Оглавление
Введение. 2
Глава 1. Биологическая
роль углеводов. 3
Глава 2. Переваривание
углеводов в желудочно-кишечном тракте. 5
Глава 3. Регуляция уровня
глюкозы в крови. 8
Ответы на вопросы.. 10
Литература. 10
Впервые термин «углеводы»
был предложен профессором Дерптского (ныне Тартуского) университета К.Г.
Шмидтом в 1844 г. В то время предполагали, что все углеводы имеют общую формулу
Cm(H2O)n, т.е. углевод + вода. Отсюда название «углеводы». Например, глюкоза и
фруктоза имеют формулу С(Н2О)6, тростниковый сахар (сахароза) C12(H2O)11,
крахмал [С6(Н2О)5]n и т.д. В дальнейшем оказалось, что ряд соединений, по своим
свойствам относящихся к классу углеводов, содержат водород и кислород в
несколько иной пропорции, чем указано в общей формуле (например, дезоксирибоза
С5Н10О4). В 1927 г. Международная комиссия по реформе химической номенклатуры
предложила термин «углеводы» заменить термином «глициды», однако старое
название «углеводы» укоренилось и является общепризнанным.
Химия углеводов занимает
одно из ведущих мест в истории развития органической химии. Тростниковый сахар
можно считать первым органическим соединением, выделенным в химически чистом
виде. Произведенный в 1861 г. A.M. Бутлеровым синтез (вне организма) углеводов
из формальдегида явился первым синтезом представителей одного из трех основных
классов веществ (белки, липиды, углеводы), входящих в состав живых организмов.
Химическая структура простейших углеводов была выяснена в конце XIX в. в
результате фундаментальных исследований Э. Фишера. Значительный вклад в
изучение углеводов внесли отечественные ученые А.А. Колли, П.П. Шорыгин, Н.К.
Кочетков и др. В 20-е годы нынешнего столетия работами английского
исследователя У. Хеуорса были заложены основы структурной химии полисахаридов.
Со второй половины XX в. происходит стремительное развитие химии и биохимии
углеводов, обусловленное их важным биологическим значением.
Углеводы наряду с белками
и липидами являются важнейшими химическими соединениями, входящими в состав
живых организмов. У человека и животных углеводы выполняют важные функции:
энергетическую (главный вид клеточного топлива), структурную (обязательный
компонент большинства внутриклеточных структур) и защитную (участие углеводных
компонентов иммуноглобулинов в поддержании иммунитета).
Углеводы (рибоза,
дезоксирибоза) используются для синтеза нуклеиновых кислот, они являются
составными компонентами нуклеотидных ко-ферментов, играющих исключительно
важную роль в метаболизме живых существ. В последнее время все большее внимание
к себе привлекают смешанные биополимеры, содержащие углеводы: гликопептиды и глико-протеины,
гликолипиды и липополисахариды, гликолипопротеины и т.д. Эти вещества выполняют
в организме сложные и важные функции.
С нарушением обмена
углеводов тесно связан ряд заболеваний: сахарный диабет, галактоземия,
нарушение в системе депо гликогена, нетолерантность к молоку и т.д.
Следует отметить, что в
организме человека и животного углеводы присутствуют в меньшем количестве (не
более 2% от сухой массы тела), чем белки и липиды; в растительных организмах за
счет целлюлозы на долю углеводов приходится до 80% от сухой массы, поэтому в
целом в биосфере углеводов больше, чем всех других органических соединений
вместе взятых[1].
Углеводы можно определить
как альдегидные или кетонные производные полиатомных (содержащих более одной
ОН-группы) спиртов или как соединения, при гидролизе которых образуются эти
производные.
Согласно принятой в
настоящее время классификации, углеводы подразделяются на три основные группы:
моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
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 17кДж энергии (4,1ккал). В качестве
основного энергетического источника используется свободная глюкоза или запасы
углеводов 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 компонентами клеточных мембран. Продукты
превращения глюкозы (глюкуроновая кислота, глюкозамин и т.д.) входят в состав
полисахаридов и сложных белков хрящевой и других тканей.
Резервная. Углеводы
запасаются в скелетных мышцах, печени и других тканях в виде гликогена. Его
запасы зависят от массы тела, функционального состояния организма, характера
питания. При мышечной деятельности запасы гликогена существенно снижаются, а в
период отдыха после работы восстанавливаются. Систематическая мышечная
деятельность приводит к увеличению запасов гликогена, что повышает
энергетические возможности организма.
Защитная. Сложные
углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды
находятся в слизистых веществах, покрывающих поверхность сосудов, бронхов,
пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения
бактерий, вирусов, а также от механических повреждений.
Специфическая. Отдельные
углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, выполняют роль
антикоагулянтов, являются рецепторами ряда гормонов или фармакологических
веществ, оказывают противоопухолевое действие.
Регуляторная. Клетчатка
пищи не расщепляется в кишечнике, но активирует перистальтику кишечника,
ферменты пищеварительного тракта, усвоение питательных веществ.
Запасы углеводов в
организме не превышает 2-3% от массы тела. За счет них энергетические запасы
нетренированного человека могут покрываться не более 12 часов, а у спортсменов и
того меньше. При нормальном потреблении углеводов организм спортсмена работает
боле экономно и менее утомляется. Следовательно, необходимо постоянное
поступление углеводов с пищей. Потребность организма в глюкозе зависит от
уровня энергозатрат. По мере увеличения интенсивности, тяжести физического
труда потребность в углеводах увеличивается. Норма углеводов в суточном рационе
составляет 400 гр. для людей, не занимающихся спортом; для спортсменов от 600
до 1000 гр. 64% углеводов поступают в организм в виде крахмала (хлеб, крупы,
макаронные изделия), 36% в виде простых сахаров (сахароза, фруктоза, мед,
пектиновые вещества).
Изучая процесс
пищеварения углеводов, следует запомнить ферменты, участвующие в нем, выяснить
условия их действия в различных отделах пищеварительного тракта, знать
промежуточные и конечные продукты гидролиза.
Поступающие в организм
человека сложные углеводы пищи имеют иную структуру, чем углеводы человеческого
тела. Так полисахариды, составляющие растительный крахмал,- амилоза и
амилопектин - представляют собой линейные или слаборазветвленные полимеры
глюкозы, а крахмал человеческого тела - гликоген,- имея в основе те же
глюкозные остатки, образует из них иную - сильноразветвленную - полимерную
структуру. Поэтому усвоение пищевых олиго- и полисахаридов начинается с их
гидролитического (под действием воды) расщепления в процессе пищеварения до
моносахаридов.
Гидролитическое
расщепление углеводов в процессе пищеварения происходит под действием ферментов
гликозидаз, расщепляющих 1-4 и 1-6 гликозидные связи в молекулах сложных
углеводов. Простые углеводы пищеварению не подвергаются, может только
происходить брожение некоторой части их в толстом кишечнике под действием
ферментов микроорганизмов.
К гликозидазам относятся
амилаза слюны, поджелудочного и кишечного соков, мальтаза слюны и кишечного
сока, конечная декстриназа, сахараза и лактаза кишечного сока. Гликозидазы
активны в слабощелочной среде и угнетаются в кислой среде, за исключением
амилазы слюны, которая катализирует гидролиз полисахаридов в слабокислой среде
и теряет активность при увеличении кислотности.
В ротовой полости
начинается пищеварение крахмала под воздействием амилазы слюны , которая
расщепляет 1-4 гликозидные связи между остатками глюкозы внутри молекул амилозы
и амилопектина. При этом образуются дектстрины и мальтоза. В слюне содержится в
небольших количествах и мальтаза, гидролизующая мальтозу до глюкозы. Другие
дисахариды во рту не расщепляются
Большая часть молекул
полисахаридов не успевает гидролизоваться во рту. Смесь крупных молекул амилозы
и амилопектина с более мелкими - декстринами. Мальтозой, глюкозой- поступает в
желудок. Сильно кислая среда желудочного сока угнетает ферменты слюны, поэтому
дальнейшие превращения углеводов происходят в кишечнике, сок которого содержит
бикарбонаты, нейтрализующие соляную кислоту желудочного сока. Амилазы
поджелудочного и кишечного соков более активны, чем амилаза слюны. В кишечном
соке содержится также конечная декстриназа, гидролизующая 1-6 связи в молекулах
амилопектина и декстринов. Эти ферменты завершают расщепление полисахаридов до
мальтозы. В слизистой оболочке кишечника вырабатываются также ферменты,
способные гидролизовать дисахариды : мальтаза, лактага, сахараза. Под
воздействием мальтазы мальтоза расщепляется на две глюкозы, сахароза под
воздействием сахаразы - на глюкозу и фруктозу, лактаза расщепляет лактозу на
глюкозу и галактозу[2].
В пищеварительных соках
отсутствует фермент целлюлаза, гидролизующая поступающую с растительной пищей
целлюлозу. Однако в кишечнике имеются микроорганизмы, ферменты которых могут
расщеплять некоторое количество целлюлозы. При этом образуется дисахарид
целлобиоза, распадающийся потом до глюкозы.
Не расщепившаяся
целлюлоза является механическим раздражителем стенки кишечника, активирует его
перистальтику и способствует продвижению пищевой массы.
Под действием ферментов
микроорганизмов продукты распада сложных углеводов могут подвергаться брожению,
в результате чего образуются органические кислоты, СО2,СН4 и Н2. Схема
превращений углеводов в пищеварительной системе представлена на схеме.
Образовавшиеся в
результате гидролиза углеводов моносахариды по своей структуре одинаковы у всех
живых организмов. Среди продуктов пищеварения преобладает глюкоза (60%), она же
является главным моносахаридом, циркулирующим в крови. В кишечной стенке
фруктоза и галактоза частично превращаются в глюкозу, так что содержание ее в
крови, оттекающей от кишечника, больше, чем в его полости.
Всасывание моносахаридов
- активный физиологический процесс, протекающий с затратой энергии. Ее
обеспечивают окислительные процессы, происходящие в клетках кишечной стенки.
Моносахаориды получают энергию, взаимодействуя с молекулой АТФ в реакциях,
продуктами которых являются фосфорные эфиры моносахаридов. При переходе из
кишечной стенки в кровь фосфорные эфиры расщепляются фосфатазами, и в кровоток
поступают свободные моносахариды. Поступление их из крови в клетки различных
органов также сопровождается их фосфорилированием.
Однако скорость
превращения и появления в крови глюкозы из разных продуктов разная. Механизм
этих биологических процессов отражен в понятии 'гликемический индекс' (ГИ),
которое показывает скорость превращения углеводов пищи (крахмала, гликогена,
сахарозы, лактозы, фруктозы и т.д.) в глюкозу крови.
Известно, что уровень
глюкозы в крови колеблется от 3,33 ммоль/л до 5,55 ммоль/л и регулируется с
помощью гормонов инсулина, понижающего этот уровень до нормы и глюкагона,
повышающего его до нормы. Увеличение уровня глюкозы в крови после приема пищи
(пищевая или алиментарная гипергликемия) повышает, следовательно, и содержание
инсулина в крови.
Инсулин - анаболический
гормон; он воздействует на мембраны клеток, увеличивая их проницаемость для
глюкозы, следовательно, увеличивая и питание клеток. В случаях избыточного веса
(ожирение), такой процесс можно контролировать, используя продукты с низким и
средним гликемическим индексом, и, наоборот, при интенсивных физических
нагрузках - с высоким гликемическим индексом.
Попавшие из кишечника в
кровь моносахариды переносятся ею в печень. Печень может регулировать
содержание глюкозы в крови. Избыток глюкозы превращается в ней в гликоген и
откладывается в запас, остальная глюкоза поступает в большой круг
кровообращения и постепенно используется клетками различных органов. При
повышении потребности организма в глюкозе гликоген печени может расщепляться и
повышать уровень ее в крови.
Если поступление глюкозы
в печень превышает возможности ее превращения в гликоген, то в большом круге
кровообращения ее содержание оказывается выше нормы (5,55 ммоль/л). Такое
состояние называется гипергликемией. Она стимулирует синтез гликогена не только
в печени, но и в мышцах, а также превращение глюкозы в жиры и холестерин[3].
В состоянии покоя
наибольшее количество глюкозы потребляется головным мозгом, при физической
работе - мышцами.
В клетках различных
органов в зависимости от их функционального состояния глюкоза либо сразу
включается в реакции распада, обеспечивающие клетку энергией, либо участвует в
пластическом обмене, в ходе которого из нее может синтезироваться не только
гликоген, но и более сложные вещества - нуклеиновые кислоты, гликолипиды,
гетерополисахариды и т.д.
2.. Редуцирующий сахар - это
1 - сахароза, 2 - крахмал, 3 - инулин, 4 - глюкоза.
3 Не восстанавливает фелингову жидкость
1 - мальтоза, 2 - лактоза, 3 - целлобиоза, 4 - сахароза.
4. Гетерополисахашд - это
1 - крахмал, 2 - инулин, 3 - гемицеллюлоза, 4 - хитин.
5 .Запасную функцию выполняют
1 - моносахариды, 2 - олигосахариды, 3 - полисахариды, 4
- триозы.
1.
Биохимия, В.П.
Комов, Москва, ДРОФА: 2004
2.
Биохимия, И.К.
Проскурина, Москва, ВЛАДОС: 2004
3.
Биологическая
химия, под ред. Н.И. Ковалевской, Москва, ACADEMA: 2005