Строение углеводов и гликоген

Моносахариды

Моносахариды имеют самую простую химическую структуру и поэтому очень легко расщепляются и усваиваются. Простые углеводы хорошо растворяются в воде. Они обладают выраженным сладким вкусом, но их сладость различна по состоянию выраженности.

а) Глюкоза — по сравнению с другими сахарами наиболее быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте и поступает в кровь, а затем - в клетки различных органов и тканей, где она вовлекается в энергетический обмен. При этом образуется значительное количество АТФ (аденезитрифосфорная кислота) — высокоэнергетического вещества, которое используется организмом для реализации различных физиологических функций, в том числе и для сокращения мыши.

Глюкоза — наиболее легкоутилизируемый источник энергии для человека. Роль глюкозы особенно велика для нормального функционирования центральной нервной системы (ЦНС). Глюкоза играет исключительно важную роль в выработке инсулина-основного анаболического и антикатаболического гормона организма человека. Как и гормон роста (соматотропин), инсулин увеличивает скорость проникновения аминокислот в клетки мышц, что приводит к положительному азотистому балансу и росту мышц. Любопытно, однако, что многие органы могут усваивать глюкозу и внеинсулиновым путем. В первую очередь, это характерно для головного мозга и печени. Организм многократно подстраховывает свой обмен от возможного дефицита инсулина и других гормональных факторов.
В нашем повседневном питании из простых углеводов мы употребляем в основном сахарный песок, с которым пьём чай, который добавляем в кондитерские изделия и напитки. В пищеварительном тракте сахароза легко распадается на глюкозу и фруктозу, а они уже непосредственно окисляются с дальнейшим преобразованием в АТФ.

Глюкоза служит непосредственным предшедственником гликогена (в основном мышечного) — запасного углевода организма. В то же время она легко превращается в тритлииериды, причём этот процесс особенно усиливается при избыточном поступлении глюкозы вместе с пищей.
Теоретически окисление жиров может дать вдвое больше энергии, чем окисление глюкозы. Однако жир с большим трудом проникает через клеточные мембраны митохондрий и с трудом окисляется.

Глюкоза же проникает внутрь клетки очень легко и окисляется очень быстро, поэтому-то глюкоза и рассматривается нами как основное энергетическое вещество. Гликоген печени тоже вначале распадается до глюкозы и лишь потом включается в энергетический обмен.
В организме обычного человека при недостатке глюкозы происходит её синтез из аминокислот и жиров, однако удельный вес такой глюкозы очень мал. Способность организма синтезировать глюкозу из других компонентов пищи невелика. Совсем другое дело — организм спортсмена. Основной эффект любой тренировки заключается в создании энергетического дефицита в тех или иных мышечных структурах. Это основной стимул для усиления белкового синтеза и приспособления организма к большим физическим нагрузкам. Среди огромного количества приспособительных реакций присутствуют и такие: организм учится извлекать больше глюкозы из аминокислот и жиров. Процесс синтеза глюкозы самим организмом несёт название «глюконеогенез», т.е. новообразование глюкозы. Чем выше квалификация спортсмена, тем сильнее у него развит механизм глюконеогенеза, тем больше глюкозы организм может синтезировать. Интенсивность глюконеогенеза - основной механизм, обеспечивающий выносливость организма как в аэробных, так и в анаэробных видах спорта.От глюконеогенеза зависит также способность организма к восстановлению после соревновательных нагрузок.

Надеюсь, вы теперь понимаете, почему глюкозе было уделено столь обширное место в статье по отношению к другим сахаридам.

б) Фруктоза по сравнению с другими простыми углеводами медленнее всасывается в кишечнике. Однако она быстрее и легче других углеводов превращается в гликоген в печени и мышцах.

Как и глюкоза — служит быстроутилизируемым источником энергии. Часть фруктозы в печени превращается в глюкозу, которая затем используется для восстановления запасов гликогена в печени. Метаболизм оставшейся части фруктозы отличается от такового глюкозы. Ферменты, участвующие в превращениях фруктозы, не требуют для проявления своей активности инсулина. Этим обстоятельством, а также значительно более медленным восстановлением фруктозы (по сравнению с глюкозой) объясняется лучшая переносимость фруктозы больными сахарным диабетом. Фруктоза усиливает биологическую активность лецитина (аминокислоты с разветвленной цепью), а также нескольких других аминокислот, необходимых для синтеза белка мышц. Кроме того, фруктоза увеличивает всасываемость глюкозы и других питательных веществ.

Олигосахариды

Сахароза (обычный сахар — свекольный или тростниковый). Расщепляется до глюкозы и фруктозы. Как и глюкоза, сахароза легко превращается в триглицериды (жирные кислоты), что способствует образованию значительных жировых отложений. По всей видимости, это одна из причин того, что сахароза не используется в пищевых добавках.

Мальтоза — (солодовый сахар). При помощи специального фермента мальтоза расщепляется в желудочно-кишечном тракте до двух остатков глюкозы.

Лактоза — (молочный сахар), содержащийся только в молоке, наряду с этим является основным углеводом молока и молочных продуктов. Её типичная черта — плохая усвояемость в организме взрослого человека. Если в организме детей лактоза в желудочно-кишечном тракте под влиянием фермента «лак-тазы» расщепляется и всасывается почти моментально, то во взрослом организме она в не-расщепленном виде проходит до самого толстого кишечника. В кишечнике лактоза начинает бродить с образованием большого количества токсинов и газов.
Плохое расщепление лактозы связано с тем, что в организме взрослого человека такой фермент, как «лактаза», практически отсутствует. И усвояемость молока зависит от того, в какой мере другие ферменты пищеварительной системы возьмут на себя роль «лактазы». У тех, у кого этого не происходит совсем, устанавливается стойкая непереносимость к молоку и молочным продуктам.

В кисло-молочных продуктах лактоза уже разрушена бактериями молочного брожения, поэтому они и усваиваются так легко даже в организме взрослого человека.

Мальтодекстрин представляет собой промежуточный продукт расщепления крахмала. Состоит из смеси мальтозы и декстринов (полимеров глюкозы длинной и средней цепи). Имеет сравнительно небольшую скорость расщепления, обеспечивая тем самым длительное и равномерное поступление глюкозы.

Хотелось бы заметить, что потребление значительных количеств простых углеводов (особенно глюкозы) вызывает гипергликемию (скачкообразное повышение уровня сахара в крови), которая ведет к раздражению инсулярного аппарата поджелудочной железы и резкому выбросу гормона в кровь. А систематическое поступление в организм избыточного количества легкоусвояемых углеводов может вызвать истощение инсулярного аппарата и развитие сахарного диабета. Кроме того, поступающие значительные количества простых углеводов не могут полностью депонироваться в виде гликогена, и их избыток превращается в триглицериды, способствуя усиленному развитию жировой ткани. Повышенное содержание в крови инсулина способствует ускорению этого процесса, поскольку в этом случае инсулин оказывает мощное стимулирующее действие на синтез жиров.

В данном случае оправдан прием комплексных углеводов, т.е. сочетание полимеров глюкозы (в основном мальтодекстрина) и небольшого количества фруктозы. Такое соотношение обеспечивает поступление легко- и медленно усвояемых углеводов в кишечник и равномерное их всасывание.

Полисахариды

Сложные углеводы в нашей пище представлены в основном крахмалом. Удельный вес крахмала в рационе среднего человека намного превышает удельный вес простых углеводов.

Крахмал составляет в среднем 80% от общего количества потребляемых углеводов. Крахмал — полимер, не способный растворяться в воде. С водой он способен образовывать коллоидный раствор. Простейшим примером коллоидного раствора может служить всем нам известный кисель. В желудочно-кишечном тракте крахмал расщепляется в начале до декстринов, затем до глюкозы. И только глюкоза опять включается в энергетический обмен.

Таблица 1. Влияние различных углеводов на синтез структурных компонентов организма
Белки Гликоген Жиры
Глюкоза 39.2 0,3 60.5
Фруктоза 42.5 0.75 57.0
Сахароза 38.0 0.3 61.7
Мальтодекстрин 54.7 0.8 44.5

Гликоген

Углеводы, поступающие с пищей, превращаются в гликоген, который откладывается в тканях. Однако, как пищевой источник углеводов, он практического значения не имеет. В организме гликоген используется, как депо углеводов, из которого при необходимости организм «черпает» глюкозу, используемую для обеспечения энергией различных физиологических функций. В связи с этим гликоген играет важную роль в регуляции уровня сахара в крови.

Основными органами, в которых откладываются значительные количества гликогена, являются печень, скелетные мышцы, почки, сердце и т.д. По мере необходимости во время совершения мышечной работы гликоген расщепляется опять же до глюкозы, а уже глюкоза сгорает с выходом энергии. Гликоген составляет до 3% мышечной массы идо 20% массы печени. Уже отсюда становится ясно, какую роль он играет в этих органах.

Главная роль гликогена печени состоит в поддержании постоянного физиологического уровня глюкозы в крови в условиях дефицита экзогенных углеводов. Но если бы мышечный гликоген не обладал способностью к регенерации за счет глюкозы из печеночного гликогена, то весь запас мышечного гликогена при физической работе расходовался бы за 20 секунд при анаэробном окислении (белые мышечные волокна) и за 3,5 минуты в аэробных условиях (красные мышечные волокна). Безусловно, способность к регенерации — положительный момент, но это лишь на время поддерживает уровень гликогена, без поступления углеводов извне. Об этом чуть ниже.
Синтез гликогена, как в мышцах, так и в печени, идет принципиально одинаковым путем, однако в печени гликоген может синтезироваться за счет глюко-неоинеза (из жира и белка), а в мышцах — нет.

Общее количество гликогена в организме невелико и составляет около 500 г, из которых 1/3 локализована в печени, а остальные 2/3 — в скелетных мышцах. Если с пищей не поступают, то запас гликогена исчерпывается через 12—18 часов.
Для полного восстановления после интенсивной тренировки необходимо восполнить запас гликогена в печени и мышцах. Ресинтез гликогена - довольно медленный процесс (всего 5% в час), который занимает около 20 часов и требует большого количества углеводов. Исключением являются первые 2 часа после тренировки (так называемое бел-ково-углеводное окно), во время которых скорость восстановления увеличивается до 7 - 8%.

Целлюлоза (клетчатка)

Пищевые волокна представляют собой не перевариваемые в пищевом тракте сложные растительные углеводы: целлюлоза, гемицеллюлоза.
Пищевые волокна активно влияют на обмен веществ. Они связывают воду, абсорбируют и выводят из организма ядовитые вещества, снижают уровень холестерина в крови, нормализуют полезную микрофлору кишечника, усиливают перистальтику, способствуя более быстрому перемещению кишечных и каловых масс.

При недостатке растительных волокон нарушается пищеварение, а усиление процессов гниения может привести к самоотравлению организма. Известно, что в Древнем Китае приговоренного к смерти кормили вареным мясом. Отсутствие пищевых растительных волокон сводило на нет перистальтику, приводило к полному забитию кишечника и в конечном итоге к смерти.
Пищевых волокон много в ржаных и пшеничных отрубях, овощах, в ржаном хлебе, землянике, маслине, рябине, свекле, капусте. Они содержатся в большинстве овощей и фруктов.

Пектиновые вещества делятся на:
а) протопектины;
б) пектины.

Протопектины — это основная часть клеточных стенок растений. Из них также состоят межклеточные прослойки. Это каркас растительных тканей. Протопектины сами по себе служить источником энергии не могут. Они, однако, способны распадаться на пектины и целлюлозу.
Пектины способны расщепляться в кишечнике до глюкозы и тетрагалактуроновой кислоты. Но основная роль пектинов заключается не в этом. Пектины в водном растворе превращаются в желеобразную, коллоидную массу. Некоторые ягоды и плоды (красная смородина, яблоки) можно использовать для приготовления желе без всякого желатина. Коллоидные массы пектинов способны связывать в кишечнике холестерин, желчные кислоты, токсические вещества, и выводить их из организма. В последнее время предложено к применению много новых диетических продуктов с высоким содержанием пектина для снижения содержания в организме холестерина и выведения солей тяжелых металлов (тетраэтилсвинец и др.).

Физиологическое значение углеводов в основном определяется их энергетическими свойствами. При интенсивной физической нагрузке содержание углеводов в пищевом рационе необходимо повышать до 800 - 900 г и более в сутки. Лучше всего углеводы усваиваются в организме, когда 64% их поступают в виде крахмала (крупы, хлеб, макароны, картофель и др.), а 36% - в виде Сахаров (свекловичный, тростниковый, глюкоза).

Некоторые спортсмены часто практикуют прием больших количеств сахара. Это ничем не оправдано. Сахар — не только пищевой продукт, но и раздражитель нервной системы и желез внутренней секреции. Повышение его уровня в крови (а норма 80 - 120 мг%, т.е. на 100 мл крови) отрицательно влияет на функцию этих систем, и, кроме того, при этом он выводится из организма с мочой.

Хорошим источником легкоусвояемых углеводов является мед: он содержит фруктозу — сахар, необходимый для мышцы сердца. Мёд лучше употреблять в восстановительном периоде после больших физических нагрузок и во время тренировки небольшими порциями, разведенными в воде. Но злоупотреблять им не следует, как и любыми другими углеводосодержащими продуктами.

При поступлении в организм углеводов уровень сахара в крови возрастает. Инсулин — анаболический гормон, снижает уровень сахара в крови до нормы. Выделение инсулина увеличивает проницательность клеточных мембран, и глюкоза начинает резко поступать внутрь клеток. Другой гормон — глюкагон, напротив, повышает до нормы уровень сахара в крови при его падении.

В наблюдениях А.Крога, Е.Христенсена (1939) за спортсменами установлено, что при поступлении в организм пищи, богатой углеводами, они работают более экономно и меньше утомляются, чем при питании жирной пищей. Физическая работа сопровождается значительным потреблением сахара скелетными мышцами, и для поддержания их высокой работоспособности требуется повышенное введение в организм углеводов. Они необходимы также для нормализации деятельности ЦНС, так как способны поддерживать на определенном уровне процессы возбуждения в ЦНС. Хорошая обеспеченность мышечных клеток углеводами позволяет использовать источники энергии в условиях гипоксии, способствуя усилению ресинтеза АТФ и уменьшению ацидоза в организме. Этим объясняется тот факт, что у спортсменов нормы углеводов в питании более высокие, чем у неспортсменов.

При подборе углеводов необходимо учитывать и их «гликемический индекс», который позволяет нам сравнить скорость
всасывания отдельных углеводов, т.е. скорость превращения углеводов пиши в глюкозу крови. Общемировой стандарт принт, как скорость всасывания глюкозы, ее индекс равен 100. соответственно этому величина для галактозы будет 110, для фруктозы — 43, маннозы — 19, пентозы - 9 — 15. Все моносахариды, попадая в клетки слизистой оболочки кишечника, фосфорируются. т.е. образуют фосфорные сложные эфиры. Только в таком виде углеводы могут включиться в энергетический обмен .

Некоторые правила приема углеводов:
1) Ешьте продукты с высоким содержанием углеводов небольшими порциями в течение дня. Научные исследования показывают, что высокоуглеводная диета увеличивает запасы гликогена в печени и скелетных мышцах на 45%, по сравнению с обычной диетой.
2) Принимайте углеводы с низким гликемическим индексом (медленно усвояемые) за 1,5 — 2 часа до тренировки. Это позволит увеличить запасы гликогена и аминокислот перед тренировкой.
3) Принимайте специальные энергетические напитки с содержанием углеводов 5 — 10% во время тренировки в расчете 0,5 — 1 литр напитка на 1 час тренировки. Это позволит увеличить работоспособность на тренировке на 30 - 35% и значительно уменьшить катаболизм мышц — расщепление белка и использование его на энергетические нужды.

Примерный состав подобных
Витамин В1, Витамин В2, Витамин В3, Ниацин, Натрий, Кальций, Калий, Хлориды, Фосфор, Янтарная кислота.
Возможно добавление кофеина и некоторых других веществ. В крайнем случае, как я уже говорил, разведенный в воде мед небольшими порциями.

4) Принимайте углеводно-белковые напитки и просто продукты с высоким содержанием углеводов (с высоким гликемическим индексом), а также высокобелковую пишу сразу после тренировки. Это позволит максимально восполнить запасы гликогена, истощенные за время тренировки, и ускорить восстановление мышц.

Таблица 2. Дневная потребность в углеводах (в граммах) в зависимости от веса тела и продолжительности тренировки

Вес, кг | Общая дневная продолжительность тренировки, в часах
| 2 3 4 5 6 7
40 200 300 400 500 600 700
50 300 400 500 600 700 800
60 400 500 600 700 800 900
70 500 600 700 800 900 1000
80 600 700 800 900 1000 1100
90 700 800 900 1000 1100 1200
100 800 900 1000 1100 1200 1300
110 900 1000 1100 1200 1300 1400
120 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Углеводы состоят преимущественно из углерода, водорода и кислорода. Они делятся на простые - моносахариды, в состав которых входит одна молекула простейшего сахара - глюкозы, и сложные (дисахариды и полисахариды). Простые углеводы (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза) легко растворяются в воде и синтезируются в листьях зеленых растений под влиянием солнечных лучей в присутствии хлорофилла.
Основной представитель этой группы - глюкоза - быстро усваивается организмом и используется для питания клеток, органов и тканей.
Фруктоза несколько слаще глюкозы, но усваивается организмом хуже. Наибольшее количество фруктозы и глюкозы в пчелином меде и цветочном нектаре. Галактоза входит в состав молока и молочных продуктов (творог, сыр и прочее).
Дисахариды - тростниковый, свекловичный сахар (сахар-рафинад) - сахароза, мальтоза и лактоза. Содержание сахарозы в тростнике достигает 25%, в сахарной свекле - 20%, в абрикосах, бананах, дынях - до 10%, в моркови - до 7%. В небольшом количестве она находится в соках сахарного клена и некоторых пальм. Мальтоза - солодовый сахар, имеется в прорастающих зернах и в апельсинах, лактоза - молочный сахар - в молоке млекопитающих животных и молочных продуктах. Лактоза, как незаменимый продукт, способствует развитию в кишечнике человека молочнокислых бактерий, сдерживающих гнилостные процессы и поэтому весьма полезных для организма.
К полисахаридам относятся: крахмал, гликоген, декстраны, инулин, клетчатка, пектиновые вещества и другие. Большое значение в питании человека имеет крахмал. Постепенно расщепляясь ферментами в желудочно-кишечном тракте, он превращается в глюкозу и поддерживает ее концентрацию в крови. Крахмал содержится в картофеле, зерновых и бобовых культурах. Из продуктов растительного происхождения с нежной клеточной оболочкой (манная, рисовая каши) крахмал усваивается лучше, чем из продуктов с грубой оболочкой (горох, фасоль, бобы и др.).
Содержание крахмала в зернах пшеницы составляет до 65%, риса - 70%, в картофеле - 75-80%. В растительных клетках он располагается веерообразно в виде "игольчатых" кристаллов. Нагретый в воде образует коллоидный раствор. В общем количестве потребляемых углеводов он составляет 83-85%.
Гликоген - полисахарид, в наибольшем количестве накапливается в печени животных, составляя до 38% общего гликогена организма. Много его в дрожжевых клетках и в тканях раков, крабов.
Инулин входит в состав клеток цикория, артишока и др.
Клетчатка в значительном количестве содержится в хлебе грубого помола, капусте, свекле, репе, бобах, отрубях, овсяной, перловой и пшеничной крупах. Она не всасывается в организме, но необходима для стимуляции перистальтики кишечника, в результате которой обеспечивается выведение из организма холестерина и шлаков. Клетчатка усиливает желчеотделение, обеспечивает чувство насыщения едой. Расщепление ее в кишечнике препятствует развитию гнилостных процессов и предупреждает заболевания кишечника и других органов.
Пектиновые вещества являются стабилизирующим материалом. В незрелых плодах находится про-пектин, при их созревании он переходит в пекши. В перезрелых и испорченных в ходе этих превращений фруктах образуется метиловый спирт и ацетилен. Пектин усваивается плохо и только под влиянием кишечной флоры.
Недостаток потребления с пищей растительных волокон способствует развитию заболеваний толстой кишки (колит, геморрой, полипоз, рак). Пищевые волокна удерживают воду в толстой кишке, в результате объем пищевого кома, а в последующем каловых масс, увеличивается. Они стимулируют двигательную активность кишечника.
Следовательно, самые полезные углеводы содержатся в овощах и фруктах, так как они сочетаются в них с жизненно необходимыми организму веществами (органическими кислотами, витаминами и пектином).
Полисахариды постепенно расщепляются в тонком кишечнике и усваиваются тканями.
В течение дня человек потребляет углеводов больше, чем других пищевых веществ. Резервы их в организме малы, и это не случайно.
Потребность в углеводах увеличивается при физическом и умственном напряжении. Так, например, для процессов запоминания нужной информации мозговые клетки потребляют глюкозу со скоростью 100 мг/мин. Углеводы поставляют две трети необходимой энергии для работы всех органов и систем, главным образом, нервной, участвуют в пластических процессах.
В суточном рационе углеводы составляют до 50-60% его калорийности.
Людям, склонным к полноте, можно снижать количество углеводов в пищевом рационе, не причиняя вреда здоровью.
Для нормальной жизнедеятельности очень важны белково-углеводные соединения - гликопротеиды (белки плазмы крови, ферменты, антитела, гормоны, факторы свертывания крови и др.). Пребывая в клеточной оболочке, эти комплексы "узнают" клетки своего организма и их взаимодействия, что очень важно в обеспечении жизни клеток. Нарушение этой функции может способствовать развитию ряда болезней, в том числе аллергии и злокачественных опухолей.

Углеводы:

• участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, заменимых аминокислот, в пластических процессах;
• входят в состав клеток, тканей и межтканевых жидкостей, крови;
• пополняют содержание глюкозы в крови, резервного гликогена (в мышцах и печени);
• помогают организму в утилизации жиров;
• в определенных условиях могут усиливать сенсибилизацию (повышенную чувствительность) организма, участвуя в аллергических реакциях, снижать его защитные свойства;
• разрушают зубную эмаль;
• способствуют развитию кариеса зубов.

Признаки нарушения обмена углеводов многообразны: ухудшение всасывания углеводов в тонком кишечнике при недостаточности ферментов и гормонов, особенно поджелудочной железы или в результате воспаления в тонком кишечнике; нарушение отложения гликогена в печени и мышцах при недостаточности кислорода в связи с заболеваниями дыхательной, сердечно-сосудистой и других систем организма.
Голодание, заболевания печени (гепатиты, циррозы), тяжелые инфекции и отравления снижают образование гликогена и способствуют его повышенному разрушению.
Необходимо заметить, что между белками и углеводами имеется определенная связь. При некоторых заболеваниях (сахарный диабет и др.) может наступить образование углеводов из белков, распад аминокислот в измененном обмене веществ также способствует образованию углеводов.
Таким образом, пищевые углеводы - не просто источник энергии. Это пластический материал в построении клеточных структур и биологических соединений.
Известно, что избыточное питание с употреблением жиров и углеводов при неправильном (ограниченном) двигательном режиме способствует увеличению частоты сердечных заболеваний, ожирения, сахарного диабета и др. Употреблять углеводы рекомендуется только с пищей на завтрак, обед и ужин. Ни в коем случае нельзя употреблять их в промежутках между приемами пищи, так как легкорастворимые в воде, они быстро усваиваются организмом, в то время как крахмал должен предварительно расщепиться в пищеварительном канале на более простые соединения. Нельзя принимать легкорастворимые углеводы непосредственно перед сном.