Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки

Полисахариды

Составляют большую часть углеводов в организме. Образуются путем реакции конденсации из большого количества молекул моносахаридов, преимущественно гексоз. Они не имеют сладкого вкуса, почти не растворяются в воде и не кристаллизируются.

Сюда относятся: крахмал, целлюлоза, гликоген и др.

Целлюлоза (клетчатка) состоит из молекул глюкозы. По своей структуре является линейным полимером. Она является основным  веществом клеточной стенки растений, очень крепкая, но легко пропускает воду. В ней аккумулируется свыше 50 % углерода биосферы. Служит пищей для некоторых животных, бактерий и грибов. Животным помогают переваривать глюкозу бактерии, живущие в их кишечнике.

Крахмал является резервным полисахаридом растений, запасается в клетках в виде зерен, в органах, которые запасают питательные вещества (клубни, семена и т. п.). По химической структуре он на 10-12 % состоит из линейной амилозы и на 80-90 % из разветвленного амилопектина. Мономером крахмала является глюкоза. Его эмпирическая формула –(C₆H₁₀0₅)_n, где n – количество остатков глюкозы. Благодаря преобразованию крахмала в глюкозу и наоборот происходит механизм работы устьиц: при гидролизе крахмала в замыкающих клетках увеличивается концентрация глюкозы, поступает вода, клеточные стенки выгибаются и щель устьица открывается; если глюкоза превращается в крахмал, вода выходит из клеток, устьица закрываются.

Гликоген откладывается в клетках грибов и животных. Играет важную роль в преобразованиях углеводов в животном организме. В значительном количестве накапливается в печени, мышцах, сердце и других органах. Мономером гликогена является глюкоза. По структуре напоминает крахмал, но разветвленный сильнее. Молекула гликогена состоит приблизительно из 30 000 остатков глюкозы.

Хитин образовывает клеточные стенки грибов, покровы членистоногих. В отличие от целлюлозы в молекулах остатки глюкозы связаны с азотосодержащими группами.

Муреин – опорный каркас клеточной стенки бактерий. Он образует одну гигантскую мешкообразную молекулу, которую называют  муреиновым мешком. Его основой является сетка параллельных  полисахаридных цепей, построенных из дисахаридов, которые чередуются и соединены между собой многочисленными короткими пептидными цепочками.

На поверхности клеточных мембран много полисахаридов, которые с белками образуют глюкопротеиды, а с липидами – гликолипиды. Вместе они образуют надмембранный комплекс животных клеток – гликокаликс.

К полисахаридам принадлежит агар морских водорослей.

Чем плохи простые углеводы и что такое гликемический индекс?

Чтобы понять, в чем подвох простых углеводов, для начала нужно разобраться с гликемическим индексом (ГИ). Это понятие было введено в начале 80-х годов XX века профессором из Канады Дэвидом Дженкинсом. Гликемический индекс представляет собой относительный показатель влияния углеводов на уровень сахара в крови. Иными словами, это показатель того, насколько быстро тот или иной продукт повышает содержание глюкозы в крови.

Гликемический индекс чистой глюкозы равен 100. От этой цифры принято отталкиваться при определении высокого или низкого ГИ продукта. Расклад такой: все, что выше 70 – высокий ГИ, ниже 55 – низкий.

Depositphotos

Углеводы делятся на группы с низким гликемическим индексом (сложные углеводы) и с высоким (простые углеводы). Первые всасываются и усваиваются медленно, а также медленно повышают уровень глюкозы в крови. При этом углеводы с высоким гликемическим индексом усваиваются быстро и так же быстро повышают содержание глюкозы в крови.

Подвох простых углеводов. Простые углеводы часто называют «быстрыми» — из-за скорости всасывания и повышения уровня глюкозы в крови. Они обладают высоким гликемическим индексом, а значит, легко и быстро усваиваются. Более того, при частом употреблении простые углеводы могут привести к набору лишнего веса, что в свою очередь повышает риск возникновения сахарного диабета.

В тему: Что такое сахарный диабет и как его избежать

Что такое «пустые калории»?

Простые углеводы иногда называют «пустыми калориями». Это означает, что простые углеводы не приносят никакой пользы организму. Они лишь снабжают человека энергией на непродолжительное время, не неся в себе никакого другого прока.

«Легкоусвояемые углеводы — это пустые калории. Они обладают энергетической ценностью, но иных характеристик, нужных организму, у них нет. Если для здоровых или относительно здоровых людей избыточное поступление калорий чревато набором массы тела, то пациентам, страдающим сахарным диабетом и не способным этот продукт правильно усваивать, он категорически противопоказан», — объясняет врач-эндокринолог Клиники лечебного питания ФГБУН «ФИЦ питания и биотехнологии», кандидат медицинских наук Юргита Вараева.

В тему: «Гормональный фон — это полная ерунда». Эндокринолог о диабете, гормонах, лишнем весе и спорте

Depositphotos

Обмен

Обмен углеводов в организме человека и высших животных складывается из нескольких процессов:

1. Гидролиз (расщепление) в желудочно-кишечном тракте полисахаридов и дисахаридов пищи до моносахаридов, с последующим всасыванием из просвета кишки в кровеносное русло.
2. Гликогеногенез (синтез) и гликогенолиз (распад) гликогена в тканях, в основном в печени.
3. Аэробный (пентозофосфатный путь окисления глюкозы или пентозный цикл) и анаэробный (без потребления кислорода) гликолиз — пути расщепления глюкозы в организме.
4. Взаимопревращение гексоз.
5. Аэробное окисление продукта гликолиза — пирувата (завершающая стадия углеводного обмена).
6. Глюконеогенез — синтез углеводов из неуглеводистого сырья (пировиноградная, молочная кислота, глицерин, аминокислоты и другие органические соединения).

Медленные углеводы

Медленные углеводы также называются сложными. Они включают 3 и больше молекул. Потому для этих веществ характерно медленное расщепление. Обычно они всасываются в кишечнике. К сложным углеводам относят декстрин, крахмал, целлюлозу, гликоген, глюкоманнан.

Употребление медленных углеводов способствует плавному поступлению глюкозы в организм человека. При этом не наблюдается пиков или скачков. Именно сложные углеводы насыщают человека на долгое время, поддерживают стабильное настроение и делают более уравновешенным.

Гликемический индекс таких продуктов находится в пределах 0-40.

К ним стоит отнести следующее:

• макароны из твердых сортов пшеницы;
• коричневый рис, ячмень, перловка, гречка, пшено;
• бобовые;
• фрукты – персики, апельсины, вишни, яблоки, груши;
• овощи и зелень – лук, шпинат, кабачки, перец, томаты, капуста;
• грибы.

Функции

Основная функция углеводов в клетке – превращение в энергию. АТФ (аденозинтрифосфат) – универсальный источник энергии – включает моносахарид рибозу. АТФ формируется в результате гликолиза – окисления и распада глюкозы на пируват (пировиноградную кислоту). Гликолиз проходит в несколько этапов. Углеводы полностью окисляются до углекислого газа и воды, при этом высвобождается энергия.

В таблице перечислены основные функции углеводов.

Некоторые углеводы образуют с липидами и белками сложные структуры – гликолипиды и гликопротеины. Они входят в состав клеточных мембран. Антитела, плазма крови, рецепторные белки – гликопротеины.

Что мы узнали?

Сахара – сложные органические соединения, необходимые всем живым организмам. Они состоят из одной или нескольких молекул, содержащих несколько карбонильных и гидроксильных групп. Углеводы выполняют важные биологические функции. Углеводы являются источником энергии, входят в состав клеточных стенок растений и грибов, составляют экзоскелет членистоногих. Они накапливаются в виде крахмала и гликогена, участвуют в передаче сигналов, регулируют осмотическое давление.

Тест по теме

1. Вопрос 1 из 10

   Что такое олигосахариды?

   • Углеводы, состоящие из одной молекулы
   • Углеводы, состоящие из двух молекул
   • Углеводы, состоящие из 2-10 молекул
   • Углеводы, состоящие из сотен и тысяч молекул

Начать тест(новая вкладка)

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.

Вторым важным фактором на этом этапе обмена углеводов выступает глюкагон. Этот гормон определяет, нужно ли печени работать с внутренними источниками или с внешними.

Именно внутренний гликоген инсулин и распределяет по клеткам в первое время (источник – учебник “Спортивная биохимия”, Михайлов).

Обмен

Обмен углеводов в организме человека и высших животных складывается из нескольких процессов:

1. Гидролиз (расщепление) в желудочно-кишечном тракте полисахаридов и дисахаридов пищи до моносахаридов, с последующим всасыванием из просвета кишки в кровеносное русло.
2. Гликогеногенез (синтез) и гликогенолиз (распад) гликогена в тканях, в основном в печени.
3. Аэробный (пентозофосфатный путь окисления глюкозы или пентозный цикл) и анаэробный (без потребления кислорода) гликолиз — пути расщепления глюкозы в организме.
4. Взаимопревращение гексоз.
5. Аэробное окисление продукта гликолиза — пирувата (завершающая стадия углеводного обмена).
6. Глюконеогенез — синтез углеводов из неуглеводистого сырья (пировиноградная, молочная кислота, глицерин, аминокислоты и другие органические соединения).

Простые углеводы

Для этих углеводов характерна простая структура. Благодаря этому они быстро усваиваются в организме. При недостатке физических нагрузок вещества повышают содержание сахара в крови. После этого он быстро падает, что провоцирует чувство голода. Неистраченные углеводы трансформируются в жировые отложения. При этом их недостаток вызывает усталость и повышенную сонливость.

Простые углеводы делятся на 2 категории – моносахариды и дисахариды.

К моносахаридам относятся:

• глюкоза — она входит в состав большинства фруктов и ягод. Также компонент присутствует в меде и зеленых фрагментах растений;
• фруктоза — это вещество присутствует в меде, ягодах, фруктах. Также оно входит в семена отдельных растений;
• галактоза — это единственный моносахарид, который имеет животное происхождение. Он входит в состав лактозы, или молочного сахара.

Наиболее значимыми для питания человека считаются дисахариды. В составе молекулы присутствует глюкоза. Вторым сахаром может быть фруктоза, галактоза или глюкоза.

Существуют такие виды дисахаридов:

• сахароза — она включает глюкозу и фруктозу. В эту категорию входит сахар из тростника или свеклы;
• мальтоза — вещество содержит 2 остатка глюкозы. Оно присутствует в солодковом сахаре;
• лактоза — элемент включает глюкозу и галактозу и содержится в молоке млекопитающих.

Список полезных продуктов, в которых присутствуют быстрые углеводы:

• картофель;
• тыква;
• кукуруза;
• ананас;
• банан;
• дыня;
• арбуз;
• белый рис;
• орехи;
• сухофрукты.

При этом есть вредные продукты, которые следует полностью исключить.

К ним относятся:

• выпечка из муки высшего сорта;
• конфеты;
• сладкие газированные напитки;
• снеки;
• спиртные напитки;
• торты, вафли, печенье.

В каких продуктах содержатся углеводы

Таблица углеводов даст возможность понять, какое количество вещества содержат продукты, которые человек употребляет в пищу.

Продукты, богатые углеводами

Молочные

Орехи, семечки

Фрукты, овощи

Знание, где содержатся углеводы, какова их массовая доля, поможет избежать значительного и быстрого скачка глюкозы в крови, приобретения лишних калорий.

Не менее важную роль играет умение различать, в каких продуктах содержатся быстроусвояемые и медленные углеводные вещества. Простые углеводы – это какие продукты? Это продукты с высоким содержанием моносахаридов. Для человека пользу представляют продукты, включающие сложные углеводные соединения.

Углеводы и физическая активность

Физическая активность резко увеличивает расход энергии, и любой спортсмен, независимо от типа тренировок, должен продумывать стратегию относительно наилучшего обеспечения своих потребностей в энергии для того, чтобы достичь успеха в своей области.

Для занимающихся спортом людей крайне важно получать достаточное количество энергии для обеспечения всех потребностей тела, включая поддержание тканей в здоровом состоянии, рост и восстановление тканей и непосредственные энергетические затраты на физическую активность. Практически все опросы, проведенные среди атлетов, показали, что они потребляют недостаточно энергии для обеспечения нужд их организма

Можно взглянуть на это так: планируя длительную автомобильную поездку в 500 км, на заправочной станции вы заливаете топливо, которого хватит только на 80 км пути — машина попросту не доедет до места назначения; так и плохо «заправленные» спортсмены тоже будут испытывать трудности и не смогут быть достаточно конкурентоспособными. Общеизвестно что спортсменам следует потреблять достаточное количество углеводов для того, чтобы перекрывать большую часть расхода энергии при физических нагрузках, и дополнительно съедать количество углеводов необходимое для восстановления запасов гликогена в перерывах между тренировками.

В идеале, они следует преимущественно питаться сложными углеводами и потреблять простые углеводы во время и сразу после тренировки. Другие источники энергии (белки и жиры) так же должны присутствовать в рационе для того, чтобы полностью обеспечить все потребности организма в питательных веществах, но основным энергоресурсом должны быть все-таки углеводы. При занятиях спортом, без четко продуманного подхода к рациону, очень сложно получить достаточное количество энергии и углеводов. Не стоит забывать, что тренировки идут рука об руку с грамотным планированием питания.

Сложные углеводы

Если моносахариды в чистом виде редко встречаются в природе, то полисахариды составляют основную массу пищи человека и животных. Они могут состоять из десятков сотен мономеров.

Химики различают эти вещества по общему принципу строения. Среди них различают:

1. Гомополисахариды — это вещества, содержащие однотипные моносахариды.
2. Гетеросахариды — состоят из разных и по строению, и по функции сахаров. В группу гомополисахоридов входят известные мономеры.

К органическим гомополисахаридам растительного происхождения относятся:

• крахмал;
• целлюлоза;
• пектиновые вещества.

К органическим соединениям животного происхождения:

• гликоген;
• хитин.

Особенности метаболизма по ГН

Однако даже продукты с высоким гликемическим индексом не способны нарушить обмен и функции углеводов так, как это делает гликемическая нагрузка. 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:

Пространственная изомерия

Основная статья: Изомерия

Изомерия (от др.-греч. ἴσος — равный, и μέρος — доля, часть) — существование химических соединений (изомеров), одинаковых по составу и молекулярной массе, различающихся по строению или расположению атомов в пространстве и, вследствие этого, по свойствам.

Стереоизомерия моносахаридов: изомер глицеральдегида у которого при проецировании модели на плоскость ОН-группа у асимметричного атома углерода расположена с правой стороны принято считать D-глицеральдегидом, а зеркальное отражение — L-глицеральдегидом. Все изомеры моносахаридов делятся на D- и L- формы по сходству расположения ОН-группы у последнего асимметричного атома углерода возле СН₂ОН-группы (кетозы содержат на один асимметричный атом углерода меньше, чем альдозы с тем же числом атомов углерода). Природные гексозы — глюкоза, фруктоза, манноза и галактоза — по стереохимической конфигурациям относят к соединениям D-ряда.

Связь с липидами

При отсутствии нагрузок энергию организм берет из углеводов, а при напряженной физической работе и занятиях спортом начинают интенсивно окисляться жиры (липиды) и продукты их распада. Иногда до 80 % высвобожденной энергии берется именно из жиров. При голодании липиды становятся источником углеводов.

Новомодные диеты Дюкана и Аткинса ограничивают прием углеводной пищи. Суть их заключается в следующем: организм перестраивается с углеводного обмена веществ на жировой. При этом в первые недели ощутимо теряется вес, но не за счет расщепления жиров, как утверждают авторы диет. Вес снижается из-за уходящей жидкости, которую ранее сдерживали в организме углеводные вещества.

Чем же опасны эти диеты? Их сходством является упоминание о кетозе, то есть при отсутствии сахаридов организм начинает расщеплять жиры для получения энергии.

К тому же тело приверженца диет Дюкана и Аткинса издает запах ацетона, что тоже не очень эстетично.

Исследования на разных группах людей показали, что худеть можно, не только сидя на модных диетах и нанося вред своему здоровью. Необходимо критически воспринимать любую информацию и соотносить ее к своим предпочтениям. Нужно выстроить сбалансированное питание, состоящее из углеводов, белков, жиров, витаминов и минеральных веществ. Образуемые калории должны расходоваться на энергетические процессы организма, а не откладываться про запас. Кроме того, надо чаще бывать на свежем воздухе, заниматься спортом, вести здоровый образ жизни.

Видео раскрывает суть диеты Аткинса.

Физико-химические свойства

Почему не все углеводы идут на обеспечение организма энергией, а некоторое их количество накапливается в подкожной жировой клетчатке? Чтобы это понять, нужно разобраться в процессах, происходящих после попадания простых и сложных углеводов в желудочно-кишечный тракт.

Организм усваивает углеводы лишь в виде моносахаридов. Поэтому съедаемые быстрые углеводы сразу всасываются в кровь и разносятся к органам и тканям. Происходит их скорое окисление и переваривание. Съеденные моносахариды не дают чувство насыщения.

Когда в организм попадают простые углеводы, происходят следующие процессы:

1. Моментальное всасывание в кровь и повышение концентрации глюкозы.
2. Выделение инсулина для понижения уровня глюкозы.
3. Преобразование части глюкозы в жир, ибо в данный момент избыток энергии организму не требуется.
4. Результат: организм накапливает лишние килограммы.

Для здорового образа жизни пищу, которая содержит быстрые углеводы, рекомендуется употреблять как можно реже, или полностью отказаться от нее.

Сложные углеводы перерабатываются постепенно, поэтому их усвоение происходит медленнее, а организм надолго получает чувство насыщения:

1. Медленное расщепление и всасывание в кровь.
2. Поддержание стабильного уровня глюкозы в крови без резких перепадов концентрации.
3. Результат: организм использует полученные углеводы только в виде полезных калорий.

Многие, желая снизить вес, начинают усиленно заниматься спортом. Начинающие спортсмены-любители сталкиваются с неприятным ощущением боли в мышцах, под названием крепатура. Это явление имеет непосредственное отношение к моносахариду глюкозе, которая расщепляется в мышцах при физических нагрузках. В идеале глюкоза должна окисляться до углекислого газа и воды. Но при усиленных нагрузках глюкозе не хватает кислорода, и происходит неполное окисление — до молочной кислоты, которая накапливается в мышцах, создавая неприятные болевые ощущения. Через пару дней молочная кислота рассосется, и боль пройдет. Но чтобы такого не наблюдалось вообще, необходимо начинать занятия спортом, постепенно увеличивая нагрузки, чтобы мышцы не перенапрягались. После тренировок рекомендуется делать растяжки на те группы мышц, которые были наиболее задействованы, а также принимать горячие ванны для скорейшего выведения молочной кислоты из мышц.

Видео о причинах крепатуры и способах избавления от нее.