Обмен углеводов 2 (стр. 1 из 6)
План
1. Химический состав и биологическая роль углеводов
2. Характеристика классов углеводов
3. Обмен углеводов в организме человека
4. Расщепление углеводов в процессе пищеварения и их всасывание в кровь
5. Уровень глюкозы в крови и его регуляция
6. Внутриклеточный обмен углеводов
7. Обмен углеводов при мышечной деятельности
1. Химический состав и биологическая роль углеводов
Углеводы — главные энергетические субстраты для ресинтеза АТФ при интенсивных и длительных физических нагрузках. От их содержания в скелетных мышцах и печени зависит физическая работоспособность, развитие процессов утомления. Углеводы занимают важное место в питании спортсменов, поскольку должны постоянно поступать в организм. Рассмотрим строение и функции отдельных классов углеводов, их внутритканевой обмен и влияние на энергетику мышечной деятельности.
Углеводы — это класс органических веществ, в состав которых входят атомы углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О) в соотношении 1:2:1. Общая формула углеводов — СnН2nОn или (СН2О)n, где n — 3—9 атомов углерода. Согласно Международной классификации, углеводы называются глицидами, однако такое название употребляется редко. В состав отдельных углеводов могут входить и другие химические элементы, например азот, сера, фосфор.
По химическому строению углеводы являются альдегидоспиртами (альдозы) или кетоспиртами (кетозы). Альдозы содержат одну альдегидную функциональную группу
О
-С-Н
при первом углеродном атоме и несколько гидроксильных групп (-ОН) при других атомах углерода. Кетозы содержат одну кетогруппу
О
--С---
при втором углеродном атоме и гидроксильные группы. Примером альдоз является глюкоза, а кетоз — фруктоза.
Содержание углеводов в организме человека относительно небольшое и составляет до 2—3 % общей массы тела. Они откладываются в виде гликогена в печени (от 5 до 10 % общей массы), скелетных мышцах (1—3 %) и сердце (до 0,5 %). Запасы гликогена в организме взрослого человека с массой тела 70 кг составляют в среднем 500 г. Кроме гликогена, в организме присутствует свободная глюкоза, содержание которой в крови относительно невелико — около 5 г. В углеводах запасается примерно 2000 ккал энергии, за счет которой организм может физически интенсивно работать в течение 30 мин — 1 ч, а не интенсивно — в течение нескольких часов (до 12).
В организме человека углеводы синтезируются только в незначительном количестве в процессе глюконеогенеза, поэтому основное их количество поступает в организм с продуктами питания. Углеводы находятся преимущественно в продуктах растительного происхождения, так как их первичный синтез осуществляется в зеленых растениях в процессе фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О -----------------С6Н12О6 + 6О2
Хлорофилл
В отдельных растениях, например в злаках, содержание углеводов достигает 80 % их сухой массы. Суточная потребность человека в углеводах составляет 300—400 г, а спортсменов — 400—700 г.
В организме человека углеводы выполняют следующие биологические функции: энергетическую, пластическую, питательную, специфическую, защитную, регуляторную.
• Энергетическая. При распаде углеводов высвобождаемая энергия рассеивается в виде тепла или накапливается в молекулах АТФ. Углеводы обеспечивают около 50—60 % суточного энергопотребления организма, а при мышечной деятельности на выносливость — до 70 %. При окислении 1 г углеводов выделяется 17 кДж энергии (4,1 ккал). В качестве основного энергетического источника в организме используется свободная глюкоза или запасенные углеводы в виде гликогена.
• Пластическая. Углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для построения АТФ, АДФ и других нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот. Они входят в состав некоторых ферментов. Отдельные углеводы являются структурными компонентами клеточных мембран. Продукты превращения глюкозы (глюкуроновая кислота, глюкозамин и др.) входят в состав полисахаридов и сложных белков хрящевой и других тканей.
• Запас питательных веществ. Углеводы накапливаются (запасаются) в скелетных мышцах, печени и других тканях в виде гликогена. Запасы гликогена зависят от массы тела, функционального состояния организма, характера питания. При мышечной деятельности запасы гликогена существенно снижаются, а в период отдыха после работы восстанавливаются в основном за счет продуктов питания. Систематическая мышечная деятельность приводит к увеличению запасов гликогена, что повышает энергетические возможности организма.
• Специфическая. Отдельные углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, выполняют роль антикоагулянтов, являются рецепторами ряда гормонов или фармакологических веществ, оказывают противоопухолевое действие.
• Защитная. Сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды находятся в слизистых веществах, которые покрывают поверхность сосудов носа, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения бактерий и вирусов, а также от механических повреждений.
• Регуляторная. Клетчатка пищи не расщепляется в кишечнике, но активирует перистальтику кишечника, ферменты пищеварительного тракта, улучшает пищеварение, усвоение питательных веществ.
2. Характеристика классов углеводов
В зависимости от сложности строения молекул углеводы классифицируются на три основных класса: моносахариды, олисахариды (в основном дисахариды) и полисахариды. Общая характеристика их представлена в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
Классы углеводов и их основные характеристики
Полисахариды (С6Н10О5) | Простые | Образованные двумя моносахаридами | Образованные многими моносахаридами |
| Основные представители | ||
| Глюкоза и фруктоза (С6) | Сахароза | Крахмал и клетчатка в растениях |
| Рибоза и дезоксирибоза (С5) | Мальтоза | Гликоген в тканях человека и животных |
| Глицериновый альдегид и диоксиацетон (С3) | Лактоза | Гиалуроновая кислота Гепарин |
Моносахариды
К моносахаридам относятся простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые молекулы. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахариды делятся на триозы (С3Н6О3), тетрозы (С4Н8О4), пентозы (С5Н10О5), гексозы (С6Н12О6) и гептозы (С7Н14О7). Другие моносахариды в природе не встречаются, но могут быть получены синтетически.
Наиболее важную роль в организме человека выполняют представители гексоз — глюкоза и фруктоза, пентоз — рибоза и дезоксирибоза и триоз — глицериновый альдегид и диоксиацетон.
Глюкоза и фруктоза. Это основные энергетические субстраты организма человека. Они имеют одинаковый молекулярный состав (С6Н12О6), но разную структуру молекулы, так как различаются наличием функциональных групп. Глюкоза содержит альдегидную группу, а фруктоза — кетогруппу, т. е. они являются изомерами по положению карбонильной группы
О
--С---
Альдегидная группа
| С | Н-С-ОН |
| Н- С-ОН | С=О Кетогруппа |
| НО- С-Н | НО-С-Н |
| Н- С-ОН | Н-С-ОН |
| Н- С-ОН | Н-С-ОН |
| Н- С-ОН | Н-С-ОН |
Глюкоза Фруктоза
Для моносахаридов характерна также пространственная изомерия, или стереоизомерия, поскольку они содержат асимметрические атомы углерода (отмечены *), которые связаны с четырьмя различными атомами или группами атомов. Выделяют D-форму и L-форму изомеров глюкозы и других моносахаридов. В них гидроксильная группа при четвертом атоме углерода занимает разное пространственное положение:
| С | Н-С-ОН |
| Н- С-ОН | С=О Кетогруппа |
| НО- С-Н | НО-С-Н |
| Н- С-ОН | Н-С-ОН |
| Н- С-ОН | Н-С-ОН |
| Н- С-ОН | Н-С-ОН |
| D-глюкоза | L-глюкоза |
Организм человека может усваивать только D-форму моносахаридов, в то время как аминокислоты используются организмом только в виде L-изо-меров. Внутритканевые ферменты способны различать оптические изомеры веществ. Стереоизомерами глюкозы являются галактоза и манноза:
| Н | Н | Н |
| С=О | С=О | С=О |
| Н---С---ОН | Н--С—ОН | НО-С-Н |
| НО-С---Н | НО--С—Н | НО--С-Н |
| Н---С---ОН | НО-С—Н | Н---С-ОН |
| Н---С---ОН | Н--С-ОН | Н---С-ОН |
| Н---С---ОН | Н--С-ОН | Н---С-ОН |
| Н | Н | Н |
| Глюкоза | Галактоза | Манноза |
Галактоза входит в состав лактозы — основного дисахарида молока. В печени она под действием ферментов может превращаться в глюкозу.
В водной среде глюкоза и фруктоза находятся в основном в циклической форме. Циклизация молекулы происходит за счет внутримолекулярного взаимодействия альдегидной группы в молекуле глюкозы или кетогруппой в молекуле фруктозы с одной гидроксильной группой этого же моносахарида:
Циклические формы моносахаридов приобретают биологически реактивную гидроксильную группу при С1- или С2- атоме углерода, которая называется гликозидным гидроксилом. Она играет важную роль в химических превращениях этих моносахаридов, в частности участвует в образовании ди- и полисахаридов, фосфорных эфиров. Так, глюкоза участвует в мене веществ и энергии в виде фосфорного эфира глюкозо-1-фосфат, пускающего процесс распада глюкозы и синтеза полисахаридов. Для моносахаридов характерно образование и других фосфорных эфиров: глюкозо-6-фосфата, фруктозо-1,6-фосфата, фруктозо-1,6-дифосфата:
