на что распадаются сложные углеводы
Быстрые углеводы
Многие люди, стремящиеся избавиться от лишних килограммов, бросаются из крайности в крайность, примеряя на себя все возможные новомодные диеты. Во многих из них строго-настрого запрещают употреблять в пищу быстрые углеводы, аргументируя тем, что они непременно отложатся на боках или в других проблемных зонах. Так ли на самом деле? Что думают специалисты? А также другие вопросы на эту тему рассмотрим подробнее в данной статье.
Что такое простые (быстрые) углеводы? Таблица и список продуктов
Под «быстрыми» понимают простые углеводы, легко перерабатываемые организмом. Им необходимо всего несколько минут, чтобы разложиться до простых молекул, попасть в кровь, снабдить организм зарядом сил, энергии. Скорость протекания таких процессов определяется гликемическим индексом: чем он выше, тем меньше времени организм тратит на переработку.
Найти значение гликемического индекса можно в соответствующих таблицах, на основании которых также может быть составлен рацион на день для похудения или поддержания текущего веса. Но прежде, чем переходить к разбору конкретных продуктов, важно разобрать вопросы о том, что такое гликемический индекс, какое воздействие оказывают быстрые углеводы и стоит ли в принципе добавлять их к рациону.
Быстрые и медленные углеводы – в чём разница?
Углеводы – сложные химические соединения, важные составляющие клеток. По структуре и строению они делятся на две большие группы:
При составлении рациона рекомендуется делать акцент на медленные углеводы. Они обеспечивают длительное чувство насыщения, хорошее самочувствие, заряд бодрости, энергии. Но не стоит отказываться от быстрых углеводов совсем, поскольку это может привести к срывам. Диетологи допускают добавление к рациону любимых, но «вредных» продуктов при условии, что 85-90% будет приходиться на полезную пищу.
Гликемический индекс
Под гликемическим индексом (ГИ) понимают скорость усвоения организмом человека углеводов, поступающих из продуктов питания. Данное определение пришло из медицины ещё в конце прошло века. Оно было введено диетологом из Канадского университета Дэвидом Дж. А. Дженкинсом. Он пытался понять, какое питание наиболее подходит людям, больным сахарным диабетом. С этой целью он разработал собственную классификацию продуктов, ориентируясь на то, как изменяется уровень глюкозы крови после их употребления. Результаты проделанной работы были изложены в статье «Гликемический индекс продуктов питания: физиологический базис углеводного обмена».
В своей работе доктор Дэвид Дженкинс объяснил, как связано количество углеводов в еде и самочувствие человека. Нормальный уровень глюкозы крови способствует увеличению энергии: человек чувствует себя бодрым, повышается работоспособность и концентрация внимания. Резкий скачок сахара, как и его снижение — может стать причиной упадка сил.
Получается, что организму человека необходимо постоянно поддерживать уровень инсулина в крови – это залог хорошего самочувствия, заряда сил, энергии. Кроме того, необходимо избегать резких скачков сахара. В связи с этим и была разработана 100-балльная шкала гликемического индекса, согласно которой все продукты условно делятся на три категории:
При составлении рациона желательно отдавать предпочтение в большей степени продуктам с низким гликемическим индексом. Они обеспечивают длительное чувство насыщения, хорошее самочувствие.
Как понять без таблиц, что продукт относится к категории с низким гликемическим индексом? Существует три правила:
Но не стоит бояться быстрых углеводов с высоким ГИ, полностью исключать их из рациона. Они также могут принести определённую пользу, главное – умеренность и строгий контроль порций.
Как стабильно снижать вес на 1-2 кг. в неделю,
перепрограммируя свои привычки?
Краевой центр общественного здоровья и медицинской профилактики
КГКУЗ «Медицинский информационно-аналитический центр»
министерства здравоохранения Хабаровского края
Сложные углеводы: что к ним относится
Сложные углеводы – это базовый компонент рациона. Они разнообразны по составу и свойствам.
Представителями сложных углеводов являются крахмал и пищевые волокна (пектин, инулин, клетчатка и др).
Крахмал – основной источник энергии для организма человека.
В процессе переваривания в желудочно – кишечном тракте крахмал распадается до глюкозы медленно. Поэтому глюкоза в крови высоко не поднимается, нет необходимости вырабатывать много инсулина и переводить лишнюю глюкозу в жир и поджелудочная железа работает в штатном режиме. Уровень сахара в крови долго остается на одном и том же уровне, сохраняя чувство сытости на длительный срок.
Много крахмала содержится в злаковых продуктах:
- в рисе – 55 – 75%; в кукурузе – 70%; в бобовых – 44% (фасоль, горох, чечевица); в картофеле – 20%; кроме того крахмал содержится в свекле, моркови, тыкве, кабачках, бананах
- пищевые волокна имеют свойство, словно губка, впитывать вредные соединения (токсины, яды, соли тяжелых металлов, радионуклиды) и выводить их из организма человека. пищевые волокна улучшают перистальтику кишечника, и помогают продвижению пищевого комка и своевременному опорожнению кишечника. пищевые волокна играют роль своеобразной пищи для полезных кишечных микро-организмов, которые синтезируют витамины, ферменты, аминокислоты, антитела и стимулирует образование иммунных клеток. благодаря пищевым волокнам значительно замедляется всасывание глюкозы и холестерина. Иными словами, клетчатка препятствует развитию атеросклероза, сахарного диабета, гипертонии. Именно потому, что в овощах и фруктах много пищевых волокон, простые углеводы из них не настолько быстро усваиваются организмом, как добавленный сахар.
- клетчатка надолго сохраняет чувство сытости и контролирует аппетит. так как пищевые волокна снижают скорость усвоения организмом жиров и сахара, контролируют аппетит, тем самым помогают снизить избыточный вес и поддерживать его на нормальном уровне. если регулярно употреблять продукты, богатые пищевыми волокнами, можно надежно защитить себя от рака, особенно — рака органов пищеварения.
Пищевые волокна содержатся в бобовых, цельнозерновых продуктах, сухофруктах, овощах, фруктах.
В картофеле, который формально относится к сложным углеводам, практически нет клетчатки — большая часть его веса приходится на крахмал. Поэтому картофель следует употреблять с осторожностью.
К цельнозерновым продуктам относятся:
- крупы: гречневая, овсяная, перловая, ячневая, из пшеницы (пшеничная нешлифованная, булгур, кускус, полба), необработанный рис – коричневый, дикий; хлопья из цельного зерна без добавления сахара, жира, вкусо – ароматических компонентов; макаронные изделия из твердых сортов пшеницы «Группы А»; хлебные изделия из цельных злаков, в состав которых входят цельное зерно, отруби, цельнозерновая и/или обойная мука, мука 3 сорта, грубого помола).
- Продукты, содержащие сложные углеводы рекомендуется употреблять ежедневно, желательно в каждый прием пищи.
Не являются цельнозерновыми продуктами:
- каши быстрого приготовления; манная, пшенная крупы, белый шлифованный рис; хлебные изделия из муки высшего, 1 и 2 сорта, обдирной, сеяной муки; продукты с маркировкой «со многими злаками», «размолотые», «100% пшеница», «крупа из нешелушеной пшеницы», «семь злаков».
- Углеводные запасы в организме весьма ограничены и при интенсивной работе быстро истощаются. Поэтому углеводы должны поступать в организм ежедневно и в достаточном количестве.
Дефицит углеводов в рационе будет вызывать усталость и сонливость и рассеянность. Оставшись без притока энергии извне, организм будет использовать в качестве топлива собственные белки и жиры. Использование белка в качестве источника энергии приведет к разрушению мышечной ткани и замедлению метаболизма. Преобразование жира для получения энергии способствует образованию избыточного количества кетоновых тел, которые способны вызвать интоксикацию организма.
Сложные (медленные) углеводы: список продуктов
Основным источником энергии для организма служат углеводы. Все было бы очень просто, если бы все они одинаково полезны. В диетологии и медицине углеводы выделяют простые и сложные. Именно сложные углеводы классифицируют, как максимально полезные для человека. Первичное усвоение продуктов, содержащих «правильные» углеводы, начинается уже во рту. Первые кусочки сразу вступают в реакцию со слюной, в которой присутствует особенный фермент — амилаза.
Длительное всасывание сложных углеводов сопровождается медленным повышением уровнем сахара. Нестабильность показателей глюкозы всегда сопровождаются нервозностью, изменением настроения. Сложные углеводы помогают сохранить стабильное психоэмоциональное состояние, предотвратить неконтролируемые глюкозные скачки.
Что такое сложные углеводы и почему они полезны?
Сложные углеводы — это полисахариды с длинной молекулярной цепью. Так сложилось в природе, что именно сложные углеводы являются ключевыми источником энергии. К этому типу полисахаридов относят крахмал, гликоген, пищевые волокна, пектин и ряд других веществ, без которых невозможны нормальные биохимические процессы.
В состав сложных углеводов входят разные структурные элементы, на усвоение которых требуется время. Один из этих элементов — клетчатка, которая не переваривается в желудке. Водорастворимые и водонерастворимые растительные волокна важны для дальнейшего усвоения. В отличие от них простые полисахариды перевариваются очень быстро, без особых усилий для организма.
Главной характеристикой, определяющей пользу сложных углеводов, является гликемический индекс. Для питания здорового человека и особенно больного диабетом важно, чтобы калории, содержащиеся в пище, усваивались постепенно. Медленные процессы расщепления полисахаридов не провоцируют скачки глюкозы в крови. Употреблять продукты, включающие в себя сложные углеводы, рекомендовано людям с лишним весом, так как ожирение сопровождается расстройством синтеза инсулина.
Резкое изменение уровня сахара в крови вызывает чувство голода, стимулируют аппетит. Введение в диету сложных углеводов рекомендовано лицам, соблюдающим правила ЗОЖ, диабетикам и просто всем, кто хочет нормализовать обмен веществ, обеспечить себе нормальный вес.
Доказано, что растительные волокна клетчатки обладают свойствами пробиотиков, т. е. стимулируют рост и распространение полезной кишечной микрофлоры. Здоровый кишечник полноценно переваривает пищу, обеспечивает высокую иммунную защиту, контролирует холестерин в крови. Быстрые, простые углеводы не обладают этими свойствами, а, напротив, подавляют работу кишечника.
Виды сложных углеводов
Классификация сложных углеводов зависит от показателей гликемического индекса. Выделены следующие типы:
Гликоген — включает в себя молекулы глюкозы, соединённых в особую цепочку. Поддерживает стабильную концентрацию сахара в крови, способствует восстановлению мышечной массы. Гликоген содержится в продуктах животного происхождения (красное мясо, говяжье сердце, печень), рыбе.
Пектин — представляет собой клейкое вещество, которое по сути, является производным галактуроновой кислоты. Своеобразная структура не позволяет углеводам усваиваться, но наделяет его адсорбирующими свойствами. Пектин отлично впитывает в себя токсины, гнилостные бактерии, болезнетворные микроорганизмы и полностью выводит их из организма. Эти качества обеспечивают защиту слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта от механических повреждений и химических воздействий.
Крахмал — это нерастворимая растительная клетчатка, которая обеспечивает равномерное высвобождение энергии и длительное насыщение после приёма пищи. Сложный полисахарид замедляет повышение глюкозы, блокирует инсулиновые всплески, защищая таким образом поджелудочную железу от разрушительных нагрузок. Благодаря крахмалу, сохраняется нормальный метаболизм, повышаются защитные силы организма. Лучшие источники крахмала — овсянка, бурый рис, чечевица, макароны, гречневая крупа, ржаной хлеб, картофель, бобовые (соя, горох, чечевица).
Клетчатка — растительные волокна, работают подобно щётке, которая «вычищает» избыток холестерина. Благодаря клетчатке, улучшается отток желчи, нормализуется работа кишечника. Основные источники клетчатки — ягоды, семечки и орехи, фруктовая и овощная кожура, овёс, гречка, цитрусовые, капуста, яблоки, мука грубого помола.
Все ли сложные углеводы медленно усваиваются?
В случае перехода на диету с преимущественным содержанием сложных углеводов, важно понимать, что не все из них одинаково полезны. Если говорить о крахмале, то в пшенице и белом рисе он имеет одинаково сложную молекулярную структуру, но неспособен быстро перевариваться и усваиваться в желудочно-кишечном тракте.
Многие углеводные продукты питания содержат мальтодекстрин — сложный полисахарид, состоящий из длинных молекулярных цепочек. При всей многосложности строения в ЖКТ он действует, как обычный углевод, и быстро усваивается.
Самыми сложными продуктами считают макаронные изделия, произведённые из пшеницы. На скорость усвоения влияет сорт пшеницы, способ приготовления, порция, которую человек употребляет в качестве гарнира. В зависимости от этих параметров макароны отличаются высоким гликемическим индексом, средним или низким. При высоком они обладают свойствами простых (быстрых) углеводов, а при низком — углеводов со сложным (длительным) усвоением.
Сложность углевода зависит от концентрации клетчатки. Если продукт питания содержит много растительных волокон, говорят о его пользе. Например, в картофеле, который относят к углеводным продуктам, клетчатки крайне мало, но при этом очень много крахмала. Зная эту особенность, следует правильно рассчитывать оптимальную порцию. Фасоль более полезный углеводный продукт — на 100 г сухих бобов приходится 60 г сложных полисахаридов, из которых 1/4 составляет клетчатка.
9 фактов о пользе сложных углеводов
Не вызывают всплесков глюкозы в крови. Простые полисахариды провоцируют значительное повышение уровня сахара в крови. На фоне этого поджелудочная железа продуцирует большие дозы инсулина. Биохимические процессы проявляются чувством голода. Повышенный аппетит способствует поглощению дополнительных порций сладкого. Сложные углеводы усваиваются намного дольше, если сравнивать с простыми полисахаридами, а значит поддерживают постоянство глюкозы в крови. Стабильный сахар обеспечивает полноту энергии, физическую активность даже при повышенных спортивных нагрузках.
Снижают вероятность развития хронических процессов. Продукты, в составе которых присутствуют сложные углеводы, непросто основа здорового питания и залог нормализации веса. Сложные полисахариды предупреждают возникновение тяжёлых хронических заболеваний — сахарного диабета, болезней сердца и сосудов.
Сложные углеводы насыщены клетчаткой, минералами, витаминами, растительными антиоксидантами, которые обладают мощным профилактическим действием в отношении ряда заболеваний. Медицинские наблюдения подтвердили, что диета на основе цельных продуктов, растительной клетчатки способствует снижению «плохого» холестерина, стабилизации сахара.
Оздоравливают пищеварительную систему. За здоровое пищеварение отвечают особенные бактерии — микробиоты, которые помогают всасывать питательные вещества, минералы, угнетать очаги воспаления во всех отделах кишечника. Полноценное переваривание гарантирует мягкое опорожнение, очищение организма.
Водорастворимые растительные волокна, содержащиеся в сложных углеводах, питают здоровую микрофлору кишечника, способствуют её росту. Основная задача микробиоты — синтезировать специфические жирные кислоты. Особенность этих веществ заключается в короткой молекулярной цепи, что обеспечивает пользу всей пищеварительной системе. Правильное питание микробиоты предотвращает переедание.
Уменьшают симптомы воспаления. Появление воспалительного очага в организме является защитной реакцией на внутренний раздражитель. Длительное воспаление провоцирует формирование хронических заболеваний — сахарному диабету, гипертонии, сосудистым патологиям, метаболическому синдрому, некоторым видам рака.
Появлению воспаления способствуют продукты, в составе которых присутствует сахар, рафинированная мука. Систематическое употребление сложных углеводов противодействует появлению воспалений в организме. Защитными, противовоспалительными свойствами обладают бобовые, фрукты, цельные злаки и зерновые, которые содержат большое количество клетчатки.
Обеспечивают энергией. Без углеводов невозможно энергообеспечение организма. Полное исключение углеводсодержащих продуктов из рациона приводит к утомлению и физическому истощению. Для безопасного выброса калорий лучше вводить углеводы в первый (утренний) приём пищи, что исключает спад энергии в середине дня. Цельнозерновые продукты поддерживают высокий тонус организма на протяжении всего дня. Сложные углеводы всасываются медленно, не вызывая критических перепадов, которые характерны для сахаров и кофеина.
Улучшают обмен веществ. За счёт выделения энергии сложные углеводы поддерживают физиологический метаболизм. Без достаточного выброса калорий, которые являются составной частью полисахаридов, наступает дисбаланс обмена веществ.
Употребление сложных углеводов с длительным периодом усвоения обеспечивает необходимой энергией, помогает нормализовать вес без вреда для метаболизма.
Нормализуют сон. Расслабляющим и мягким снотворным эффектом обладает триптофан, обнаруженный в большом количестве в бананах, коричневом рисе, тыкве, овсянке, сладком картофеле. Кроме этого, овсянке стимулирует образование гормона сна — мелатонина. Иными словами, сложные углеводы на ужин ускорят процесс засыпания и обеспечат крепкий сон.
Питают головной мозг. Организм использует углеводы для полноценной реализации мозговых процессов, что положительно сказывается на эмоциональном настроении. Овощи, киноа, фрукты, овёс, фасоль, орехи, семена, бобовые — лучшие источники сложных полисахаридов, необходимых при повышенной интеллектуальной нагрузке.
Недостаток углеводов вызывает снижение концентрации, восприятия информации, ухудшение самочувствия, сопровождаемое головокружением, чувством тумана в голове, депрессивным, грустным настроением.
Обеспечивают полноценную работу центральной нервной системы. Быстро усваиваемые сахара провоцируют нервное возбуждение, появление чувства беспокойства. Сложные углеводы действуют иначе — устраняют ощущение нервозности, тревоги, укрепляют физическое самочувствие. Положительный эффект наблюдается после употребления бананов, блюд из овсянки и сладкого картофеля.
Расщепление сложных углеводов обеспечивает нервную систему необходимыми питательными веществами. Они участвуют в синтезе ферментов. Реализация биохимических реакций способствует балансу нервной системы.
В каких продуктах содержится больше всего сложных углеводов?
Классификация углеводов на простые и сложные, основанная исключительно на отличиях в структуре, не совсем верна. Правильнее разделять полисахариды по гликемическому индексу — способности продукта преобразовываться в глюкозу. Показатель гликемического индекса (ГИ) в продуктах варьирует от 0 до 100. Высокий ГИ говорит о быстром усвоении продуктов, низкий — о медленном.
Понятие ГИ сформировалось при утреннем измерении показателей уровня сахара в крови после употребления продукта на голодный желудок.
На основании полученных данных различают:
Низкий ГИ — менее 55.
Важно помнить, что гликемический индекс рассматривается вместе с гликемической нагрузкой. Гликемическая нагрузка (ГН) рассчитывается на основании содержания углеводов в продукте.
Средней — от 10 до 19.
Оптимальное сочетание этих показателей определяет пользу продукта с высоким содержанием углеводов.
Хорошие и плохие углеводы: в чем разница?
Для многих само слово «углеводы» кажется страшным. А все продукты, где есть они, моментально исключаются из меню. Но правильно ли так делать? Разобрались, какие углеводы полезны, а какие вредны для организма.
Что такое плохие углеводы?
Под плохими углеводами подразумевают простые, обработанные углеводы, которые содержатся в продуктах с добавлением сахара и из очищенного зерна. Сюда входят белый хлеб, кондитерская выпечка, сладкая газировка, энергетические напитки и даже паста из пшеничной муки.
Почему плохие углеводы отрицательно влияют на организм?
Слишком большое количество продуктов из очищенных злаков и с добавлением сахара в рационе означает, что вы едите «пустые» калории. С ними организм не получает пользу и энергию.
К тому же частое потребление продуктов с низким уровнем клетчатки и низкопитательными углеводами приводит к уменьшению длительности состояния сытости и постоянному превышению дневной нормы калорий.
И хотя организму нежелательно получать много «плохих» углеводов, это не значит, что нужно потеть в спортзале после кусочка именинного торта или отказывать себе в пончике вдогонку к чашке кофе, если очень хочется.
Что такое хорошие углеводы?
Более полезные углеводы можно найти в цельнозерновых продуктах, бобовых, овощах и фруктах. Эти продукты содержат «хорошие» углеводы благодаря высокому содержанию клетчатки и питательных веществ, например, магния, витамина А, С и других витаминов и антиоксидантов. Все это приносит максимум пользы вашему организму вместе с потребляемыми углеводами.
Приведем несколько примеров «хороших» углеводов:
— крупы — киноа, овсянка, попкорн;
— бобовые — черная фасоль, нут, стручковые соевые бобы эдамамэ;
— фрукты — яблоки, бананы;
— овощи — морковь, сладкий картофель батат.
Все это преимущественно сложные углеводы со сложной структурой — они состоят из длинных цепочек молекул, которые дольше усваиваются организмом и дольше перерабатываются в глюкозу.
Сколько углеводов можно съесть?
Доля углеводов (особенно «хороших») должна составлять от 45 до 65% от суточной калорийности. То есть для средней дневной нормы в 1600 калорий это около 720-1040 калорий, или 180-260 граммов еды.
Если же нет привычки вести подсчет калорий, то будет проще отследить норму углеводов другим способом: ориентируйтесь на тарелку — она должна быть заполнена полезными углеводами наполовину.
Неочевидные источники плохих углеводов
Конечно, вы можете питаться исключительно цельнозерновыми продуктами и получать свои «хорошие» углеводы. Но менее полезные углеводы могут содержаться в неочевидных, на первый взгляд, продуктах: в суши, мюсли и злаковых батончиках, овсянке быстрого приготовления.
Но не исключайте углеводы полностью, сохраняйте баланс, добавляя в рацион достаточно «хороших» углеводов и стараясь свести к минимуму «плохие».
На что распадаются сложные углеводы
Все биологические процессы, происходящие в окружающем мире, по своей сути являются химическими реакциями. Первую химическую реакцию человек осуществил, когда разжег костер – это реакция горения. Первое антибактериальное применение продуктов брожения и величайшее открытие в области медицины совершил Нострадамус. Большинство из нас знает его как предсказателя, но его основная заслуга состоит в том, что он нашел способ борьбы с чумой с помощью уксусной кислоты. История свидетельствует, чума лишила Нострадамуса и первой семьи, и друзей. С тех пор он искал средство борьбы от страшной болезни. Найдя чудо-лекарство, исследователь переезжал из города в город, где появлялась чума, спасая множество жизней [1].
Первым биохимиком была клетка, которая научилась энергетическому обмену: научилась поглощать свет и выделять энергию, необходимую для жизнеобеспечения. Таким образом, первый биохимик – это и есть сама жизнь. Все процессы, которые протекают в клетках живого организма, – это биохимические реакции.
Название «углеводы» появилось из-за того, что многие представители данного класса имеют общую формулу: Сn(Н2О)m, где n и m >= 4. Известно множество углеводов, не соответствующих этой формуле, но несмотря на это термин «углеводы» употребляется и по сей день. Другое общепринятое название этого класса соединений – сахара.
Все углеводы можно разделить на четыре больших класса.
Моносахариды – это гетерофункциональные соединения, содержащие оксогруппу и несколько гидроксильных групп. Они не могут быть гидролизованы до более простых форм углеводов и являются структурной единицей любых углеводов, например, глюкоза, фруктоза, рибулоза, рамноза. Содержатся в различных продуктах: фрукты, мёд, некоторые виды вина, шоколад.
Олигосахариды – это соединения, построенные из нескольких остатков моносахаридов, связанных между собой гликозидной связью. Они делятся по числу моносахаридов в молекуле на дисахариды, трисахариды и т.д. К биологически активным производным олигосахаридов относятся некоторые антибиотики, сердечные гликозиды.
Дисахариды – это углеводы, которые при гидролизе дают две одинаковые или различные молекулы моносахарида и связаны между собой гликозидной связью, например, лактоза, сахароза, мальтоза. При гидролизе из дисахаридов образуется глюкоза.
Полисахариды – имеют общий принцип строения с олигосахаридами, за исключением моносахаридных остатков – полисахариды могут содержать их сотни и даже тысячи. Примеры: крахмал, гликоген, хитин, целлюлоза [2].
Для лучшего понимания реакций расщепления углеводов в организме, рассмотрим более подробно глюкозу, участвующую в этих процессах.
Глюкоза является одним из самых распространенных углеводов в природе, моносахарид, или гексоза С6Н12О6. Второе её название – виноградный сахар. Это растворимое в воде вещество белого цвета, сладкое на вкус. В молекуле глюкозы имеется четыре неравноценных асимметрических атома углерода (рис. 1):
Рис. 1. Строение молекулы глюкозы
Для такого соединения возможно 24 = 16 стереоизомеров, которые образуют 8 пар зеркальных оптических антиподов. Каждое из восьми соединений представляет собой диастереомер (диа – двойной) с присущими только ему физическими свойствами (растворимость, температура плавления и т.д.).
Глюкоза содержится в растительных и живых организмах. Велико ее содержание в виноградном соке, в меде, фруктах и ягодах, в семенах, листьях крапивы. Глюкоза повышает работоспособность мозга, благотворно влияет на нервную систему человека. Именно поэтому в стрессовых ситуациях люди иногда хотят чего-нибудь сладкого. Помимо этого, глюкоза применяется в медицине для приготовления лечебных препаратов, консервирования крови, внутривенного вливания и т.д. Она широко применяется в кондитерском производстве, производстве зеркал и игрушек (серебрение). Ее используют при окраске тканей и кож.
Биохимические реакции расщепления углеводов в организме человека
Для поддержания жизнедеятельности организма используется энергия, скрытая в химических связях продуктов питания. Во многих продуктах питания содержится значительное количество углеводов в виде полисахаридов (сахар, крахмал, клетчатка) и моноз (глюкоза, фруктоза, лактоза и др.). К примеру, в картофеле содержание крахмала составляет до 16 %, в рисе – 78 %, а в белом хлебе – 51 %.
Уже во рту человека начинается процесс расщепления углеводов. Происходит гидролиз крахмала под действием биологического катализатора – фермента амилазы, который содержится в пище. Под действием амилазы молекула крахмала расщепляется на довольно короткие цепочки, которые состоят из глюкозных звеньев. После этого углеводы попадают в желудок. Далее под действием желудочного сока заканчивается кислотный гидролиз крахмала. Крахмал распадается до отдельных глюкозных звеньев. Глюкоза попадает в кишечник и через стенки кишок поступает в кровь, разносящую её по всему человеческому организму.
Содержание глюкозы в крови поддерживается на постоянном уровне при помощи гормона инсулина, который выделяется поджелудочной железой. Инсулин полимеризует избыточную глюкозу в животный крахмал – гликоген, который откладывается в печени. Часть гликогена в печени может гидролизоваться в глюкозу, далее поступающую обратно в кровь. Это происходит при понижении содержания глюкозы в крови. Если поджелудочная железа не может вырабатывать инсулин, содержание глюкозы в крови повышается, что приводит к диабету. Именно поэтому людям, болеющим сахарным диабетом, необходимо регулярно вводить в кровь инсулин.
Молекула глюкозы, попадая в клетку организма, окисляется, «сгорает» с образованием воды и диоксида углерода. При этом выделяется энергия, необходимая организму для движения, согревания, осуществления различных физических нагрузок и т.д. Но биологическое окисление глюкозы похоже на обычное горение лишь по своим конечным результатам. Биологическое окисление – процесс медленный, многоступенчатый. Только малая часть высвобождаемой при окислении энергии превращается на каждой стадии данного процесса в тепло. Значительная доля энергии, заключенной в химических связях глюкозы, расходуется на образование других веществ, из которых важнейшее в биоэнергетике – аденозинтрифосфорная кислота C10H16N5O13P3 (АТФ). Это соединение состоит из трех частей – гетероцикла аденина, рибозы (сахара) и трех остатков фосфорной кислоты, образующей с рибозой сложный эфир (рис.2).
Рис. 2. Структура аденозинтрифосфорной кислоты
АТФ в клетках – универсальная энергетическая валюта. Множество ферментов умеют вести химические реакции, осуществляющиеся с затратой энергии, за счет гидролитического отщепления одного или двух остатков фосфорной кислоты от молекулы АТФ (этот процесс сопровождается выделением энергии), или наоборот, умеют использовать энергию, которая высвобождается в реакциях с выделением энергии для того, чтобы АТФ образовалась. Расщепляя АТФ, клетка использует высвобождаемую энергию на биосинтез различных соединений, а окисляя углеводы – синтезирует АТФ.
Первая стадия «сгорания» глюкозы в клетке – взаимодействие глюкозы с АТФ (рис. 3). При этом АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфат C10H15N5O10P2), а глюкоза – в 6-фосфат. Этот процесс фосфорилирования происходит под действием фермента гексокиназы за счет перенос остатка фосфорной кислоты (H3PO4) от фосфорилирующего агента – донора к субстрату:
Рис. 3. Взаимодействие глюкозы с АТФ
Следующий этап окисления – «рокировка» глюкозофосфата во фруктозофосфат, который происходит под действием фермента изомеразы (рис.4). Рокировка типа глюкоза–фруктоза делает доступным для фосфорилирования еще один гидроксил сахара (т.к. взаимодействовать с АТФ могут только краевые гидроксилы):
Рис. 4. Взаимодействие глюкозо-6-фосфата и фермента изомеразы
После второго фосфорилирования уже под действием другого фермента – фосфорфруктокиназы – получается в итоге фруктозо-1,6-дифосфат (C6H14O12P2 ) (рис.5):
Рис. 5. Взаимодействие фруктозо-6-фосфата и 6-фосфоруктокиназы
Фруктозо-1,6-дифосфат распадается на две части. Получается дигидроксиацетонфосфат ( C3H7O6P ) и глицеральдегид-3-фосфат ( C3H7O6P) (рис. 6).
Рис. 6. Распад Фруктозо-1,6-дифосфата
Клетке нужен только второй продукт, и она с помощью фермента изомеразы превращает первый фосфат во второй (чтобы не было отходов производства) (рис. 7).
Рис. 7. Превращение диоксиацетон-фосфата в глицеральдегид-3-фосфат
На данной стадии в реакцию вступают два соединения: глутатион – соединение, несущее меркаптогруппу SН и никотинамидаденинуклеотид (НАД). НАД легко присоединяет водород: НАД-Н2.
Далее развивается процесс, мало изученный в деталях, но описать его можно пока следующим образом. Под действием НАД и его восстановленной формы, фермента дегидрогеназы и фосфорной кислоты, глицеральдегид-3-фосфат превращается в смешанный ангидрид 3-фосфоглицериновой и фосфорной кислот (рис. 8).
Рис. 8. Превращение глицеральдегид-3-фосфата в смешанный ангидрид 3-фосфоглицериновой и фосфорной кислот
Всё это время энергия только поглощалась, так как АТФ переходил в АДФ. Теперь в реакции будет вступать АДФ, а в продуктах появится АТФ, и энергия будет выделяться. Так, под действием АДФ и фермента фосфоглицераткиназы образуется 3-фосфоглицериновая кислота (рис. 9).
Рис. 9. Образование 3-фосфоглицерата
В ней фермент фосфоглицеромутаза вызывает «рокировку» фосфатной группы в положение 2 (рис. 10).
Рис. 10. Превращение 3-фосфоглицерата в 2-фосфоглицерат
На полученный продукт воздействует фермент енолаза и АДФ – получается пировиноградная кислота (рис. 11, 12).
Рис. 11. Дегидратация 2-фосфоглицерата
Рис. 12. Перенос фосфорильной группы с фосфоенолпирувата на АДФ. Образование пирувата
Процесс превращения глюкозы в пировиноградную кислоту в клетке называется гликолизом [3]. В результате гликолиза клетка получает из одной молекулы глюкозы восемь молекул АТФ и две молекулы пировиноградной кислоты. Превращение глюкозы в пировиноградную кислоту является первой стадией, общей для нескольких процессов. То же самое происходит под действием дрожжей на раствор сахара. Но реакция не закачивается получением пировиноградной кислоты. От этой кислоты отщепляется (под действием фермента декарбоксилазы) молекула диоксида углерода и образуется уксусный альдегид, который, в свою очередь, атакуется ферментом дегидрогеназой и НАД-Н2. В результате при отсутствии кислорода получается этиловый спирт.
На самом деле уравнение этого сложного процесса выглядит довольно просто:
С6Н12О6 à 2С2Н5ОН + 2СО2
Это и есть процесс брожения. В мышцах НАД-Н2 восстанавливает пировиноградную кислоту в молочную. Это происходит при большой нагрузке, когда кровь не успевает подводить кислород в нужном количестве. Поэтому у спортсменов, пробежавших дистанцию, резко увеличивается в крови количество молочной кислоты [4].
Ферменты – это биологические катализаторы, имеющие белковую природу, помогающие ускорить химические реакции как в живых организмах, так и вне их. Ферменты обладают высокой каталитической активностью. К примеру, чтобы расщепить молекулу полиуглевода (крахмал, целлюлозу) или какой – либо белок на составные части, их нужно несколько часов кипятить с крепкими растворами щелочей либо кислот. А ферменты пищеварительных соков (пепсин, протеаза, амилаза) способны гидролизовать эти вещества буквально за несколько секунд при температуре 37 °С. Помимо этого, ферменты обладают избирательностью своего действия в отношении структуры субстрата, условий проведения реакции и её типа (фермент превращает только данный тип субстратов в определенных реакциях и условиях). Ферменты катализируют огромное количество реакций, протекающих в живой клетке при размножении, дыхании, обмене веществ и т.д. [5].
В современном понимании биохимическое расщепление углеводов – это метаболический процесс, при котором регенерируется АТФ, а продукты расщепления органического субстрата могут служить одновременно и донорами, и акцепторами водорода. Огромную роль в биохимических процессах играют микроорганизмы, ферменты и катализаторы. Считается, что анаэробный гликолиз (расщепление углеводов) был первым источником энергии для общих предков всех живых организмов до того, как концентрация кислорода в атмосфере стала достаточно высокой, и поэтому эта форма генерации энергии в клетках – более древняя. За очень редкими исключениями она существует и у всех ныне живущих клеток.
В настоящее время ученые считают, что все реакции биохимического расщепления углеводов на начальной стадии имеют общую схему вплоть до образования пировиноградной кислоты. Затем, в зависимости от условий и качества ферментов, из пировиноградной кислоты образуются конечные продукты реакции: спирты, кислоты (уксусная, лимонная, молочная, яблочная, масляная и т.д.), альдегиды, углекислый газ, водород, вода и пр.
Изучение биохимических реакций расщепления углеводов в организме человека и анализ использованных источников позволили сделать следующие выводы:
1. В общем виде схему механизма расщепления углеводов можно представить следующим образом: сложный углевод (дисахарид, полисахарид) à глюкоза à эфиры фосфорных кислот à глицериновый альдегид à глицериновая кислота à пировиноградная кислота à далее возможны любые упомянутые выше направления.
2. Биохимические реакции углеводов лежат в основе жизнедеятельности клеток живых организмов, в том числе и человека.
3. Биохимические процессы расщепления углеводов, которые изображаются простыми, на первый взгляд, уравнениями начальных и конечных продуктов, на самом деле представляют собой сложные и многоступенчатые процессы.
4. Для осуществления биохимических процессов необходимы ферменты и катализаторы, которые ускоряют реакции расщепления углеводов в тысячи раз.
Изучая сложнейшие процессы, происходящие в живой клетке, ученые задумываются: а нельзя ли, научившись у природы, провести в колбах и ретортах искусственные химические процессы, копирующие биохимические реакции? Начатые по инициативе академика Н.Н. Семенова, такие исследования в области «химической бионики» успешно ведутся в России и во всем мире [6].