Углеводы - это органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Термин «сахара» (сахариды) часто используется как синоним углеводов. Углеводы делятся на 4 группы в зависимости от количества мономерных звеньев - моносахаридов, дисахаридов, олигосахаридов и полисахаридов. Углеводы выполняют различные функции в живых организмах. Полисахариды также служат компонентами накопления энергии (например, целлюлоза в растениях и хитин у членистоногих). Источниками углеводов для человека служат фрукты, сладости, напитки, хлеб, макароны, картофель, рис, цельные зерна, бобовые и многое другое. Углеводы являются основным источником энергии для живых организмов.
Углеводный обмен
Углеводы являются наиболее важным источником энергии для организма, на которые приходится 50-60% от общего расхода энергии. Они также участвуют в создании гликопротеинов и гликолипидов, которые выполняют важные регуляторные функции в организме.
Основными группами углеводов, которые принимаются с пищей, являются:
- полисахариды - крахмал в растительных продуктах, гликоген в животных и т.д.;
- дисахариды - сахароза и лактоза;
- моносахарид - фруктоза.
Они перевариваются в пищеварительной системе до D-изомеров моносахаридов глюкозы, фруктозы и галактозы. Глюкоза и галактоза абсорбируются через эпителий тонкой кишки за счет вторично-активного транспорта, а фруктоза - за счет облегченной диффузии. Как только они попадают в кровообращение, они достигают всех клеток в организме. Поступление глюкозы из внеклеточной среды в клетки происходит путем облегченной диффузии из-за наличия значительного градиента концентрации. Глюкоза больше электролитов и гидрофильна. По этой причине она может проходить через мембраны тканей и клеток.
Попав в клетки, глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат с помощью фермента гексокиназы, а в печени - с помощью глюкозо-киназы. Ферментативное действие глюкокиназы характеризуется увеличением эффективности подъема концентрации глюкозы от 5 до 10 ммоль / л. Инсулин стимулирует экспрессию глюкокиназы, а длительное голодание и диабет оказывают противоположное действие - эти условия приводят к снижению выработки ферментов.
Глюкозо-6-фосфат также получают путем разрушения собственных запасов гликогена.
Наибольшее количество гликогена находится в печени. Гликогенолиз регулируется соотношением анаболических и катаболических гормонов или, другими словами, соотношением инсулина к адреналину и глюкагону. Под влиянием глюкагона и адреналина в печени активируется аденилатциклаза и стимулируется образование циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). В результате фермент фосфорилаза В превращается в свою активную форму, фосфорилазу А, которая стимулирует расщепление гликогена. Влияние инсулина на гликогенолиз противоположное.
Гликоген расщепляется до глюкозо-1-фосфата, который превращается в глюкозо-6-фосфат. Полученный глюкозо-6-фосфат может быть направлен либо на деградацию, либо на синтез. Из-за присутствия фермента глюкозо-6-фосфатазы в клетке печени, при необходимости, глюкозо-6-фосфат может быть источником глюкозы для кровообращения, тем самым буферизуя уровень глюкозы в плазме.
Катаболические процессы углеводов
Гликолиз является основным катаболическим путем расщепления глюкозы. Это ряд цитоплазматических реакций, в которых глюкоза разлагается до пирувата, сопровождающихся синтезом и высвобождением АТФ. Гликолиз - самый древний механизм извлечения энергии из органического вещества. Это катаболическая цепь из десяти реакций, в которых одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пирувата, сопровождающиеся синтезом 2 молекул АТФ и восстановлением 2 молекул никотинамидадениндинуклеотида (НАД + до НАДН). Получающийся в результате пируват входит в цикл трикарбоновых кислот, который является общим конечным путем катаболизма углеводов, жиров и белков. Во время цикла Кребса образуются 2 молекулы углекислого газа, четыре пары атомов H переносятся в дыхательную цепь в митохондриях и окисляются до 4 молекул воды путем окислительного фосфорилирования, что оптимально дает 36-38 молекул АТФ. Цикл Кребса гораздо более эффективен для обмена энергией в организме, но это возможно только в аэробных условиях.
В организме есть еще один дополнительный путь расщепления глюкозы. Это пентозофосфатный маршрут или маршрут Эмбден-Майерхофа. 30% всасывания глюкозы в печени и жировых клетках происходит таким образом. Образуются восстановительные элементы, необходимые для липогенеза. Также образуются пентозы, которые нужны для синтеза нуклеотидов.
Анаболические процессы углеводов
Анаболические процессы в углеводном обмене включают синтез гликогена (гликогенез), который осуществляется в клетках печени и мышц. Этот процесс контролируется инсулином, который стимулирует комплекс ферментов гликогенсинтазы. Глюкоза может синтезироваться в небольшой степени и в почках трикарбонатных предшественников пирувата, лактата и глицерина и частично из углеводородного скелета аминокислот. Этот процесс называется глюконеогенез и стимулируется несколькими гормонами - глюкокортикоидами, глюкагоном и тиреоидными гормонами.
Поддержание уровня глюкозы в крови
В физиологических условиях концентрация глюкозы в крови в организме поддерживается на уровне 3,9–6,1 ммоль / л, что обусловлено наличием стабильной и тонкой системы гормональных механизмов. Понижение уровня сахара в крови ниже определеного предела называется гипогликемией, а повышение - гипергликемией.
Механизмы поддержания уровня глюкозы в крови:
- адекватное потребление углеводов с пищей - это важный гомеостатический фактор;
- функция глюкозы печени - благодаря ферменту глюкозо-6-фосфатазы печень может обеспечить плазму необходимым количеством глюкозы (когда уровни глюкозы в крови снижаются, первоначально увеличивается деструкция гликогена, и после истощения его запасов активируются ферменты глюконеогенеза в печени и почках и запускается производство глюкозы из неуглеводных источников);
- гормональные механизмы - единственным гормоном, который снижает уровень сахара в крови, является инсулин.
Основными гормонами, которые противодействуют ему, являются глюкагон, адреналин, кортизол, гормон роста и гормоны щитовидной железы. Как видите, количество гормонов, противодействующих инсулину, очень велико. Это связано с тем, что нейроны чрезвычайно чувствительны к гипогликемии и снижению уровня сахара в крови ниже 2,3 ммоль / л, что приводит к коме и падению ниже 1 ммоль / л к смерти мозга. Вещества, которые противодействуют гипогликемии, включены в другую последовательность. Самое раннее изменение - снижение секреции инсулина. Секреция адреналина и глюкагона затем увеличивается. По мере углубления гипогликемии увеличивается симпатоадреналовый ответ, повышается секреция кортизола и гормона роста.
Поддержание уровня глюкозы в крови связано с одновременным вовлечением многих сложных нервно-рефлекторных и гормональных механизмов. В гипоталамусе находятся нейроны, которые активируются концентрацией глюкозы, а также нейроны, которые им ингибируются. Эти нейроны играют роль глюкорецепторов и в условиях гипогликемии важны для нормализации концентрации глюкозы в плазме.
