Уравнения реакций превращение углеводов в организме

Мир психологии

психология для всех и каждого

Обмен веществ и энергии в организме. Часть 4.

Обмен углеводов. Строение и значение углеводов.

Углеводами называют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Углеводы можно представить формулой C_mH_2nO_n.

Углеводы выполняют в организме человека различные функции. Они являются основным энергетическим материалом. Потребность организма взрослого человека в энергии удовлетворяется главным образом за счет распада углеводов.

Входя в состав различных субклеточных структур, участвуя в формировании клеточных мембран, углеводы выполняют пластическую функцию. Углеводы входят в состав РНК и ДНК, имея тем самым непосредственное отношение к процессам синтеза белка. Некоторые углеводы (гиалуроновая кислота), входя в состав межклеточного вещества, регулируют распределение воды, солей и различных органических соединений между внутренней и внешней средой клетки. Гепарин, образующийся в печени, препятствует свертыванию крови. Многие гормоны, иммунные тела являются гликопротеидами.

Различают простые углеводы, которые называют моносахаридами или монозами, и сложные, которые подразделяются на олигосахариды и полисахариды, или полиозы. Из моносахаридов особо большое значение имеют глюкоза (виноградный сахар); галактоза, фруктоза (фруктовый сахар), манноза и рибоза. Четыре первые монозы имеют формулу C₆H₁₂O₆. Рибоза относится к пентозам, которые содержат пять углеродных атомов, и ее формула C₅H₁₀O₅. Все монозы входят в состав сложных углеводов, иногда они образуют комплексы с белками. Некоторые из них встречаются в свободном виде. Так, фруктоза входит в состав меда, глюкоза встречается в свободном состоянии во фруктах, в меде.

Олигосахаридами называют углеводы, состоящие из небольшого числа остатков моносахаридов (до 9). Если олигосахарид состоит из остатков двух моноз, его называют дисахаридом. Различают следующие виды дисахаридов: солодовый — мальтоза, молочный — лактоза и тростниковый или свекловичный — сахароза. Их формула C₁₂H₂₂O₁₁. Солодовый сахар при гидролизе дает две молекулы глюкозы, молочный — глюкозу и галактозу, а сахароза — глюкозу и фруктозу.

Полисахариды содержат сотни и тысячи остатков моноз. Наибольшее значение из полисахаридов имеют крахмал, гликоген и клетчатка. Их состав отражается в формуле (C₆H₁₀O₅)_n. Крахмал — главный запасный полисахарид у растений, гликоген — у животных, в связи с чем его называют еще животным крахмалом. Клетчатка — главный структурный компонент растений. Молекулярная масса полисахаридов велика. Так, гликоген печени состоит из 30 000 остатков глюкозы. Молекула его образует длинные разветвленные цепи, напоминающие форму куста. Молекулярная масса его может достигать 50×10 6 .

Превращения углеводов в организме.

В растительных организмах синтез углеводов осуществляется путем восстановления углекислого газа атмосферы. Большинство животных организмов используют готовые органические соединения, относящиеся к группе углеводов. Последние в пищеварительном тракте расщепляются до моноз, которые, всасываясь в тонком кишечнике, с током крови приносятся к печени. В ней происходит синтез гликогена, для которого печень является депо. Избыток глюкозы поступает в общий круг кровообращения и разносится по всему организму. По мере надобности глюкоза «извлекается» из крови различные клетками организма, в которых осуществляются ее дальнейшие превращения: синтез гликогена (например в мышцах) и распад как гликогена, так и глюкозы. Распад углеводов может протекать в анаэробных условиях, т.е. при отсутствии кислорода или при малом его количестве, и в аэробных, т.е. при наличии кислорода. Процесс распада гликогена в анаэробных условиях получил название гликогенолиза, а глюкозы — гликолиза. При аэробном и анаэробном распаде процесс идет одинаково до стадии образования пировиноградной кислоты. При анаэробных условиях она превращается в молочную кислоту и процесс распада углеводов на этом заканчивается. Молочная кислота, следовательно, в этом случае является конечным продуктом углеводного обмена. При аэробном обмене конечными продуктами обмена углеводов являются CO₂ и H₂O.

Если меняются условия и в ткани начинает поступать кислород, то 1/5-1/6 всего количества молочной кислоты, возникшей вследствие гликогенолиза, после ряда превращений также дает CO₂ и H₂O. Освобождающаяся при этом энергия идет на ресинтез гликогена из оставшихся 4/5-5/6 молочной кислоты, не подвергшейся распаду.

Для распада моносахаридов обязательным является их предварительное фосфорилирование — присоединение остатка фосфорной кислоты, которая переносится с АТФ. После фосфорилирования глюкоза подвергается многочисленным превращениям, в процессе которых выделяется энергия, используемая для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. При гликолизе чистый выход АТФ составляет 2 молекулы на 1 молекулу глюкозы.

При аэробном распаде образуется значительно большее число молекул АТФ. Известно, что АТФ относится к числу макроэргических фосфатов, для которых характерно наличие макроэргических связей. Последними называют связи, при разрыве которых образуется большое количество энергии. АТФ дает 37 800 кдж/моль. Процесс образования АТФ из АДФ и неорганического фосфата, активируемого за счет энергии при окислении органических соединений, называют окислительным фосфорилированием. Он протекает в митохондриях, в их элементарных частицах — гранулах, расположенных на кристах. Каждая гранула вместе с прилежащим участком мембраны митохондрии составляет «систему сопряжения», которая осуществляет всю серию метаболических реакций, связанных с образованием макроэргических связей АТФ. Следовательно, каждая гранула имеет полный набор ферментов, необходимых для этих реакций. Ферменты расположены в определенном порядке, что обеспечивает строгую последовательность протекания реакций, в результате которых пополняется и запасается в организме энергия в виде макроэргических связей АТФ. Энергия, аккумулированная в макроэргических связях АТФ, может быть использована клетками. Отсюда понятно, что в энергетическом отношении для организма более выгоден аэробный путь расщепления углеводов, при котором образуется большее количество молекул АТФ. Анаэробный путь распада углеводов приобретает для организма особое значение, когда по той или иной причине имеет место недостаточное снабжение тканей кислородом.

Что представляет из себя углеводный обмен в организме?

В правильном питании и распределении баланса нутриентов 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 (источник – учебник “Биологическая химия”, Северин).

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

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 гликоген, 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 (источник – “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 гликемическом индексе, 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:

© IrinaPotter — depositphotos.com. Гликемический индекс продуктов

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:

© designer491 — depositphotos.com. Расчет гликемической нагрузки

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.

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

Под воздействием глюкагона печень выпускает готовый гликоген (не распавшийся), который был получен из внутренних клеток, и начинает собирать из глюкозы новый гликоген.

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

© VectorMine — depositphotos.com. Регуляция уровня сахара в крови

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.

Рецепты для здорового питания

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).

Эксперт проекта. диагностика, лечение, первичная, вторичная профилактика заболеваний почек, суставов, сердечно-сосудистой системы; дифференциальная диагностика заболеваний различных органов и систем; рекомендации по диетическому питанию, физическим нагрузкам, лечебной физкультуре, подбор индивидуальной схемы питания.

Углеводы

Теория по теме Углеводы. Краткие конспект по углеводам. Классификация углеводов, химические свойства углеводов, способы получения углеводов. Свойства и получение моносахаридов (глюкоза, фруктоза), олигосахаридов (сахароза и др.), полисахаридов.

Исключение составляет дезоксирибоза, которая имеют формулу С₅Н₁₀O₄ (на один атом кислорода меньше, чем рибоза).

Классификация углеводов

По числу структурных звеньев

• Моносахариды — содержат одно структурное звено.
• Олигосахариды — содержат от 2 до 10 структурных звеньев (дисахариды, трисахариды и др.).
• Полисахариды — содержат n структурных звеньев.

Некоторые важнейшие углеводы:

По числу атомов углерода в молекуле

• Пентозы — содержат 5 атомов углерода.
• Гексозы — содержат 6 атомов углерода.
• И т.д.

По размеру кольца в циклической форме молекулы

• Пиранозы — образуют шестичленное кольцо.
• Фуранозы — содержат пятичленное кольцо.

Химические свойства, общие для всех углеводов

1. Горение

Все углеводы горят до углекислого газа и воды.

2. Взаимодействие с концентрированной серной кислотой

Концентрированная серная кислота отнимает воду от углеводов, при этом образуется углерод С («обугливание») и вода.

Моносахариды

Моносахариды являются структурными звеньями олигосахаридов и полисахаридов.

Важнейшие моносахариды

Название и формула	Глюкоза C6H12O6	Фруктоза C6H12O6	Рибоза C5H10O5
Структурная формула
Классификация	гексоза альдоза в циклической форме – пираноза	гексоза кетоза в циклической форме — фураноза	пентоза альдоза в циклической форме – фураноза

Глюкоза

Глюкоза – это альдегидоспирт (альдоза).

Она содержит шесть атомов углерода, одну альдегидную и пять гидроксогрупп.

Глюкоза существует в растворах не только в виде линейной, но и циклических формах (альфа и бета), которые являются пиранозными (содержат шесть звеньев):

α-глюкоза	β-глюкоза

Химические свойства глюкозы

Водный раствор глюкозы

В водном растворе глюкозы существует динамическое равновесие между двумя циклическими формами — α и β и линейной формой:

Качественная реакция на многоатомные спирты: реакция со свежеосажденным гидроксидом меди (II)

При взаимодействии свежеосажденного гидроксида меди (II) с глюкозой (и другими моносахаридами происходит растворение гидроксида с образованием комплекса синего цвета.

Реакции на карбонильную группу — CH=O

Глюкоза проявляет свойства, характерные для альдегидов.

• Реакция «серебряного зеркала»

• Реакция с гидроксидом меди (II) при нагревании. При взаимодействии глюкозы с гидроксидом меди (II) выпадает красно-кирпичный осадок оксида меди (I):

• Окисление бромной водой. При окислении глюкозы бромной водой образуется глюконовая кислота:

• Также глюкозу можно окислить хлором, бертолетовой солью, азотной кислотой.

• Каталитическое гидрирование. При взаимодействии глюкозы с водородом происходит восстановление карбонильной группы до спиртового гидроксила, образуется шестиатомный спирт – сорбит:

• Брожение глюкозы. Брожение — это биохимический процесс, основанный на окислительно-восстановительных превращениях органических соединений в анаэробных условиях.

Спиртовое брожение. При спиртовом брожении глюкозы образуются спирт и углекислый газ:

Молочнокислое брожение. При молочнокислом брожении глюкозы образуется молочная кислота:

Маслянокислое брожение. При маслянокислом брожении глюкозы образуется масляная кислота (внезапно):

• Образование эфиров глюкозы (характерно для циклической формы глюкозы).

Глюкоза способна образовывать простые и сложные эфиры.

Наиболее легко происходит замещение полуацетального (гликозидного) гидроксила.

Например, α-D-глюкоза взаимодействует с метанолом.

При этом образуется монометиловый эфир глюкозы (α-O-метил-D-глюкозид):

В более жестких условиях (например, с CH₃-I) возможно алкилирование и по другим оставшимся гидроксильным группам.

Моносахариды способны образовывать сложные эфиры как с минеральными, так и с карбоновыми кислотами.

Получение глюкозы

Гидролиз крахмала

В присутствии кислот крахмал гидролизуется:

Синтез из формальдегида

Реакция была впервые изучена А.М. Бутлеровым. Синтез проходит в присутствии гидроксида кальция:

Фотосинтез

В растениях углеводы образуются в результате реакции фотосинтеза из CO₂ и Н₂О:

Фруктоза

Она содержит шесть атомов углерода, одну кетоновую группу и пять гидроксогрупп.

Фруктоза	α-D-фруктоза	β-D-фруктоза

Фруктоза – кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, более сладкое, чем глюкоза.

В свободном виде содержится в мёде и фруктах.

Химические свойства фруктозы связаны с наличием кетонной и пяти гидроксильных групп.

При гидрировании фруктозы также получается сорбит.

Дисахариды

Сахароза (свекловичный или тростниковый сахар) С₁₂Н₂₂О₁₁

Молекула сахарозы состоит из остатков α-глюкозы и β-фруктозы, соединенных друг с другом:

В молекуле сахарозы гликозидный атом углерода глюкозы связан из-за образования кислородного мостика с фруктозой, поэтому сахароза не образует открытую (альдегидную) форму.

Сахароза подвергается гидролизу подкисленной водой. При этом образуются глюкоза и фруктоза:

Мальтоза С₁₂Н₂₂О₁₁

Это дисахарид, состоящий из двух остатков α-глюкозы, она является промежуточным веществом при гидролизе крахмала.

При гидролизе мальтозы образуется глюкоза.

Полисахариды

Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы.

Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу: (C₆H₁₀O₅)_n, но совершенно различные свойства.

Это объясняется особенностями их пространственного строения.

Крахмал состоит из остатков α-глюкозы, а целлюлоза – из β-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы:

Крахмал

Крахмалом называется полисахарид, построенный из остатков циклической α-глюкозы.

В его состав входят:

• амилоза (внутренняя часть крахмального зерна) – 10-20%
• амилопектин (оболочка крахмального зерна) – 80-90%

Цепь амилозы включает 200 — 1000 остатков α-глюкозы (средняя молекулярная масса 160 000) и имеет неразветвленное строение.

Амилопектин имеет разветвленное строение и гораздо большую молекулярную массу, чем амилоза.

Свойства крахмала

• Гидролиз крахмала: при кипячении в кислой среде крахмал последовательно гидролизуется:

• Крахмал не дает реакцию “серебряного зеркала” и не восстанавливает гидроксид меди (II).

• Качественная реакция на крахмал: синее окрашивание с раствором йода.

Целлюлоза

Целлюлоза (клетчатка) – наиболее распространенный растительный полисахарид. Цепи целлюлозы построены из остатков β-глюкозы и имеют линейное строение.

Свойства целлюлозы

• Образование сложных эфиров с азотной и уксусной кислотами.

Нитрование целлюлозы.

Так как в звене целлюлозы содержится 3 гидроксильные группы, то при нитровании целлюлозы избытком азотной кислоты возможно образование тринитрата целлюлозы, взрывчатого вещества пироксилина:

Ацилирование целлюлозы.

При действии на целлюлозу уксусного ангидрида (упрощённо-уксусной кислоты) происходит реакция этерификации, при этом возможно участие в реакции 1, 2 и 3 групп ОН.

Получается ацетат целлюлозы – ацетатное волокно.

• Гидролиз целлюлозы.

Целлюлоза, подобно крахмалу, в кислой среде может гидролизоваться, в результате тоже получается глюкоза. Но процесс идёт гораздо труднее.