Източници на енергия в човешкото тяло. Протеини, мазнини, въглехидрати - източници на енергия за човешкото тяло

Основният източник на енергия за живите организми е енергията на слънчевата светлина. Фототрофите - растенията и фотосинтезиращите микроорганизми - директно използват светлинна енергия за синтеза на сложни органични вещества (мазнини, протеини, въглехидрати и др.), Които са вторични източници на енергия. Хетеротрофите, които включват животни, използват химическата енергия, освободена по време на окисляването на органични вещества, синтезирани от растенията.

Биоенергийните процеси могат да бъдат разделени на процеси на производство и натрупване на енергия и процеси, при които се извършва полезна работа поради натрупаната енергия (фиг. 1.1). Фотосинтезата е основният биоенергиен процес на Земята. Това е сложна многостепенна система от фотофизични, фотохимични и тъмни биохимични процеси, при които енергията на слънчевата светлина се трансформира в химични или електрохимични форми на енергия. В първия случай това е енергията, съдържаща се в сложните органични молекули, а във втория - енергията на протонния градиент върху мембраните, която също се превръща в химична форма. Във фотосинтезиращите организми квантите на слънчевата светлина се абсорбират от молекулите на хлорофила и прехвърлят техните електрони във възбудено състояние с повишена енергия. Благодарение на енергията на възбудените електрони в молекулите на хлорофила фотосинтетичната система на фототрофите от прости молекули въглероден диоксид и вода синтезира глюкоза и други органични молекули (аминокиселини, мастни киселини, нуклеотиди и др.), от които се образуват въглехидрати, протеини , мазнините впоследствие се изграждат в тялото и нуклеиновите киселини. Продуктът от тези реакции също е молекулярен кислород.

Общото уравнение на основните реакции на фотосинтезата:

6 CO 2 + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6 O 2,

Където hn -фотонна енергия.

Глобалната роля на фотосинтезата е изключително голяма. Мощността на слънчевата радиация е около 10 26 W. От него до повърхността на Земята достигат около 2 10 17 W, като от тази стойност приблизително 4 10 13 W се използват от фотосинтезиращите организми за синтеза на органични вещества (Самойлов, 2004). Тази енергия поддържа живота на Земята. Благодарение на него се синтезират около 7 510 10 тона биомаса годишно (по отношение на въглерод). В същото време около 4 10 10 тона въглерод се фиксират от фитопланктона в океана и 3 510 10 тона от растенията и фотосинтезиращите микроорганизми на сушата.

Човечеството консумира продуктите на фотосинтезата под формата на храна, като яде органични вещества, произведени основно от растения или вторично произведени от животни, които се хранят с растения, и под формата на гориво, което се използва 90% от предварително съхранени продукти на фотосинтеза - нефт и въглища ( останалата част от енергията се осигурява от атомни и водноелектрически централи).

Извличането на енергия, натрупана от фототрофните организми и нейното последващо използване се извършва в процесите на хранене и дишане. При преминаване през храносмилателния тракт храната се раздробява, клетките се разрушават и биополимерите (протеини, нуклеинови киселини, мазнини и въглехидрати) се разграждат до нискомолекулни мономери (аминокиселини, нуклеотиди, мастни киселини и захари), които се абсорбират в кръвта в червата и се транспортира в цялото тяло. От тях клетките извличат водородни атоми, носещи високоенергийни електрони, чиято енергия може частично да се съхранява под формата на молекули на аденозин трифосфат (АТФ). ATP е универсален източник на енергия, използва се като батерия, където и когато е необходима полезна работа.

Следващият клас на основния химични съединениянашето тяло - въглехидрати.Въглехидратите са добре познати на всички ни под формата на обикновена хранителна захар (химически това е захароза) или нишесте.
Въглехидратите се делят на прости и сложни. От простите въглехидрати (монозахариди) най-важни за човека са глюкоза, фруктоза и галактоза.
Сложните въглехидрати са олигозахариди(дизахариди: захароза, лактоза и др.) и незахароподобни въглехидрати - полизахариди(нишесте, гликоген, фибри и др.).
Монозахаридите и полизахаридите се различават по физиологичния си ефект върху организма. Използването на излишък от лесно смилаеми моно- и дизахариди в диетата допринася за бързо повишаване на нивата на кръвната захар, което може да бъде отрицателно за пациенти със захарен диабет (DM) и затлъстяване.
Полизахаридите се разцепват много по-бавно тънко черво. Следователно повишаването на концентрацията на захар в кръвта става постепенно. В това отношение по-полезно е консумирането на храни, богати на нишесте (хляб, зърнени храни, картофи, тестени изделия).
Заедно с нишестето витамините влизат в тялото, минерали, несмилаеми хранителни фибри. Последните включват фибри и пектин.
Целулоза(целулоза) има благоприятен регулиращ ефект върху функционирането на червата, жлъчните пътища, предотвратява застоя на храна в стомашно-чревния трактнасърчава елиминирането на холестерола. Богатите на фибри храни включват зеле, цвекло, боб, ръжено брашно и др.
пектинови веществавлизат в състава на пулпата на плодовете, листата, зелените части на стъблата. Те са в състояние да адсорбират различни токсини (включително тежки метали). Много пектини се намират в мармалад, мармалад, конфитюри, marshmallows, но повечето от тези вещества се намират в пулпата на тиква, която също е богата на каротин (предшественик на витамин А).
Повечето въглехидрати за човешкото тяло са бързо усвоим източник на енергия. Въглехидратите обаче не са абсолютно основни хранителни вещества. Някои от тях, като най-важното гориво за нашите клетки - глюкозата, могат да бъдат синтезирани доста лесно от други химични съединения, по-специално аминокиселини или липиди.
Ролята на въглехидратите обаче не бива да се подценява. Факт е, че те не само са в състояние, бързо изгаряйки в тялото, да му осигурят достатъчно количество енергия, но и да се съхраняват в резерв под формата гликоген- вещество, много подобно на добре познатото растително нишесте. Нашите основни запаси от гликоген са концентрирани в черния дроб или мускулите. Ако енергийните нужди на тялото се увеличат, например със значително физическа дейност, тогава запасите от гликоген се мобилизират лесно, гликогенът се превръща в глюкоза, която вече се използва от клетките и тъканите на нашето тяло като енергиен носител.

Опасността от прости въглехидрати!

До такива изводи стигнаха учени от университетите в Йерусалим (Израел) и Йейл (САЩ), след като проведоха поредица от експерименти.

Скакалците от вида Melanoplus femurrubrum бяха поставени в две клетки, едната от които беше натоварена и с паяци Pisaurina mira - техните естествени врагове. Задачата беше само да се изплашат скакалците, за да се проследи реакцията им към хищници, така че паяците бяха снабдени с "муцуни", като залепиха мандибулите си. Скакалците преживяха силен стрес, в резултат на което метаболизмът в тялото им се увеличи значително и се появи "брутален" апетит - по аналогия с хората, които ядат много сладко, когато са притеснени. Скакалци погълнати краткосроченголямо количество въглехидрати, чийто въглеводород се усвоява перфектно от тялото.

В допълнение, "преяждането" на скакалци, както се оказа, след смъртта може да навреди на екосистемата. Учените са открили това, като са поставили останките от телата им в почвени проби, където е протичал процесът на хумус. Микробната активност на почвата е спаднала с 62% в лабораторията и с 19% на полето, се казва в проучването.

За да тестват резултатите от експеримента, учените създадоха химичен модел "в реално време", заменяйки скелетите на истински скакалци с органични "хризали", състоящи се като естествени прототипи от въглехидрати, протеини и хитин в различни пропорции. Резултатите от експериментите показват, че колкото по-голям е процентът на азот (съдържащ се в протеините) в останките от скакалци, толкова по-добре протичат процесите на разлагане на органичната материя в почвите.

Органични въглехидрати

Въглехидрати

Органичните съединения съставляват средно 20-30% от клетъчната маса на живия организъм. Те включват биологични полимери: протеини, нуклеинови киселини, въглехидрати, както и мазнини и редица малки хормонални молекули, пигменти, АТФ и др. Различните видове клетки включват неравномерно количество органични съединения. В растителните клетки преобладават сложните въглехидрати-полизахариди, докато в животинските има повече протеини и мазнини. Независимо от това, всяка от групите органични вещества във всеки тип клетки изпълнява подобни функции: осигурява енергия, е строителен материал.

1. КРАТКО РЕЗЮМЕ НА ВЪГЛЕХИДРАТИТЕ

Въглехидратите са органични съединения, съставени от една или повече молекули. прости захари. Моларната маса на въглехидратите варира от 100 до 1 000 000 Da (маса на Далтон, приблизително равна на масата на един водороден атом). Тяхната обща формула обикновено се записва като Cn(H2O)n (където n е поне три). За първи път през 1844 г. този термин е въведен от местния учен К. Шмид (1822-1894).

Името "въглехидрати" възниква въз основа на анализа на първите известни представители на тази група съединения. Оказа се, че тези вещества се състоят от въглерод, водород и кислород и съотношението на броя на водородните и кислородните атоми в тях е същото като във водата: два водородни атома - един кислороден атом. По този начин те се разглеждат като комбинация от въглерод и вода. В бъдеще станаха известни много въглехидрати, които не отговарят на това условие, но името "въглехидрати" все още остава общоприето. В животинската клетка въглехидратите се намират в количество, което не надвишава 2-5%. Растителните клетки са най-богати на въглехидрати, където тяхното съдържание в някои случаи достига 90% от сухата маса (например в картофени клубени, семена).

2. КЛАСИФИКАЦИЯ НА ВЪГЛЕХИДРАТИТЕ

Има три групи въглехидрати: монозахариди или прости захари (глюкоза, фруктоза); олигозахариди - съединения, състоящи се от 2-10 последователно свързани молекули прости захари (захароза, малтоза); полизахариди, съдържащи повече от 10 захарни молекули (нишесте, целулоза).

3. СТРУКТУРНИ И ФУНКЦИОНАЛНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ОРГАНИЗАЦИЯТА НА МОНО- И ДИЗАХАРИДИТЕ: СТРУКТУРА; НАМИРАНЕ В ПРИРОДАТА; ПОЛУЧАВАНЕ. ХАРАКТЕРИСТИКА НА ОТДЕЛНИТЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ

Монозахаридите са кетонни или алдехидни производни на многовалентни алкохоли. Въглеродните, водородните и кислородните атоми, които съставляват техния състав, са в съотношение 1:2:1. Общата формула за простите захари е (CH2O)n. В зависимост от дължината на въглеродния скелет (броя на въглеродните атоми) те се делят на: триоза-С3, тетроза-С4, пентоза-С5, хексоза-С6 и др. Освен това захарите се делят на:

Алдозите, съдържащи алдехидна група, са C=O. Те включват | | H глюкоза:

H H H H H
CH2OH - C - C - C - C - C
| | | | \\
ОХ ОХ ОХ ОХ ОХ

Кетоза, съдържаща кетонна група - С-. На тях, например, || се отнася до фруктоза.

В разтворите всички захари, като се започне от пентозите, имат циклична форма; в линейната форма присъстват само триози и тетрози. Когато се образува цикличната форма, кислородният атом на алдехидната група е ковалентно свързан с предпоследния въглероден атом на веригата, което води до образуването на полуацетали (в случай на алдози) и хемикетали (в случай на кетози).

ХАРАКТЕРИСТИКА НА МОНОЗАХАРИДИТЕ, ОТДЕЛНИ ПРЕДСТАВИТЕЛИ

От тетрозите еритрозата е най-важна в метаболитните процеси. Тази захар е един от междинните продукти на фотосинтезата. Пентозите се намират в естествени условия главно като съставни части на молекули на по-сложни вещества, като сложни полизахариди, наречени пентозани, както и растителни смоли. Пентози в значителна сума(10-15%) се намират в дърво, слама. В природата се среща предимно арабиноза. Има го в черешовия клей, цвеклото и гумата арабика, откъдето се добива. Рибозата и дезоксирибозата са широко представени в животинския и растителния свят; това са захари, които изграждат мономерите на нуклеиновите киселини РНК и ДНК. Рибозата се получава чрез епимеризация на арабиноза.

Ксилозата се образува при хидролизата на полизахарида ксилозан, съдържащ се в сламата, триците, дървесината и слънчогледовите люспи. Продукти различни видовексилозна ферментация са млечна, оцетна, лимонена, янтарна и други киселини. Ксилозата се усвоява слабо от човешкото тяло. Хидролизатите, съдържащи ксилоза, се използват за отглеждане на някои видове дрожди, използват се като източник на протеини за хранене на селскостопански животни. Когато ксилозата се редуцира, се получава ксилитолов алкохол, който се използва като заместител на захарта при диабетици. Ксилитолът се използва широко като стабилизатор на влага и пластификатор (в хартиената промишленост, парфюмерията, производството на целофан). Той е един от основните компоненти в производството на редица повърхностноактивни вещества, лакове, лепила.

От хексозите най-широко разпространени са глюкозата, фруктозата, галактозата, техните обща формула- С6Н12О6.

Глюкозата (гроздова захар, декстроза) се съдържа в сока от грозде и други сладки плодове и в малки количества при животни и хора. Глюкозата е част от най-важните дизахариди - тръстикова и гроздова захар. Полизахаридите с високо молекулно тегло, т.е. нишесте, гликоген (животински нишесте) и целулоза, са изцяло изградени от остатъци от глюкозни молекули, свързани една с друга по различни начини. Глюкозата е основният източник на енергия за клетките.

Човешката кръв съдържа 0,1-0,12% глюкоза, намаляването на показателя причинява нарушение на жизнената активност на нервните и мускулните клетки, понякога придружено от конвулсии или припадък. Нивото на глюкозата в кръвта се регулира от сложен механизъм на нервната система и жлезите. вътрешна секреция. Едно от масовите тежки ендокринни заболявания - диабет- свързани с хипофункция на островните зони на панкреаса. Придружава се от значително намаляване на пропускливостта на мембраната на мускулните и мастните клетки за глюкоза, което води до повишаване на съдържанието на глюкоза в кръвта, както и в урината.

Глюкозата за медицински цели се получава чрез пречистване - прекристализация - на техническа глюкоза от водни или водно-алкохолни разтвори. Глюкозата се използва в текстилното производство и в някои други индустрии като редуциращ агент. В медицината чистата глюкоза се използва под формата на разтвори за инжектиране в кръвта при редица заболявания и под формата на таблетки. От него се получава витамин С.

Галактозата, заедно с глюкозата, влиза в състава на някои гликозиди и полизахариди. Останките от галактозните молекули са част от най-сложните биополимери - ганглиозиди или гликосфинголипиди. Те се намират в нервните възли (ганглиите) на хора и животни и също така се намират в мозъчната тъкан, в далака в еритроцитите. Галактозата се получава главно чрез хидролиза. млечна захар.

Фруктозата (плодова захар) в свободно състояние се намира в плодовете, меда. Той е съставна част на много сложни захари, например тръстикова захарот които може да се получи чрез хидролиза. Образува сложно структуриран високомолекулен полизахарид инулин, съдържащ се в някои растения. Фруктозата също се получава от инулин. Фруктозата е ценна хранителна захар; той е 1,5 пъти по-сладък от захарозата и 3 пъти по-сладък от глюкозата. Усвоява се добре от организма. Когато фруктозата се редуцира, се образуват сорбитол и манитол. Сорбитолът се използва като заместител на захарта в диетата на диабетици; освен това се използва за производството на аскорбинова киселина (витамин С). При окисляване фруктозата дава винена и оксалова киселина.

Дизахаридите са типични захароподобни полизахариди. Това са твърди вещества или некристализиращи сиропи, силно разтворими във вода. Както аморфните, така и кристалните дизахариди обикновено се топят в диапазон от температури и обикновено се разлагат. Дизахаридите се образуват чрез реакция на кондензация между два монозахарида, обикновено хексози. Връзката между два монозахарида се нарича гликозидна връзка. Обикновено се образува между първия и четвъртия въглероден атом на съседни монозахаридни единици (1,4-гликозидна връзка). Този процес може да се повтаря безброй пъти, което води до образуването на гигантски полизахаридни молекули. След като монозахаридните единици са свързани заедно, те се наричат ​​остатъци. Така малтозата се състои от два глюкозни остатъка.

Най-често срещаните дизахариди са малтоза (глюкоза + глюкоза), лактоза (глюкоза + галактоза) и захароза (глюкоза + фруктоза).

ОТДЕЛНИ ПРЕДСТАВИТЕЛИ НА ДИЗАХАРИДИТЕ

Малтозата (малцова захар) има формула C12H22O11. Името възниква във връзка с метода за получаване на малтоза: тя се получава от нишесте при излагане на малц (латински maltum - малц). В резултат на хидролиза малтозата се разделя на две молекули глюкоза:

С12Н22О11 + Н2О = 2С6Н12О6

Малцовата захар е междинен продукт при хидролизата на нишестето, широко разпространена в растителни и животински организми. Малцовата захар е много по-малко сладка от тръстиковата (0,6 пъти при същите концентрации).

Лактоза (млечна захар). Името на този дизахарид възниква във връзка с получаването му от мляко (от латински lactum - мляко). При хидролиза лактозата се разгражда на глюкоза и галактоза:

Лактозата се получава от мляко: краве млякосъдържа 4-5,5%, в женското мляко - 5,5-8,4%. Лактозата се различава от другите захари по липсата на хигроскопичност: тя не се овлажнява. Млечната захар се използва като фармацевтичен препарат и храна за кърмачета. Лактозата е 4 или 5 пъти по-малко сладка от захарозата.

Захароза (захар от тръстика или цвекло). Името възниква във връзка с производството му или от захарно цвекло, или от захарна тръстика. Тръстиковата захар е известна от много векове пр.н.е. Едва в средата на XVIII век. този дизахарид е открит в захарното цвекло и едва в началото на 19 век. получено е в производствена среда. Захарозата е много разпространена в растителния свят. Листата и семената винаги съдържат малко количество захароза. Има го и в плодовете (кайсии, праскови, круши, ананаси). Има много от него в кленов и палмов сок, царевица. Това е най-известната и широко използвана захар. При хидролизиране от него се образуват глюкоза и фруктоза:

С12Н22О11 + Н2О = С6Н12О6 + С6Н12О6

Смес от равни количества глюкоза и фруктоза, получена в резултат на инверсията на тръстикова захар (поради промяната в процеса на хидролиза на дясното въртене на разтвора наляво), се нарича инвертна захар (инверсия на въртене). Естествената инвертна захар е медът, който се състои основно от глюкоза и фруктоза.

Захарозата се получава от огромни количества. Захарното цвекло съдържа 16-20% захароза, захарната тръстика - 14-26%. Измитото цвекло се раздробява и захарозата се извлича многократно в апарати с вода с температура около 80 градуса. Получената течност, съдържаща в допълнение към захарозата голям брой различни примеси, се обработва с вар. Варът утаява редица органични киселини под формата на калциеви соли, както и протеини и някои други вещества. Част от лайма в същото време се образува с тръстикова захар, разтворима в студена водакалциеви захари, които се разрушават при третиране с въглероден диоксид.

Утайката от калциев карбонат се отделя чрез филтруване, филтратът след допълнително пречистване се изпарява във вакуум до получаване на каша. Отделените кристали захароза се отделят с помощта на центрофуги. Така се получава сурова гранулирана захар, която има жълтеникав цвят, кафяв матерен разтвор, некристализиращ сироп (цвеклова меласа или меласа). Захарта се пречиства (рафинира) и се получава крайния продукт.

4. БИОЛОГИЧНА РОЛЯ НА БИОПОЛИМЕРИТЕ – ПОЛИЗАХАРИДИТЕ

Полизахаридите са високомолекулни (до 1 000 000 Da) полимерни съединения, състоящи се от голям брой мономери - захари, общата им формула е Cx (H2O) y. Най-често срещаният мономер на полизахаридите е глюкозата, манозата, галактозата и други захари. Полизахаридите се делят на:
- хомополизахариди, състоящи се от монозахаридни молекули от същия тип (например нишестето и целулозата се състоят само от глюкоза);
- хетерополизахариди, които могат да съдържат няколко различни захари (хепарин) като мономери.

Ако в полизахарида има само 1,4= гликозидни връзки, ще получим линеен, неразклонен полимер (целулоза); ако има и 1,4= и 1,6= връзки, полимерът ще бъде разклонен (гликоген). Сред най-важните полизахариди са: целулоза, нишесте, гликоген, хитин.

Целулозата или фибрите (от латински cellula - клетка) са основният компонент на клетъчната стена на растителните клетки. Това е линеен полизахарид, съставен от глюкоза, свързана с 1,4= връзки. Влакната съставляват 50 до 70% от дървесината. Памукът е почти чисто влакно. Ленените и конопените влакна се състоят предимно от фибри. Най-чистите примери за влакна са рафинираната памучна вата и филтърната хартия.

Нишестето е разклонен полизахарид растителен произходсъставен от глюкоза. В полизахарида глюкозните остатъци са свързани с 1,4= и 1,6= гликозидни връзки. Когато се разграждат, растенията получават глюкоза, която им е необходима в живота. Нишестето се образува по време на фотосинтезата в зелените листа под формата на зърна. Тези зърна са особено лесни за откриване под микроскоп чрез реакция на вар с йод: нишестените зърна стават сини или синьо-черни.

По натрупването на нишестени зърна може да се съди за интензивността на фотосинтезата. Нишестето в листата се разгражда на монозахариди или олигозахариди и се прехвърля в други растителни части, като картофени грудки или зърнени култури. Тук отново има отлагане на нишесте под формата на зърна. Повечето съдържаниенишесте в следните култури:

Ориз (зърно) - 62-82%;
- царевица (зърно) - 65-75%;
- пшеница (зърно) - 57-75%;
- картофи (клубени) - 12-24%.

В текстилната промишленост нишестето се използва за направата на сгъстители за бои. Използва се в кибритената, хартиената, печатарската промишленост, в подвързването на книги. В медицината и фармакологията нишестето се използва за приготвяне на прахове, пасти (дебели мехлеми), а също така е необходимо при производството на таблетки. Чрез подлагане на нишесте на киселинна хидролиза глюкозата може да се получи под формата на чист кристален препарат или под формата на меласа - оцветен некристализиращ сироп.

Установено е производството на модифицирани нишестета, подложени на специална обработка или съдържащи добавки, подобряващи свойствата им. Модифицираните нишестета се използват широко в различни индустрии.

Гликогенът е полизахарид от животински произход, по-разклонен от нишестето, състоящ се от глюкоза. Той играе изключително важна роля в животинските организми като резервен полизахарид: всички жизнени процеси, предимно мускулната работа, се съпровождат от разграждането на гликогена, което освобождава концентрираната в него енергия. В телесните тъкани млечната киселина може да се образува от гликоген в резултат на поредица от сложни трансформации.

Гликогенът се намира във всички животински тъкани. Особено изобилен е в черния дроб (до 20%) и мускулите (до 4%). Той присъства и в някои низши растения, дрожди и гъби и може да бъде изолиран чрез третиране на животински тъкани с 5-10% трихлороцетна киселина, последвано от утаяване на извлечения гликоген с алкохол. С йод разтворите на гликоген дават виненочервен до червеникавокафяв цвят в зависимост от произхода на гликогена, вида на животното и други условия. Йодният цвят изчезва при кипене и се появява отново при охлаждане.

Хитинът по своята структура и функция е много близък до целулозата - той също е структурен полизахарид. Хитинът се намира в някои гъби, където играе поддържаща роля в клетъчните стени поради влакнестата си структура, както и в някои групи животни (особено членестоноги) като важен компонент на външния им скелет. Структурата на хитина е подобна на тази на целулозата; дългите му паралелни вериги също са събрани в пакети.

5. ХИМИЧНИ СВОЙСТВА НА ВЪГЛЕХИДРАТИТЕ

Всички монозахариди и някои дизахариди, включително малтозата и лактозата, принадлежат към групата на редуциращите (възстановяващите) захари. Захарозата е нередуцираща захар. Редукционната способност на захарите в алдозите зависи от активността на алдехидната група, докато в кетозите зависи от активността както на кетогрупата, така и на първичните алкохолни групи. При нередуциращите захари тези групи не могат да влизат в никакви реакции, тъй като тук те участват в образуването на гликозидна връзка. Две често срещани реакции към редуциращи захари, реакцията на Бенедикт и реакцията на Фелинг, се основават на способността на тези захари да редуцират двувалентния меден йон до едновалентен. И двете реакции използват алкален разтвор на меден (2) сулфат (CuSO4), който се редуцира до неразтворим меден (1) оксид (Cu2O). Йонно уравнение: Cu2+ + e = Cu+ дава син разтвор, керемиденочервена утайка. Всички полизахариди са нередуциращи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основната роля на въглехидратите е свързана с тяхната енергийна функция. При тяхното ензимно разцепване и окисляване се отделя енергия, която се използва от клетката. Полизахаридите играят главно ролята на резервни продукти и лесно мобилизирани източници на енергия (например нишесте и гликоген), а също така се използват като строителни материали (целулоза и хитин).

Полизахаридите са удобни като вещества за съхранение поради редица причини: тъй като са неразтворими във вода, те не упражняват никакъв осмотичен или осмотичен ефект върху клетката. химическо влияние, което е много важно при дългосрочното им съхранение в жива клетка: твърдото, дехидратирано състояние на полизахаридите увеличава полезната маса на резервните продукти, като спестява техните обеми. Това значително намалява вероятността от консумация на тези продукти от патогенни бактерии, гъбички и други микроорганизми, които, както знаете, не могат да поглъщат храната, но абсорбират хранителни веществацялата повърхност на тялото. Ако е необходимо, складираните полизахариди могат лесно да се превърнат в прости захари чрез хидролиза. Освен това, комбинирайки се с липиди и протеини, въглехидратите образуват гликолипиди и гликопротеини-два.

Въглехидратите са основният източник на енергия в човешкото тяло.

Обща формула на въглехидратите Сn(H2O)m

Въглехидрати - вещества със състав C m H 2 p O p, които са от първостепенно биохимично значение, са широко разпространени в дивата природа и играят важна роля в човешкия живот. Въглехидратите са част от клетките и тъканите на всички растителни и животински организми и като маса съставляват по-голямата част от органичната материя на Земята. Въглехидратите представляват около 80% от сухото вещество на растенията и около 20% на животните. Растенията синтезират въглехидрати от неорганични съединения - въглероден диоксид и вода (CO 2 и H 2 O).

Запасите от въглехидрати под формата на гликоген в човешкото тяло са приблизително 500 г. По-голямата част от него (2/3) е в мускулите, 1/3 е в черния дроб. Между храненията гликогенът се разпада на глюкозни молекули, което намалява колебанията в нивата на кръвната захар. Запасите от гликоген без прием на въглехидрати се изчерпват за около 12-18 часа. В този случай се активира механизмът за образуване на въглехидрати от междинните продукти на протеиновия метаболизъм. Това се дължи на факта, че въглехидратите са жизненоважни за образуването на енергия в тъканите, особено в мозъка. Мозъчните клетки получават енергия предимно от окисляването на глюкозата.

Видове въглехидрати

Въглехидратите могат да бъдат класифицирани според тяхната химична структура на прости въглехидрати(монозахариди и дизахариди) и сложни въглехидрати (полизахариди).

Прости въглехидрати (захари)

Глюкозата е най-важният от всички монозахариди, тъй като е структурната единица на повечето хранителни ди- и полизахариди. В процеса на метаболизма те се разграждат на отделни молекули монозахариди, които в хода на многоетапни химични реакции се превръщат в други вещества и в крайна сметка се окисляват до въглероден диоксид и вода - използвани като "гориво" за клетките. Глюкозата е основен компонент на въглехидратния метаболизъм. С намаляване на нивото му в кръвта или висока концентрацияи невъзможността за употреба, както се случва при диабет, възниква сънливост, може да се появи загуба на съзнание (хипогликемична кома).

Глюкозата "в чист вид", като монозахарид, се намира в зеленчуците и плодовете. Особено богати на глюкоза са гроздето – 7,8%, черешите, черешите – 5,5%, малините – 3,9%, ягодите – 2,7%, сливите – 2,5%, динята – 2,4%. От зеленчуците най-много глюкоза има в тиквата - 2,6%, в бяло зеле- 2,6%, в морковите - 2,5%.

Глюкозата е по-малко сладка от най-известния дизахарид, захарозата. Ако приемем сладостта на захарозата като 100 единици, тогава сладостта на глюкозата ще бъде 74 единици.

Фруктозата е един от най-разпространените плодови въглехидрати. За разлика от глюкозата, той може да проникне от кръвта в тъканните клетки без участието на инсулин. Поради тази причина фруктозата се препоръчва като най-безопасният източник на въглехидрати за диабетици. Част от фруктозата навлиза в чернодробните клетки, които я превръщат в по-универсално "гориво" - глюкоза, така че фруктозата също е в състояние да повиши кръвната захар, макар и в много по-малка степен от другите прости захари. Фруктозата се превръща по-лесно в мазнини от глюкозата. Основното предимство на фруктозата е, че е 2,5 пъти по-сладка от глюкозата и 1,7 пъти по-сладка от захарозата. Използването му вместо захар ви позволява да намалите общата консумация на въглехидрати.

Основните източници на фруктоза в храните са гроздето – 7,7%, ябълките – 5,5%, крушите – 5,2%, черешите, черешите – 4,5%, дините – 4,3%, касиса – 4,2%, малините – 3,9%, ягодите – 2,4%, пъпешите – 2,0%. В зеленчуците съдържанието на фруктоза е ниско - от 0,1% в цвеклото до 1,6% в бялото зеле. Фруктозата се съдържа в меда – около 3,7%. Фруктозата, която има много по-голяма сладост от захарозата, е добре доказано, че не причинява кариес, който се насърчава от консумацията на захар.

Галактозата не се намира в свободна форма в храните. Образува с глюкозата дизахарид – лактоза (млечна захар) – основният въглехидрат на млякото и млечните продукти.

Лактозата се разгражда в стомашно-чревния тракт до глюкоза и галактоза от ензима лактаза. Дефицитът на този ензим при някои хора води до непоносимост към млякото. Несмляната лактоза е добро хранително вещество за чревна микрофлора. В същото време е възможно обилно образуване на газове, стомахът "набъбва". IN ферментирали млечни продуктиповечето лактоза се ферментира до млечна киселина, така че хората с лактазен дефицит могат да понасят ферментирали млечни продукти без неприятни последици. В допълнение, млечнокисели бактерии във ферментиралите млечни продукти потискат активността на чревната микрофлора и намаляват неблагоприятните ефекти на лактозата.

Галактозата, образувана при разграждането на лактозата, се превръща в глюкоза в черния дроб. При вроден наследствен дефицит или липса на ензим, който превръща галактозата в глюкоза, се развива сериозно заболяване - галактоземия, което води до умствена изостаналост.

Захарозата е дизахарид, образуван от молекули на глюкоза и фруктоза. Съдържанието на захароза в захарта е 99,5%. Че захарта е „бялата смърт“, любителите на сладкото знаят, както и пушачите, че една капка никотин убива кон. За съжаление и двете общи истини са по-често повод за шеги, отколкото за сериозни размисли и практически изводи.

Захарта се разгражда бързо в стомашно-чревния тракт, глюкозата и фруктозата се абсорбират в кръвта и служат като източник на енергия и най-важният прекурсор на гликогена и мазнините. Често се нарича "носител на празни калории", тъй като захарта е чист въглехидрат и не съдържа други хранителни вещества като витамини и минерални соли. От растителните продукти най-много захароза има в цвеклото - 8,6%, прасковите - 6,0%, пъпешите - 5,9%, сливите - 4,8%, мандарините - 4,5%. В зеленчуците, с изключение на цвеклото, значително съдържание на захароза се отбелязва в морковите - 3,5%. В други зеленчуци съдържанието на захароза варира от 0,4 до 0,7%. В допълнение към самата захар, основните източници на захароза в храната са конфитюр, мед, сладкарски изделия, сладки напитки, сладолед.

Когато две молекули глюкоза се свържат, се образува малтоза - малцова захар. Съдържа мед, малц, бира, меласа и хлебни и сладкарски изделия, произведени с добавка на меласа.

Сложни въглехидрати

Всички полизахариди, присъстващи в човешката храна, с редки изключения, са глюкозни полимери.

Нишестето е основният смилаем полизахарид. Той представлява до 80% от въглехидратите, консумирани с храната.

Източникът на нишесте е билкови продукти, предимно зърнени култури: зърнени храни, брашно, хляб, както и картофи. Зърнените култури съдържат най-много нишесте: от 60% в елдата (ядрото) до 70% в ориза. От зърнените култури най-малко скорбяла има в овесените ядки и продуктите от тях: овесени ядки, овесени ядки "Херкулес" - 49%. Пастата съдържа от 62 до 68% нишесте, хлябът от ръжено брашно, в зависимост от сорта, от 33% до 49%, пшеничният хляб и други продукти от пшенично брашно - от 35 до 51% нишесте, брашното - от 56 (ръж) до 68% (премия за пшеница). Много нишесте и варива- от 40% в лещата до 44% в граха. По тази причина сухият грах, боб, леща, нахут се причисляват към бобовите растения. Соята, която съдържа само 3,5% нишесте, и соевото брашно (10-15,5%) се отличават. Поради високото съдържание на нишесте в картофите (15-18%) в диетологията те не се класифицират като зеленчуци, където основните въглехидрати са монозахариди и дизахариди, а като нишестени храни наред със зърнените и бобовите растения.

В ерусалимския артишок и някои други растения въглехидратите се съхраняват под формата на полимер на фруктозата - инулин. Хранителни продукти с добавка на инулин се препоръчват при диабет и особено за неговата профилактика (припомнете си, че фруктозата натоварва панкреаса по-малко от другите захари).

Гликогенът - "животински нишесте" - се състои от силно разклонени вериги от глюкозни молекули. Намира се в малки количества в животински продукти (2-10% в черния дроб, 0,3-1% в мускулната тъкан).

Храни с високо съдържание на въглехидрати

Най-разпространените въглехидрати са глюкоза, фруктоза и захароза, намиращи се в зеленчуците, плодовете и меда. Лактозата е част от млякото. Рафинираната захар е съединение на фруктоза и глюкоза.

Глюкозата играе централна роля в метаболитния процес. Той е доставчик на енергия за органи като мозъка, бъбреците и допринася за производството на червени кръвни клетки.

Човешкото тяло не е в състояние да направи твърде големи запаси от глюкоза и затова се нуждае от редовно попълване. Но това не означава, че трябва да ядете глюкоза в чиста форма. Много по-полезно е да се използва като част от по-сложни въглехидратни съединения, като нишесте, което се намира в зеленчуци, плодове и зърнени храни. Освен това всички тези продукти са истински склад за витамини, фибри, микроелементи и други полезни веществакоито помагат на тялото да се бори с много заболявания. Полизахаридите трябва да съставляват по-голямата част от всички въглехидрати, влизащи в тялото ни.

Най-важните източници на въглехидрати

Основните източници на въглехидрати от храната са: хляб, картофи, тестени изделия, зърнени храни, сладкиши. Нетният въглехидрат е захарта. Медът, в зависимост от произхода си, съдържа 70-80% глюкоза и фруктоза.

За да се посочи количеството въглехидрати в храната, се използва специална единица за хляб.

Освен това фибрите и пектините, които се усвояват лошо от човешкото тяло, се присъединяват към групата на въглехидратите.

Въглехидратите се използват като:

лекарства,

За производството на бездимен барут (пироксилин),

експлозиви,

Изкуствени влакна (вискоза).

Целулозата е от голямо значение като източник за производството на етилов алкохол.

ФИЗИОЛОГИЯ НА МЕТАБОЛИЗМА И ЕНЕРГИЯТА. БАЛАНСИРАНА ДИЕТА.

План на лекцията.

Концепцията за метаболизма в тялото на животните и човека. Източници на енергия в тялото.

Основни понятия и определения от физиологията на метаболизма и енергията.

Методи за изследване на енергийния метаболизъм при човека.

Концепцията за рационално хранене. Правила за съставяне на хранителни дажби.

Концепцията за метаболизма в тялото на животните и човека. Източници на енергия в тялото.

Човешкото тяло е отворена термодинамична система, която се характеризира с наличие на метаболизъм и енергия.

Метаболизъм и енергияе съвкупност от физически, биохимични и физиологични процеси на трансформация на вещества и енергия в човешкото тяло и обмен на вещества и енергия между тялото и околната среда. Тези процеси, протичащи в човешкото тяло, се изучават от много науки: биофизика, биохимия, молекулярна биология, ендокринология и, разбира се, физиология.

Метаболизмът и енергийният обмен са тясно свързани помежду си, но за да се опростят понятията, те се разглеждат отделно.

Метаболизъм (метаболизъм)- набор от химически и физически трансформации, които се случват в тялото и осигуряват неговата жизнена дейност във връзка с външната среда.

В метаболизма се разграничават две посоки на процесите по отношение на структурите на тялото: асимилация или анаболизъм и дисимилация или катаболизъм.

Асимилация(анаболизъм) - съвкупност от процеси за създаване на живата материя. Тези процеси консумират енергия.

Дисимилация(катаболизъм) - набор от процеси на гниене на живата материя. В резултат на дисимилацията се възпроизвежда енергия.

Животът на животните и хората е единство от процесите на асимилация и дисимилация. Факторите, свързващи тези процеси, са две системи:

АТФ - АДФ (АТФ - аденозин трифосфат, АДФ - аденозин дифосфат);

NADP (окислен) - NADP (редуциран), където NADP - никотин амид дифосфат.

Посредничеството на тези съединения между процесите на асимилация и дисимилация се осигурява от факта, че молекулите на АТФ и НАДФ действат като универсални акумулатори на биологична енергия, нейният носител, един вид "енергийна валута" на тялото. Въпреки това, преди енергията да се съхранява в молекулите на ATP и NADP, тя трябва да бъде извлечена от хранителните вещества, които влизат в тялото с храната. Тези хранителни вещества са познатите ви протеини, мазнини и въглехидрати. Освен това трябва да се добави, че хранителните вещества изпълняват не само функцията на доставчици на енергия, но и функцията на доставчици на строителен материал (пластична функция) за клетките, тъканите и органите. Ролята на различните хранителни вещества в изпълнението на пластичните и енергийните нужди на организма не е еднаква. Въглехидратите изпълняват предимно енергийна функция, пластичната функция на въглехидратите е незначителна. Мазнините еднакво изпълняват както енергийни, така и пластични функции. Белтъчините са основен градивен материал за организма, но при определени условия могат да бъдат и източници на енергия.

Източници на енергия в тялото.

Както беше отбелязано по-горе, основните източници на енергия в тялото са хранителни вещества: въглехидрати, мазнини и протеини. Освобождаването на енергията, съдържаща се в хранителните вещества, в човешкото тяло протича на три етапа:

Етап 1.Протеините се разграждат до аминокиселини, въглехидратите до хексози, например до глюкоза или фруктоза, мазнините до глицерол и мастни киселини. На този етап тялото изразходва енергия главно за разграждането на веществата.

Етап 2.Аминокиселините, хексозите и мастните киселини в хода на биохимичните реакции се превръщат в млечна и пирогроздена киселина, както и в ацетил коензим А. На този етап от хранителните вещества се освобождава до 30% от потенциалната енергия.

Етап 3.При пълно окисление всички вещества се разграждат до CO 2 и H 2 O. На този етап в метаболитния котел на Кребс се освобождава останалата част от енергията, около 70%. В този случай не цялата освободена енергия се натрупва в химическата енергия на АТФ. Част от енергията се разсейва в околната среда. Тази топлина се нарича първична топлина (Q 1). Енергията, натрупана от АТФ, се изразходва допълнително за различни видове работа в тялото: механичен, електрически, химичен и активен транспорт. В този случай част от енергията се губи под формата на така наречената вторична топлина Q 2 . Вижте диаграма 1.

Въглехидрати

биологично окисление

з 2 O + CO 2 + Q 1 + АТФ

Механична работа

+ Q 2