Строение, свойства и функции углеводов

Функции углеводов в организме

Ключевая функция углеводов в организме кроется в их трансформации в энергию. АТФ, который представляет собой универсальный источник энергии, содержит моносахарид рибозу. Формирование АТФ происходит вследствие гликолиза. Этот процесс заключается в окислении и распаде глюкозы на пировиноградную кислоту.

Гликолиз осуществляется в несколько стадий. Углеводы окисляются до воды и углекислого газа. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии.

К основным функциям углеводов относят следующее:

1. Структурная. Полисахариды представляют собой материал для опорных элементов. Целлюлоза, которая входит в структуру клеточных стенок, дает растениям жесткость. В составе грибных клеток присутствует хитин.
2. Энергетическая. Углеводы представляют собой основной источник энергии. Расщепление 1 г углеводов позволяет высвободить 17,6 кДж энергии.
3. Защитная. Из этих элементов состоят шипы и колючки растений.
4. Запасающая. Углеводы запасаются в виде крахмала в структуре растений и гликогена у животных. При дефиците энергии эти вещества расщепляются до глюкозы.
5. Осмотическая. Вещества способствуют регулированию осмотического давления.
6. Рецепторная. Элементы присутствуют в составе клеточных рецепторов.

Отдельные углеводы формируют сложные структуры с белковыми элементами и липидами. В результате образуются гликопротеины и гликолипиды. Эти элементы присутствуют в составе мембран клеток.

Пищевые волокна (полисахариды некрахмального происхождения)

Пищевые волокна классифицируются как растворимые и нерастворимые в воде.

• Нерастворимые волокна состоят в основном из целлюлозы и гемицеллюлозы. Нерастворимая клетчатка связывается с водой в толстой кишке и набухает. Это способствует перистальтике кишечника, снижает риск запоров и вероятность рака толстой кишки.
• Растворимые волокна растворяются и загустевают в воде. Это пектины и слизь. Они обеспечивают чувство сытости, замедляют всасывание желчных кислот за счет увеличения выведения холестерина с калом и регулирования уровня холестерина в крови. 

Источники пищевых волокон: 

• фасоль, горох;
• овсяная мука, овсяные отруби, ячмень;
• фрукты — яблоки, вишня, цитрусовые;
• ягоды — крыжовник, клубника, малина, черная смородина;
• овощи — свёкла, морковь. 

Количество, состав и структура пектина зависят от вида растения и спелости. Пектин обычно добывают из цитрусовых. В слабокислой среде пектины образуют гелевые структуры, поэтому их широко используют в качестве загустителя в кондитерских изделиях, желе, мармеладе, в качестве наполнителя при производстве лекарств, сладостей, а также при производстве соков и молочных напитков.

Кроме того, пектины легко связываются с солями тяжелых металлов и поэтому используются в профилактических целях для предотвращения отравления тяжелыми металлами.

 Рекомендации по потреблению сахара и пищевых волокон:

• Рекомендуется, чтобы количество легко усваиваемых углеводов не превышало 60 г/день или не превышало 10% суточного значения энергии.
• Взрослым рекомендуется употреблять не менее 18 г некрахмальных пищевых волокон 12-34 г/день.

Где находятся углеводы в организме. Роль углеводов в организме

Углеводы – органические вещества, главный источник бодрости для живых организмов, из них синтезируется глюкоза, которая циркулирует в крови и обеспечивает клетки необходимой энергией. Без них полноценное функционирование и метаболические процессы просто невозможны. Поэтому в рационе углеводы должны присутствовать каждый день и, по мнению диетологов, составлять его основу.

Необходимые человеку углеводы

Полноценное питание предполагает внесение в рацион достаточно большого разнообразия продуктов. По современным нормам диетологии основная часть рациона, около 50-70%, должна приходиться именно на углеводы. А это значит, что большую часть стандартной диеты могут составлять блюда, приготовленные из таких категорий продуктов:

• овощи,
• фрукты,
• ягоды,
• зерновые.

При этом углеводы содержатся и в продуктах, которые не относятся к категории здорового питания. Из рациона лучше исключить:

• сладости,
• сдобу,
• макаронные изделия, хлеб.

Именно блюда из перечисленных категорий относятся к простым углеводам. Они способствуют увеличению массы тела, а также развитию ряда болезней, в том числе и сахарного диабета 2-го типа.

Функции углеводов

Первая и главная функция углеводов – обеспечение организма энергией. Молекулы АТФ, которые являются источником энергии для всех процессов в организме, вырабатываются в результате гликолиза – расщепления глюкозы. АТФ, в частности, позволяет мышцам сокращаться, а телу двигаться. В том случае если уровень углеводов недостаточен, молекулы АТФ начинают синтезироваться из жиров и аминокислот.

Кроме этого, углеводы в организме обеспечивают и такие процессы:

• Снабжение витаминами В1, В2, В3, В9 (фолиевая кислота), а также минералами (железо, цинк, хром, фосфор, магний).
• Поступление в организм антиоксидантов, которые защищают клетки от свободных радикалов и препятствуют старению.
• Участие в регуляции осмотического давления в крови, что обеспечивает нормальную работу и жизнь ее компонентов, в частности, эритроцитов.
• Запасание энергии. После поступления пищи уровень глюкозы в крови повышается, и ее избыток организм перерабатывает в сложный углевод гликоген, который запасается в мышцах и печени. Когда уровень глюкозы снова понижается, этот резерв активизируется.
• Идентификация клеток. Углеводы входят во многие клеточные рецепторы, находящиеся на внешней мембране. За счет них клетки могут опознавать друг друга.

Сколько углеводов должно быть в рационе

Углеводы должны составлять основную часть рациона. Средняя потребность в углеводах в день для взрослого зависит от индивидуальных потребностей самого организма. Например, если человек ведет малоподвижный образ жизни, ему хватит 50-150 г (речь идет не о продуктах, содержащих углеводы, а именно о самом веществе). Норма для спортсмена будет выше – может доходить до 370 г в день.

Важно учитывать, что углеводы необходимо употреблять в течение дня. Связано это с тем, что способность запасать их в виде гликогена у организма ограничена – за один раз печень может накопить до 100-120 г

Поэтому если во время еды углеводов будет больше, они отложатся в виде жировых накоплений. Также, если гликоген не израсходован до следующего приема пищи, способность запасать его в печени понижается. Именно поэтому в правилах здорового образа жизни и поддержания веса в норме всегда есть рекомендация питаться регулярно и небольшими порциями.

Категории людей, которым необходимо повышенное содержание углеводов:

• Дети.
• Беременные женщины.
• Спортсмены.
• Люди с диагностированными болезнями обмена веществ (ускоренный метаболизм).
• Люди в период выздоровления, после отмены постельного режима.

Категории людей, которым рекомендовано снижать уровень углеводов в день, в частности, уменьшать их порцию за один прием пищи:

• Страдающие от избыточного веса, ожирения.
• Ведущие малоподвижный образ жизни.
• Пожилые люди.
• Люди с нарушениями метаболизма, в частности, нарушениями регуляции глюкозы в крови – сахарным диабетом.

При этом полное исключение углеводов из рациона не рекомендуется никому.

Что такое углеводы и какими они бывают?

Среди всех органических веществ на нашей планете углеводы являются наиболее распространенными, то есть составляют основу жизни на планете. В пищу человек употребляет простые углеводы (моно- и дисахариды: глюкозу, фруктозу, сахарозу, лактозу и пр.) и сложные (полисахариды), цепочки которых состоят из простых молекул. Полисахариды условно делят на усваиваемые (например, крахмал и инулин) и неусваиваемые (клетчатку).

Переведем все это в гастрономическую плоскость: — простые углеводы – это сахара, содержащиеся во фруктах и сладких овощах, молоке и, собственно, сладостях — сложные углеводы содержатся в крупах и мучных изделиях, орехах и бобовых, овощах, корнеплодах — клетчаткой богаты оболочки зерна, зелень и некоторые овощи (кабачки, тыква, свекла, морковь и др.).

Функции углеводов

1. Энергетическая составляющая. Они являются главными поставщиками энергии в организм. На их долю приходится до 60% всей суточной энергии. Окисляясь, 1 г углеводов дает энергию, эквивалентную 4,1 ккал. При этом образуется и вода. При недостатке углеводов, начинает расходоваться ранее накопленная вода и происходит потеря в весе. Многие это ошибочно принимают за сжигание жира. Но никакого отношения это к данному процессу не имеет. Это говорит лишь о том, что иссякают запасы гликогена.
2. Функция построения (пластическая). Из них состоят ферментные структуры и мембранные клеточные образования. Углеводы включены в полисахаридную структуру и организацию сложных белков. Из них состоят сложные молекулы и осуществляется построение АТФ. Они являются представителями хранилища информации на генном уровне, чем является молекула ДНК. Входят они в состав и РНК.
3. Специфическая функция. Им приписывается роль веществ, обладающих антикоагулянтными свойствами. Они препятствуют свертыванию крови тогда, когда в этом нет необходимости. Организм заботится о том, чтобы был создан их некоторый запас. Для этой цели существует гликоген. Из них состоят рецепторы некоторых гормональных веществ, которые способны оказывать некоторое противоопухолевое действие. О связи гормонов и веса читайте в .
4. Функция, связанная с запасом питательных компонентов. В организме происходит запас из углеводов в форме гликогена. Он является быстромобилизируемым резервным депо, связанным с энергетикой. Гликогеном обеспечивается потребность организма в глюкозе. Это относится к гликогенобразующей функции печени. Создавая депо в мышечных структурах, он обеспечивает организм возможностью физической активности.
5. Функция защиты. состоит из представителей класса сложных углеводов. В состав слизи, которая покрывает поверхность бронхов, выстилает внутреннюю поверхность носа, входят мукополисахариды. Они препятствуют проникновению частиц пыли, микробной флоры, инородных тел.
6. Функция регуляции. Клетчатка относится к углеводам. Она в кишечнике не расщепляется, но способна обусловить активацию его перистальтики. В результате этого улучшается всасывание питательных веществ и пищеварение в целом.

Строение углеводов

Углеводы состоят из углеводорода, кислорода и водорода, причём у большинства углеводов соотношение водорода и кислорода такое же, как и в молекуле воды (отсюда их название — углеводы).

Замечание 1

Производные углеводов могут содержать и другие элементы.

В зависимости от строения углеводы делят на моносахариды и полисахариды (простые и сложные).

В зависимости от количества атомов углеводорода есть такие моносахариды: триозы (3С – три атома углерода в цепи), тетрозы (4С), пентозы, гексозы, гептозы.

Моносахариды, которые имеют пять и больше атомов углеводорода, при растворении в воде, иногда приобретают кольцевую структуру.

В естественных условиях наиболее часто встречаются пентозы (рибоза, дезоксирибоза, рибулёза) и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).

Замечание 2

Рибоза и дезоксирибоза являются составными частями АТФ и нуклеиновых кислот. Глюкоза является универсальным источником энергии.

Благодаря превращениям моносахаридов клетки не только обеспечиваются энергией, но и осуществляется биосинтез многих органических веществ, а также они способствуют обезвреживанию и выведению из организма ядовитых веществ, попадающих снаружи или тех, которые образовались в процессе метаболизма (обмена веществ), например, в процессе распада белков.

Дисахариды и полисахариды образуются в результате соединения двух и более моносахаридов, таких, как глюкоза, ксилоза, галактоза, арабиноза или маноза.

Пример 2

При соединении двух молекул моносахаридов образуется молекула дисахарида и выделяется вода. Типичные представители этой группы: сахароза (тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар). мальтоза (солодовый сахар),

По своим свойствам дисахариды близки к моносахаридам.

Моно- и дисахариды хорошо растворимы в воде и сладкие на вкус. С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается, исчезает сладкий вкус. К полисахаридам относятся крахмал, целлюлоза, инулин, гликоген, хитин.

Полисахариды (гликоген, целлюлоза и крахмал) построены из глюкозных мономеров, но связи в их молекулах разные. Кроме того, отличается и характер ветвления полимерных цепей: у целлюлозы цепи не ветвятся, у гликогена они ветвятся сильнее, чем у крахмала.

Виды углеводов

Углеводы подразделяются на простые и сложные. Они различаются химическим составом и быстротой усвоения сахара. Проще говоря, простые углеводы поглощаются и усваиваются гораздо быстрее и легче, чем сложные.

Простые углеводы состоят из одной или двух молекул моносахаридов, таких как фруктоза (содержится во фруктах) и галактоза (молочные продукты). Углеводы, которые состоят из 2 моносахаридов, например сахароза (сахар), лактоза (молочные продукты) и мальтоза (пиво и некоторые овощи) называются дисахаридами.

Простые углеводы встречаются в конфетах, сладкой газированной воде и сиропах. Эти продукты изготавливаются с использованием обработанных и очищенных сахаров и не содержат витаминов, минералов и клетчатки. Их называют «пустыми калориями», они могут привести к увеличению веса, согласно Национальному институту здравоохранения.

Сложные углеводы (полисахариды) имеют в своем составе три или более моносахарида. Они встречаются в продуктах содержащих крахмал: бобы, горох, чечевица, арахис, картофель, кукуруза, пастернак, хлеб из цельнозерновой муки и злаки.

Пейдж отмечает, несмотря на то, что все углеводы считаются быстрыми источниками энергии, простые углеводы быстрее, т.к. они быстрее усваиваются организмом. Они могут привести к резкому повышению уровня сахара в крови, в то время как сложные углеводы дольше генерируют энергию организма.

Исследования показали, что замена насыщенных жиров простыми углеводами (как во многих продуктах) повышает риск сердечных заболеваний и диабета второго типа.

Пейдж предложила следующее: «Лучше всего сосредоточиться на сложных углеводах, например на овощах и зерновых».

Потребность человеческого организма в углеводах

По общепринятым данным, потребность организма в углеводах должна составлять 45–75% от общей потребности человека в энергии. Минимальное количество углеводов, необходимое человеческому организму, определяется потребностью клеток мозга в глюкозе, поэтому в случае детей, подростков и взрослых минимальное потребление усвояемых углеводов установлено на уровне 130 г/день. 

Предполагалось, что потребление беременными женщинами углеводов (удовлетворяющих потребности мозга и развивающегося плода) должно составлять 175 г/сут, а кормящим женщинам, с учетом дополнительно потребности вскармливаемого новорожденного, необходимо – 210 г/сут. В профилактике питания рекомендуется потреблять более сложные углеводы, до 70% от общей энергии (за счет энергии, получаемой из жиров), ограничивая при этом потребление простых сахаров (моно- и дисахаридов).

Согласно этим рекомендациям, вы должны потреблять меньше сахара и сладостей, чтобы количество энергии, поставляемой сахарозой в рацион, не превышало 10% от суточной потребности в энергии. Сахароза не содержит никаких необходимых питательных веществ, кроме энергии, но увеличивает синтез липопротеинов ЛПОНП в печени, которые являются источником атерогенных фракций холестерина. ЛПНП. 

Употребление меньшего количества сладостей

Фруктоза, содержащаяся в сахаре, как подсластитель, который в настоящее время добавляется во многие безалкогольные напитки, десерты, кондитерские изделия, сладости и сухие завтраки, увеличивает синтез триглицеридов в печени, что способствует возникновению гипертриглицеридемии и дальнейшим метаболическим последствиям (ожирение, метаболический синдром, диабет 2 типа) и атеросклероз. 

Однако рекомендуется увеличить потребление пищевых волокон, которое должно составлять 20–40 г/сут. Эта рекомендация является результатом профилактических мероприятий, направленных на предотвращение заболеваний желудочно-кишечного тракта и так называемых метаболические заболевания цивилизации – ожирение, атеросклероз, сахарный диабет 2 типа, рак толстой кишки, груди и простаты.

Следует помнить, что все, что потребляется в избытке, может быть вредным. Точно так же повышенное потребление пищевых волокон ограничивает усвоение минералов, а чрезмерное потребление может вызвать диарею. Умеренное увеличение количества пищевых волокон, постулируемое диетологами, может быть легко достигнуто за счет увеличения потребления бобовых (фасоль, соевые бобы), овощей и фруктов (предпочтительно сырых), а также продуктов из темного зерна (мука грубого помола), например темного цельнозернового хлеба, темной лапши, темного риса.

Источники углеводов

Основные источники углеводов – продукты растительного происхождения. А именно: хлеб, злаки, овощи, фрукты, ягоды. Что касается продуктов животного происхождения, то некоторые из них также богаты на углеводы. Это, в первую очередь, молоко, в котором содержится так называемый молочный сахар.

Пищевые продукты могут содержать разные углеводы. Поэтому значение, применение углеводов и их функции очень обширны. В крупах и картофеле есть крахмал – сложный углевод нерастворимый в воде, который расщепляется на простые сахара под действием пищеварительных соков. Во фруктах, овощах и ягодах эти вещества представлены в виде простых сахаров: фруктовый, свекольный, тростниковый, виноградный и так далее. Они растворяются в воде и отлично усваиваются организмом. Сахара, растворимые в воде, быстро всасываются в кровь.

Виды углеводов

Сахариды представляют собой многочисленную группу веществ, различных по молекулярному составу. Он и обуславливает большое разнообразие глюцидов.

В зависимости от сложности молекул глюциды классифицируются следующим образом:

• моносахариды;
• дисахариды;
• полисахариды.

Моносахариды

Моносахариды – углеводы, в состав которых входит только 1 вид молекул. Это такие вещества:

• глюкоза (содержится в меде и фруктах);
• фруктоза (тоже входит в состав меда и фруктов);
• галактоза (есть в составе молока).

Дисахариды

Дисахариды – углеводы, имеющие в составе 2 молекулы. В их число входят:

1. Сахароза (белый сахар, произведенный из сахарной свеклы или тростника). Она включает глюкозу и фруктозу.
2. Лактоза (состоит из глюкозы и галактозы), которая присутствует в молоке, выделяемом животными класса млекопитающие.
3. Мальтоза (включает 2 молекулы глюкозы), которая находится в пиве, кукурузе.

Олигосахариды

Олигосахариды – углеводы, содержащие от 2 до 10 молекул. Наряду с дисахаридами, наиболее распространенной их разновидностью являются трисахариды:

1. Раффиноза. В ее состав входят галактоза, глюкоза и фруктоза. Содержится в сахарной свекле и семенах хлопчатника.
2. Генцианоза – содержит 2 молекулы глюкозы и 1 фруктозы. Добывается из корневой части растений рода горечавки.

3 полисахариды

Полисахариды – углеводы с несколькими молекулами. К ним относят:

• гликоген (содержится в печенке);
• крахмал, содержащий множество молекул глюкозы.

Крахмал включает в себя:

• злаковые (пшеница, кукуруза, рисовая крупа);
• корнеплоды (картошка, земляная груша, кормовая свекла);
• зерновые и бобовые культуры (фасоль, чечевица, зеленый горох, турецкий горох, бобы, соя).

Функция углеводов в организме человека

При поступлении данных элементов в организм человека через растительную пищу, они позволяют высвобождать энергию, однако это далеко не единственная роль данных веществ. На самом деле, значение углеводов в организме человека огромное.

Наиболее важные функции, которые выполняют углеводы:

1. Очистка желудочно-кишечного тракта. Не все вещества, которые входят в состав многих продуктов и блюд являются полезными. Благодаря этим элементам, в том числе и клетчатке, происходит самостоятельное очищение. В противном случае возможна была бы интоксикация.
2. Питание органов. Глюкоза, которая является простым углеводом, питает ткани головного мозга, сердечной мышцы, а также принимает непосредственное участие в образовании гликоген — основной компонент для стабильного функционирования печени.
3. Повышение иммунитета. Благодаря гепарину происходит профилактика чрезмерной свертываемости крови, а с помощью полисахаридов происходит наполнение кишечника всеми необходимыми активными веществами, которые направляются на борьбу с инфекциями.
4. Строительный материал. Дело в том, что без данных веществ невозможно образование некоторых разновидностей клеток в организме человека. В качестве примера можно рассмотреть синтез нуклеиновых кислот и клеточной мембраны.
5. Регулировка обменных процессов. Процесс окисления может ускоряется или, наоборот, замедляться, в зависимости от данных везеств.
6. Помощь в процессе расщепления и усвоения белков и жиров, которые поступают в организм с пищей.

Чтобы углеводы помогали, а не вредили нашему организму, их необходимо употреблять в умеренном количестве, чтобы не допустить избытка данного вещества.

Классификация углеводов: простые и сложные углеводы

Как вы уже знаете, углеводы содержатся и в полезных продуктах (овощи), и во вредных (пончики). Это привело к тому, что углеводы стали разделять на «хорошие» и «плохие». Какие продукты содержат плохие углеводы? По данным «Healthy Geezer Fred Cicetti» к плохим углеводам относят выпечку, сладкую газированную воду, продукты, подвергнутые интенсивной обработке, белый рис, белый хлеб и остальные продукты из белой муки. Это легкие углеводы. Простые углеводы редко имеют какую-либо питательную ценность.

Что такое сложные углеводы?

Считается, что «хорошие» углеводы – это сложные углеводы. Например, цельные злаки, фрукты, овощи, фасоль и бобовые. Они не только медленнее усваиваются организмом, но и содержат множество других питательных веществ.

Крахмал

Крахмал — одно из важнейших питательных веществ. Это резервный полисахарид растений (C6 H10 O6)n. Почти все растительные клетки могут синтезировать крахмал, но в разном количестве и с разной интенсивностью. 

Крахмалом богаты крупы, клубневые овощи — картофель, бобовые. В них он образует зерна различной формы и размера, характерные для каждого вида растений. Самые крупные зерна крахмала есть в картофеле, самые мелкие – в ржи, пшенице, ячмене и рисе. 

Крахмал

Крахмал состоит из двух гомополисахаридов глюкозы: α-амилозы и амилопектина. При длительном гидролизе крахмал разлагается до глюкозы. 

• α-Амилоза представляет собой линейный полимер глюкозы, в котором молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями. Амилоза составляет 15-20% молекулы крахмала. 
• Амилопектин имеет разветвленную цепь. 

В неразветвленных структурах молекулы глюкозы связаны между собой (1,4) гликозидными связями, а в структурах разветвления – α- (1,6) гликозидными связями. Амилопектин составляет 80-85% молекулы крахмала.

Связи между молекулами глюкозы, на которые влияет фермент амилаза, при различных способах приготовления пищи разрушаются, и свойства крахмала меняются, так что один тип крахмала легко переваривается, а другой проходит непереваренным в пищеварительный тракт. 

Быстро и медленно усваиваемые крахмалы перевариваются в тонком кишечнике, а устойчивый крахмал, непереваренный, попадает в толстую кишку, где ферментируется.

Сложные углеводы. Что такое углеводы?

Углеводы — это ключевой компонент большинства продуктов питания и основной источник энергии для людей. В зависимости от количества структурных единиц углеводы делятся на простые и сложные. Простые («быстрые») углеводы легко усваиваются организмом и быстро повышают уровень сахара в крови (то есть, имеют высокий), что может повлечь ухудшение метаболизма и набор лишнего веса.

Сложные углеводы (крахмал, клетчатка) состоят из множества связанных сахаридов, включая в себя от десятков до сотен структурных элементов. Пища с такими углеводами считается более полезной, поскольку при переваривании она отдает свою энергию организму постепенно, обеспечивая таким образом стабильное и долговременное чувство насыщения от еды.

На исключении углеводов из питания (или на их ограничении) строятся большинство диет для похудения. При этом наиболее популярной и эффективной диетой для быстрого снижения веса является, подразумевающая полный отказ от быстрых углеводов и употребление лишь небольшого количества еды со сложными углеводами.

В каких продуктах содержатся углеводы?

Углеводы содержатся практически во всех продуктах питания — однако за исключением продуктов животного происхождения (прежде всего, различных видов мяса и рыбы). При этом в натуральных растительных продуктах питания содержатся преимущественно медленные углеводы, тогда как продукты с чаще всего изготавливаются промышленным образом (начиная от белого сахара, заканчивая выпечкой).