реакция связана с образованием фруктозо-6-фосфата:

фруктоза-1,6-дифосфат (фосфатаза, +Н 2 О) фруктоза-6-фосфат+ Фн

Третья реакция связана с образованием глюкозы:

глюкозо-6-фосфат (фосфатаза, +Н 2 О) глюкоза+ Фн

Образовавшаяся в процессе глюконеогенеза глюкоза может вновь поступать в клетки органов и тканей и принимать участие в метаболизме (использоваться в тканях как энергетический субстрат, откладываться про запас в виде гликогена, участвовать в анаболических реакциях).

В организме взрослого человека массой 70 кг, главным образом в печени, за сутки образуется около 80 гр. глюкозы.

Патология углеводного обмена

Нарушения углеводного обмена могут быть на различных этапах обмена веществ. Основными показателями нарушения является изменение концентрации глюкозы в крови (гипер-, гипоглюкоземия) и появление глюкозы в моче (глюкозурия). Концентрация глюкозы в крови взрослого здорового человека в норме составляет 3,3-5,5 ммоль/л. Появление глюкозы в моче возможно в случае превышения величины почечного порога, который для глюкозы составляет 10 ммоль/л.

Основными причинами развития нарушения углеводного обмена являются:

1. алиментарные. Употребление пищи, богатой углеводами, ведет к быстрому переполнению гликогенного резерва печени, мышц, развитию гиперглюкоземии, глюкозурии. При снижении двигательной активности происходит снижение окислительных процессов и усиление биосинтеза жиров в тканях, что ведет к развитию алиментарного ожирения;

2. при поражении слизистых оболочек ЖКТ. При этом в желудке нарушается образование HCl (гипохлоргидрия или ахлоргидрия), поступающие углеводы сбраживаются под влиянием ферментов микрофлоры с образованием лактата, а белки подвергаются гниению. Это создает благоприятные условия для развития микрофлоры и приводит к расстройству пищеварения в целом. При поражении слизистой тонкого кишечника нарушается гидролиз дисахаридов или всасывание продуктов гидролиза;

3. при поражении печени нарушается биосинтез и распад гликогена, глюконеогенез;

4. при поражении поджелудочной железы нарушается секреция ферментов (-амилаз, олиго-1,6-гликозидаз), участвующих в гидролизе крахмала и гликогена.

Наиболее грозным заболеванием ПЖЖ является сахарный диабет. При этом поражаются В-клетки, они перестают вырабатывать гормон инсулин. Инсулин – единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. В случае недостаточной его выработки или отсутствия вообще происходит нарушение биоэнергетики клеток, органов и тканей. В этом случае интенсивному окислению подвергаются белки и липиды, что сопровождается избыточной продукцией аммиака и Ац-КоА.

Для связывания токсичного аммиака отвлекаются кетокислоты (ЩУК и -кетоглутаровая) из ЦТК, их концентрация резко падает, что приводит к снижению интенсивности окислительных процессов. ЦТК не в состоянии окислить все молекулы ацетил-КоА, образование которых увеличивается с усилением окисления белков и липидов. Создаются условия для их конденсации с образованием кетоновых тел. При сахарном диабете в крови наблюдается гиперкетонемия (норма - до 0,1 г/л) и кетонурия.

2СН 3 -СОSKoA (это ацетил-КоА) (Ац-КоА-трансфераза) ацетоацетил-КоА  (деацилаза, +Н 2 О, -HS-KoA) ацетоуксусная кислота.

Ацетоуксусная кислота может превращаться в -гидроксимасляную кислоту, при этом НАДН 2 НАД. Также она может превращаться в ацетон с отщеплением СО 2 .

Наследственные заболевания, как правило, связаны с нарушением синтеза ферментов, участвующих в метаболизме углеводов. Например, алактазия - неусвояемость углеводов молока (лактозы). Это связано с отсутствием фермента – лактазы, поэтому поступающие с молоком дисахариды не усваиваются. У детей проявляется в виде рвоты, тошноты, поноса, вздутия живота, происходит обезвоживание организма. Лечение: исключение лактозы из пищи и замещение на мальтозу, сахарозу, глюкозу.

Другая группа заболеваний может быть связана с наследственными нарушениями обмена гликогена:

1. гликогенозы, связанные с недостаточным количеством ферментов, участвующих в распаде гликогена (болезнь Гирке, Кори);

2. агликогенозы – заболевания, связанные с нарушением синтеза гликогена (болезнь Льюиса. Андерсона и т.д.).

Липиды

Липиды – это сложные органические вещества биологической природы, не растворимые в воде, но растворимые в органических растворителях .

Все липиды делятся на простые и сложные . Простые: триглицериды, стерины, стериды и воски. Сложные: фосфолипиды, гликолипиды. Фосфолипиды делятся на сфинголипиды и глицерофосфолипиды. К глицерофосфолипидам относятся: фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилинозит и плазмогены (ацетальфосфатиды). К гликолипидам: цереброзиды, ганглиозиды, сульфатиды.

Наряду с белками и углеводами, липиды являются основными продуктами питания. В организме человека они поступают с продуктами растительного и животного происхождения. Суточная потребность взрослого человека составляет 80-100 г. Липиды составляют 10-20% от массы тела. В среднем в теле взрослого человека содержится 10-12 кг. липидов. Из них 25% приходится на структурные липиды, остальные относятся к резервным. Установлено, что 98% резервных липидов находится в жировой ткани.

Резервные липиды (жиры) представлены триглицеридами (ТГ). Они используются для энергетических нужд организма. Важнейшими ТГ являются эфиры глицерина и ВЖК. ВЖК могут быть как предельными (пальмитиновая С 15 Н 31 СООН, стеариновая С 17 Н 35 СООН), так и непредельными (олеиновая С 17 Н 33 СООН, линолевая С 17 Н 31 СООН, линоленовая С 17 Н 29 СООН, арахидоновая С 19 Н 31 СООН).

Фосфолипиды (ФЛ), гликолипиды являются структурными компонентами биологических мембран клеток, они не имеют такой энергетической ценности, как ТГ. Они, как и стерины (холестерин - ХС) относятся к структурным липидам.

ХС является предшественником ряда биологически активных веществ (БАВ), например стероидных гормонов (эстрогенов, андрогенов, минерало- и глюкокортикоидов), витаминов группы D и желчных кислот. Арахидоновая кислота (С 19 Н 31 СООН), входя в состав ФЛ, может принимать участие в образовании гормоноподобных веществ (простагландинов, лейкотриенов).

Биологическая роль липидов:

1. структурная – входят в состав биомембран клеток (ФЛ, ГЛ, холестерин);

2. резервная – нейтральные жиры могут откладываться про запас в жировое депо;

3. энергетическая – при окислении 1 г липидов до воды и углекислого газа выделяется 9,3 ккал энергии. На долю липидов приходится примерно 50% всей калорийности;

4. механическая – входя в состав соединительной ткани, подкожной жировой клетчатки, липиды предохраняют внутренние органы от повреждения при механических травмах;

5. теплоизолирующая роль – входя в состав подкожной жировой клетчатки, липиды предохраняют органы от перегревания и переохлаждения;

6. транспортная – входя в состав биомембран клеток, липиды участвуют в транспорте веществ (катионов);

7. регуляторная – все стероидные гармоны являются липидами. Гармоноподобные вещества (простагландины и лейкотриены) образуются из липидов;

8. выполняет роль смазочного материала для кожи, предохраняют её от сухости и растрескивания;

9. участвуют в передаче нервных импульсов;

10. липиды являются основным источником эндогенной воды - при окислении 100 г липидов образуется 107 мл эндогенной воды (из 100 г углеводов 57 мл воды, а из 100 г белков – 41 мл воды);

11. растворяющая – желчные кислоты, являясь стеринами, участвуют в растворении жирорастворимых витаминов А, Д, Е и К;

12. питательная роль – с пищей в организм поступают незаменимые ВЖК, которые имеют 2 и более двойных связей.

Незаменимые ВЖК в организме не синтезируются, но их роль велика:

1. они являются обязательным структурным компонентом биомембран;

2. препятствуют всасыванию холестерина в кишечнике;

3. стимулируют синтез желчных кислот в печени;

4. тормозят образование ЛПОНП, предупреждая развитие атеросклероза;

5. понижают свёртывание крови и понижают возможность тромбообразования;

6. повышают защитные силы организма;

7. предупреждают развитие кожных заболеваний;

8. являются источником гормоноподобных веществ.

Богаты ненасыщенными ВЖК растительные масла, в которых их содержание составляет 50-55%. Для полного удовлетворения суточной потребности взрослому человеку достаточно получать 15-20 г этих масел.

Углеводы являются органическими, водорастворимыми веществами. Они состоят из углерода, водорода и кислорода, с формулой (CH 2 O) n , где ‘n’ может варьировать от 3 до 7. Углеводы содержатся главным образом в растительных продуктах (за исключением лактозы).

Исходя из химической структуры, делятся на три группы:

• моносахариды
• олигосахариды
• полисахариды

Типы углеводов

Моносахариды

Моносахариды являются «основными единицами» углеводов. Число атомов углерода отличает эти основные единицы друг от друга. Суффикс «оза» используется для определения этих молекул в категорию сахаров:

• триоза — моносахарид с 3 атомами углерода
• тетроза — моносахарид с 4 атомами углерода
• пентоза — моносахарид с 5 атомами углерода
• гексоза — моносахарид с 6 атомами углерода
• гептоза — моносахарид с 7 атомами углерода

В группу гексозы входят глюкоза, галактоза и фруктоза.

• , также известный как сахар, содержащийся в крови, является тем сахаром, в который превращаются все другие углеводы в организме. Глюкоза может быть получена путем пищеварения или образована в результате глюконеогенеза.
• Галактоза в свободном виде не встречается, а чаще в сочетании с глюкозой в молочном сахаре (лактозе).
• Фруктоза, известная также как фруктовый сахар, является самым сладким из простых сахаров. Как и следует из названия, большое количество фруктозы содержится во фруктах. В то время как определенное количество фруктозы попадает непосредственно в кровь из пищеварительного тракта, в печени она рано или поздно превращается в глюкозу.

Олигосахариды

Олигосахариды состоят из 2-10 связанных между собой моносахаридов. Дисахариды, или двойные сахара, образуются из двух моносахаридов, связанных между собой.

• Лактоза (глюкоза + галактоза) — единственный вид сахаров, который не встречается в растениях, а содержится в молоке.
• Мальтоза (глюкоза + глюкоза) — встречается в пиве, крупах и прорастающих семенах.
• Сахароза (глюкоза + фруктоза) — известный как столовый сахар, это наиболее распространенный дисахарид, поступающий в организм вместе с пищей. Он содержится в свекловичном сахаре, тростниковом сахаре, меде и кленовом сиропе.

Моносахариды и дисахариды образуют группу простых сахаров.

Полисахариды

Полисахариды образуются из 3 до 1000 моносахаридов, связанных между собой.

Типы полисахаридов:

• — растительная форма хранения углеводов. Крахмал существует в двух формах: амилозы или аминопектина. Амилоза представляет собой длинную неразветвленную цепь спирально закрученных молекул глюкозы, в то время как амилопектин — это сильно разветвленная группа связанных моносахаридов.
• — это некрахмальный структурный полисахарид, который встречается в растениях и обычно трудно переваривается. Примерами пищевых волокон являются целлюлоза и пектин.
• Гликоген — 100-30.000 соединенных вместе молекул глюкозы. Форма хранения глюкозы.

Переваривание и усвоение

Большинство углеводов мы потребляем в форме крахмала. Переваривание крахмала начинается во рту под действием амилазы слюны. Этот процесс переваривания с помощью амилазы продолжается в верхней части желудка, затем действие амилазы блокируется желудочной кислотой.

Процесс переваривания затем завершается в тонкой кишке с помощью амилазы поджелудочной железы. В результате расщепления крахмала амилазой образуются дисахарид мальтоза и короткие разветвленные цепочки глюкозы.

Эти молекулы, представленные теперь в форме мальтозы и коротких разветвленных цепочек глюкозы, далее будут расщеплены на отдельные молекулы глюкозы с помощью ферментов в клетках эпителия тонкой кишки. Те же процессы происходят при переваривании лактозы или сахарозы. В лактозе нарушена связь между глюкозой и галактозой, в результате чего образуются два отдельных моносахарида.

В сахарозе связь между глюкозой и фруктозой нарушена, в результате чего образуются два отдельных моносахарида. Отдельные моносахариды затем поступают через кишечный эпителий в кровь. При поглощении моносахаридов (таких, как декстроза, которая является глюкозой) переваривания не требуется, и всасываются они быстро.

Попав в кровь, эти углеводы, теперь в форме моносахаридов, используются по назначению. Поскольку фруктоза и галактоза в конечном итоге превращаются в глюкозу, далее я буду ссылаться на все переваренные углеводы, обозначая их как «глюкозу».

Усвоенная глюкоза

Усваиваясь, глюкоза является основным источником энергии (во время или сразу после приема пищи). Эта глюкоза катаболизируется клетками, чтобы получить энергию для образования . Глюкоза также может накапливаться в форме гликогена в мышцах и клетках печени. Но перед этим необходимо, чтобы глюкоза попала в клетки. Кроме того, глюкоза поступает в клетку различным образом в зависимости от типа клеток.

Чтобы усвоиться, глюкоза должна попасть в клетку. В этом ей помогают транспортеры (Glut-1, 2, 3, 4 и 5). В клетках, где глюкоза является основным источником энергии, например, в мозге, почках, печени и эритроцитах, поглощение глюкозы происходит свободно. Это означает, что глюкоза может поступить в эти клетки в любое время. В жировых клетках, сердце и скелетных мышцах, с другой стороны, поглощение глюкозы регулируется транспортером Glut-4. Их деятельность контролирует гормон инсулин. Реагируя на повышенный уровень глюкозы в крови, из бета-клеток поджелудочной железы высвобождается инсулин.

Инсулин связывается с рецептором на мембране клетки, которая, с помощью различных механизмов, приводит к транслокации рецепторов Glut-4 из внутриклеточных хранилищ к клеточной мембране, позволяя глюкозе попасть в клетку. Сокращение скелетных мышц также усиливает транслокацию транспортера Glut-4.

При сокращении мышц высвобождается кальций. Это увеличение концентрации кальция стимулирует транслокацию рецепторов GLUT-4, способствуя поглощению глюкозы при недостатке инсулина.

Хотя эффекты инсулина и физической нагрузки на транслокацию Glut-4 являются аддитивными, они независимы. Оказавшись в клетке, глюкоза может быть использована для удовлетворения энергопотребностей или синтезирована в гликоген и сохранена для дальнейшего использования. Глюкоза также может быть преобразована в жир и храниться в жировых клетках.

Попав в печень, глюкоза может быть использована для удовлетворения энергетических потребностей печени, сохранена в виде гликогена или преобразована в триглицериды для хранения в виде жира. Глюкоза является предшественником фосфата глицерина и жирных кислот. Печень преобразует избыток глюкозы в фосфат глицерина и жирные кислоты, которые затем соединяются для синтеза триглицеридов.

Некоторые из этих образованных триглицеридов хранятся в печени, но большинство из них вместе с белками переходят в липопротеины и секретируется в кровь.

Липопротеины, которые содержат намного больше жира, чем белка, называют липопротеинами очень низкой плотности (ЛОНП). Эти ЛОНП затем транспортируется через кровь в жировую ткань, где будут храниться как триглицериды (жиры).

Накопленная глюкоза

В организме глюкоза хранится в виде полисахарида гликогена. Гликоген состоит из сотен связанных друг с другом молекул глюкозы и хранится в мышечных клетках (около 300 граммов) и печени (около 100 граммов).

Накопление глюкозы в виде гликогена называется гликогенезом. Во время гликогенеза молекулы глюкозы поочередно добавляются в существующую молекулу гликогена.

Количество запасенного в организме гликогена определяется потреблением углеводов; у человека на низкоуглеводной диете гликогена будет меньше, чем у человека на диете с высоким содержанием углеводов.

Для использования накопленного гликогена он должен быть расщеплен на отдельные молекулы глюкозы в ходе процесса, который называемый гликогенолизом (лиз = расщепление).

Значение глюкозы

Для нормального функционирования глюкоза необходима нервной системе и головному мозгу, поскольку мозг использует его в качестве основного источника топлива. При недостаточном обеспечении глюкозой в качестве источника энергии мозг может также использовать кетоны (побочные продукты неполного распада жиров), но это скорее рассматривается как запасной вариант.

Скелетные мышцы и все другие клетки используют глюкозу для своих энергетических потребностей. Когда в организм с пищей не поступает необходимое количество глюкозы, в ход идет гликоген. После того, как запасы гликогена будут исчерпаны, организм вынужден найти способ, чтобы получить больше глюкозы, что достигается путем глюконеогенеза.

Глюконеогенезом является формирование новой глюкозы из аминокислот, глицерина, лактаты или пирувата (всех неглюкозных источников). Для того чтобы получить аминокислоты для глюконеогенеза, может быть катаболизирован мышечный белок. При обеспечении необходимым количеством углеводов глюкоза служит «сберегателем белка» и может предотвратить расщепление мышечного белка. Поэтому спортсменам так важно употреблять достаточное количество углеводов.

Хотя для углеводов не существует определенной нормы потребления, считается, что 40-50% потребляемых калорий должно поставляться углеводами. Для спортсменов это предполагаемая норма составляет 60%.

Что такое АТФ?
Аденозинтрифосфат, молекула АТФ содержит макроэргические фосфатные связи и используется для хранения и высвобождения необходимой организму энергии.

Как и по многим другим вопросам, люди продолжают спорить по поводу необходимого организму количества углеводов. Для каждого человека оно должно определяться с учетом разнообразных факторов, включая: тип тренировок, интенсивность, продолжительность и частоту, общее количество потребляемых калорий, цели тренировок и желаемый результат с учетом конституции тела.

Краткие выводы и заключение

• Углеводы = (CH2O)n, где n варьирует от 3 до 7.
• Моносахариды являются «основными единицами» углеводов
• Олигосахариды состоят из 2-10 связанных между собой моносахаридов
• Дисахариды, или двойные сахара, образуются из двух моносахаридов, связанных между собой, к дисахаридам относится сахароза, лакроза и галактоза.
• Полисахариды образуются из 3 до 1000 моносахаридов, связанных между собой; к ним относятся крахмал, пищевые волокна и гликоген.
• В результате расщепления крахмала образуется мальтоза и короткие разветвленные цепочки глюкозы.
• Чтобы усвоиться, глюкоза должна попасть в клетку. Это осуществляется транспортерами глюкозы.
• Гормон инсулин регулирует работу транспортеров Glut-4.
• Глюкоза может быть использована для образования АТФ, сохранена в форме гликогена или жира.
• Рекомендуемая норма потребления углеводов — 40-60% от общего числа калорий.

В организме человека до 60 % энергии удовлетворяется за счет углеводов. Вследствие этого энергообмен мозга почти исключительно осуществляется глюкозой. Углеводы выполняют и пластическую функцию. Они входят в состав сложных клеточных структур (гликопептиды, гликопротеины, гликолипиды, липополисахариды и др.). Углеводы делятся на простые и сложные. Последние при расщеплении в пищеварительном тракте образуют простые моноса-хариды, которые затем из кишечника поступают в кровь. В организм углеводы поступают главным образом с растительной пищей (хлеб, овощи, крупы, фрукты) и откладываются в основном в виде гликогена в печени, мышцах. Количество гликогена в организме взрослого человека составляет около 400 г. Однако эти запасы легко истощаются и используются главным об-разом для неотложных потребностей энергообмена.

Процесс образования и накопления гликогена регулируется гормоном поджелудочной железы инсулином. Процесс расщепления гликогена до глюкозы происходит под влиянием другого гормона поджелудочной железы - глюкагона.

Содержание глюкозы в крови, а также запасы гликогена регулируются и центральной нервной системой. Нервное воздействие от центров углеводного обмена поступает к органам по вегетативной нервной системе. В частности, импульсы, идущие от центров по симпатическим нервам, непосредственно усиливают расщепление гликогена в печени и мышцах, а также выделение из надпочечников адреналина. Последний способствует преобразованию гликогена в глюкозу и усиливает окислительные процессы в клетках. В регуляции углеводного обмена также принимают участие гормоны коры надпочечников, средней доли гипофиза и щитовидной железы.

Оптимальное количество углеводов в сутки составляет около 500 г, но эта величина в зависимости от энергетических потребностей организма может значительно изменяться. Необходимо учитывать, что в организме процессы обмена углеводов, жиров и белков взаимосвязаны, возможны их преобразования в определенных границах. Дело в том, что межуточный обмен углеводов, белков и жиров образует общие промежуточные вещества для всех обменов. Основным же продуктом обмена белков, жиров и углеводов является ацетилкоэнзим А. При его помощи обмен белков, жиров и углеводов сводится к циклу трикарбоновых кислот, в котором в результате окисления высвобождается около 70 % всей энергии превращений.

Конечные продукты обмена веществ составляют незначительное количество простых соединений. Азот выделяется в виде азотсодержащих соединений (главным образом мочевина и аммиак), углерод - в виде СО2, водород - в виде Н2О.

Не последнюю роль играют именно углеводы. Люди, которым небезразлично собственное здоровье, знают, что сложные углеводы предпочтительнее простых. И что лучше употреблять еду для более длительного переваривания и подпитки энергией на протяжении дня. Но почему именно так? Чем различаются процессы усвоения медленных и быстрых углеводов? Почему сладости стоит употреблять только для закрытия белкового окна, а мед лучше есть исключительно на ночь? Чтобы ответить на эти вопросы, подробно рассмотрим обмен углеводов в организме человека.

Для чего нужны углеводы

Помимо поддержания оптимального веса, углеводы в организме человека выполняют огромный фронт работы, сбой в которой влечет не только возникновение ожирения, но и массу других проблем.

Основными задачами углеводов является выполнение следующих функций:

1. Энергетическая — приблизительно 70% калорийности приходится на углеводы. Для того, чтобы реализовался процесс окисления 1 г углеводов организму требуется 4,1 ккал энергии.
2. Строительная — принимают участие в построении клеточных компонентов.
3. Резервная — создают депо в мышцах и печени в виде гликогена.
4. Регуляторная — некоторые гормоны по своей природе являются гликопротеинами. Например, гормоны щитовидной железы и гипофиза — одна структурная часть таких веществ белковая, а другая — углеводная.
5. Защитная — гетерополисахариды принимают участие в синтезе слизи, которая покрывает слизистые оболочки дыхательных путей, органов пищеварения, мочеполового тракта.
6. Принимают участие в распознавании клеток.
7. Входят в состав мембран эритроцитов.
8. Являются одними из регуляторов свертываемости крови, так как являются частью протромбина и фибриногена, гепарина ( — учебник «Биологическая химия», Северин).

Для нас главными источниками углеводов являются те молекулы, которые мы получаем с продуктами питания: крахмал, сахароза и лактоза.

@ Evgeniya
adobe.stock.com

Этапы расщепления сахаридов

Прежде чем рассматривать особенности биохимических реакций в организме и влияние метаболизма углеводов на спортивные результаты, изучим процесс расщепления сахаридов с их дальнейшим превращением в тот самый , который так отчаянно добывают и тратят спортсмены во время подготовки к соревнованиям.

Этап 1 — предварительное расщепление слюной

В отличие от белков и жиров, углеводы начинают распадаться почти сразу после попадания в полость рта. Дело в том, что большая часть продуктов, поступающих в организм, имеет в своем составе сложные крахмалистые углеводы, которые под воздействием слюны, а именно фермента амилазы, входящей в ее состав, и механического фактора расщепляются на простейшие сахариды.

Этап 2 — влияние желудочной кислоты на дальнейшее расщепление

Здесь вступает в силу желудочная кислота. Она расщепляет сложные сахариды, которые не попали под воздействие слюны. В частности, под действием ферментов лактоза расщепляется до галактозы, которая в последствии превращается в глюкозу.

Этап 3 — всасывание глюкозы в кровь

На этом этапе практически вся ферментированная быстрая глюкоза напрямую всасывается в кровь, минуя процессы ферментации в печени. Уровень энергии резко повышается, а кровь становится более насыщенной.

Этап 4 — насыщение и инсулиновая реакция

Под воздействием глюкозы кровь густеет, что затрудняет её перемещение и транспортировку кислорода. Глюкоза замещает кислород, что вызывает предохранительную реакцию — уменьшение количества углеводов в крови.

В плазму поступает инсулин и глюкагон из поджелудочной железы.

Первый открывает транспортные клетки для перемещения в них сахара, что восстанавливает утраченный баланс веществ. Глюкагон в свою очередь уменьшает синтез глюкозы из гликогена (потребление внутренних источников энергии), а инсулин «дырявит» основные клетки организма и помещает туда глюкозу в виде гликогена или липидов.

Этап 5 — метаболизм углеводов в печени

На пути к полному перевариванию углеводы сталкиваются с главным защитником организма — клетками печени. Именно в этих клетках углеводы под воздействием специальных кислот связываются в простейшие цепочки – гликоген.

Этап 6 — гликоген или жир

Печень способна переработать только определенное количество моносахаридов, находящихся в крови. Возрастающий уровень инсулина заставляет её делать это в кратчайшие сроки. В случае, если печень не успевает перевести глюкозу в гликоген, наступает липидная реакция: вся свободная глюкоза путём её связывания кислотами превращается в простые жиры. Организм делает это с целью оставить запас, однако в виду нашего постоянного питания, «забывает» переварить, и глюкозные цепочки, превращаясь в пластические жировые ткани, транспортируются под кожу.

Этап 7 — вторичное расщепление

В случае, если печень справилась с сахарной нагрузкой и смогла превратить все углеводы в гликоген, последний под воздействием гормона инсулина успевает запастись в мышцах. Далее в условиях недостатка кислорода расщепляется назад до простейшей глюкозы, не возвращаясь в общий кровоток, а сохраняясь в мышцах. Таким образом, минуя печень, гликоген поставляет энергию для конкретных мышечных сокращений, повышая при этом выносливость ( — «Википедия»).

Именно этот процесс зачастую называют «вторым дыханием». Когда у спортсмена большие запасы гликогена и простых висцеральных жиров, превращаться в чистую энергию они будут только в отсутствии кислорода. В свою очередь спирты, содержащиеся в жирных кислотах, простимулируют дополнительное расширение сосудов, что приведет к лучшей восприимчивости клеток к кислороду в условиях его дефицита.

Особенности метаболизма по ГИ

Важно понимать, почему углеводы разделяются на простые и сложные. Все дело в их , который определяет скорость распада. Это, в свою очередь, запускает регуляцию обмена углеводов. Чем проще углевод, тем быстрее он попадет в печень и тем выше вероятность его превращения в жир.

Примерная таблица гликемического индекса с общим составом углеводов в продукте:

Особенности метаболизма по ГН

Однако даже продукты с высоким гликемическим индексом не способны нарушить обмен и функции углеводов так, как это делает . Она определяет, насколько сильно печень загрузится глюкозой при употреблении этого продукта. При достижении определенного порога ГН (порядка 80-100), все калории, поступающие сверх нормы, будут автоматически конвертироваться в триглицериды.

Примерная таблица гликемической нагрузки с общей калорийностью:

Инсулиновая и глюкагоновая реакция

В процессе потребление любого углевода, будь то сахар или сложный крахмал, организм запускает сразу две реакции, интенсивность которых будет зависеть от ранее рассмотренных факторов и в первую очередь, от выброса инсулина.

Важно понимать, что инсулин всегда выбрасывается в кровь импульсами. А это значит, что один сладкий пирожок для организма так же опасен, как 5 сладких пирожков. Инсулин регулирует густоту крови. Это необходимо, чтобы все клетки получали достаточное количество энергии, не работая в гипер- или гипо- режиме. Но самое главное, от густоты крови зависит скорость её движения, нагрузка на сердечную мышцу и возможность транспортировки кислорода.

Выброс инсулина – это естественная реакция. Инсулин дырявит все клетки в организме, способные воспринимать дополнительную энергию, и запирает её в них. В случае, если печень справилась с нагрузкой, в клетки помещается гликоген, если печень не справилась, то в те же клетки попадают жирные кислоты.

Таким образом, регуляция углеводного обмена происходит исключительно благодаря выбросам инсулина. Если его недостаточно (не хронически, а одноразово), у человека может возникнуть сахарное похмелье — состояние, при котором организм требует дополнительной жидкости для увеличения объемов крови, и разжижения её всеми доступными средствами.

Последующее распределение энергии

Последующее распределение энергии углеводов происходит в зависимости от типа сложения, и тренированности организма:

1. У нетренированного человека с медленным обменом веществ. Гликогеновые клетки при снижении уровня глюкагона возвращаются в печень, где перерабатываются в триглицериды.
2. У спортсмена. Гликогеновые клетки под воздействием инсулина массово запираются в мышцах, давая запас энергии для следующих упражнений.
3. У неспортсмена с быстрым обменом веществ. Гликоген возвращается в печень, транспортируясь назад до уровня глюкозы, после чего насыщает кровь до пограничного уровня. Этим он провоцирует состояние истощения, так как несмотря на достаточное питание энергетическими ресурсами, клетки не имеют соответствующего количества кислорода.

Итог

Энергетический обмен — процесс, в котором участвуют углеводы. Важно понимать, что даже в отсутствии прямых сахаров, организм все равно будет расщеплять ткани до простейшей глюкозы, что приведет к уменьшению мышечной ткани или жировой прослойки (в зависимости от типа стрессовой ситуации).