هضم واستقلاب الكربوهيدرات

بقلم: جينس لوند ، بكالوريوس في الكيمياء الحيوية وبكالوريوس في التغذية والصحة

رأينا في مقال سابق كيف يتم هضم البروتينات في النظام الغذائي وامتصاصها واستخدامها في تخليق البروتين . بالتبعية ، من الطبيعي أيضًا مراجعة عملية الهضم والتمثيل الغذائي للكربوهيدرات والدهون.

في هذه المقالة ، سنلقي نظرة فاحصة على ما يحدث في الجهاز الهضمي ولاحقًا في خلايا الجسم التي تحتوي على الكربوهيدرات ، نستهلكها من خلال النظام الغذائي. يمكن أن يكون الحصول على نظرة ثاقبة أساسية لهذه العمليات مفيدًا للفهم عندما تصل المناقشات حول مواقع التدريب المختلفة إلى مستوى نظري أعلى قليلاً. للحد من نطاق المقالة ، لن تتناول الألياف الغذائية بالإضافة إلى آثارها الفسيولوجية والوقاية من الأمراض.

ما هي الكربوهيدرات؟

الكربوهيدرات هي مواد تتكون من الكربون (الكربون) والأكسجين (الأكسجين) والهيدروجين (الهيدروجين). يرجع اسم الكربوهيدرات أولاً إلى حقيقة أنها تحتوي على الكربون وثانيًا إلى حقيقة أن الهيدروجين والأكسجين يتم تضمينهما في نفس النسبة الموجودة في الماء - 2: 1. يتم تقسيم الكربوهيدرات في النظام الغذائي وفقًا لحجمها إلى السكريات الأحادية والسكريات الثنائية والسكريات قليلة السكاريد والسكريات المتعددة. يمكنك أن ترى أدناه بعضًا من أهم الكربوهيدرات في النظام الغذائي ، بالإضافة إلى مكوناتها.

السكريات الأحادية - تتكون من جزيء سكر واحد (سداسي)

• الجلوكوز
• الفركتوز
• جالاكتوز

نرى أن السكريات الأحادية تسمى السداسيات. يشير مصطلح hexose ببساطة إلى حقيقة أنها تحتوي على 6 ذرات كربون. نادرًا ما يوجد الجالاكتوز الحر في الأطعمة ، بينما يوجد الجلوكوز والفركتوز بشكل أساسي في الفواكه والتوت والعصائر وبعض الخضروات. الجلوكوز هو أهم كربوهيدرات من الناحية الفسيولوجية ، حيث يمكن لجميع خلايا الجسم الاستفادة من الجلوكوز ، وعندما تتحدث عن مستوى السكر في الدم ، فإنه يتم ذكر محتوى الدم من الجلوكوز أيضًا. تم العثور على الجالاكتوز في حليب الثدييات ، حيث يتم وضع الجالاكتوز في الغدد الثديية مع الجلوكوز لتكوين اللاكتوز.

السكاريد - يتكون من جزيئين من السكر (سداسي)

• المالتوز (جلوكوز + جلوكوز)
• اللاكتوز (جلوكوز + جالاكتوز)
• السكروز (الجلوكوز + الفركتوز)

تسمى السكريات الثلاثة أيضًا سكر الشعير وسكر الحليب وسكر القصب ، وكما ترون ، فهي تتكون من سكرين أحاديين. السكروز هو ما نعرفه بسكر المائدة الأبيض العادي ويوجد مضافًا في بحر من الأطعمة. اللاكتوز يوجد في الحليب ومنتجات الألبان ويوجد المالتوز على سبيل المثال في البيرة.

قليل السكاريد - يتكون من 3-9 جزيئات سكر (سداسية)

• فمثلا ، مالتوديكسترين الذي يتكون من الجلوكوز

السكريات المتعددة - تتكون من> 10 جزيئات سكر (سداسي)

• النشا الذي يتكون من الجلوكوز
• السليلوز (ألياف غذائية تتكون أيضًا من الجلوكوز)

يتكون كل من النشا والسليلوز فقط من الجلوكوز ، ولكن على الرغم من ذلك ، إلا النشا الذي يمكننا هضمه. يرجع هذا الاختلاف في قابلية الهضم إلى الاختلافات في بنية المادتين. في النشا ، يتم تجميع جزيئات الجلوكوز معًا باستخدام روابط ألفا ، بينما تكون في السليلوز روابط بيتا. لا يشكل الجسم إنزيمًا قادرًا على تكسير روابط بيتا في السليلوز ، ولهذا السبب يعتبر السليلوز من الكربوهيدرات غير القابلة للهضم.

هضم الكربوهيدرات

فقط السكريات الأحادية صغيرة بما يكفي ليتم امتصاصها في جدار الأمعاء. لذلك ، فإن الغرض من هضم السكاريد والسكريات قليلة السكاريد والسكريات المتعددة هو تفكيكها إلى السكريات الأحادية.

يبدأ هضم الكربوهيدرات في الفم حيث يفرز اللعاب من 3 غدد لعابية. يحتوي اللعاب على إنزيم الأميليز اللعابي ، الذي يبدأ في تكسير النشا. يشق الأميلاز اللعابي سلاسل الجلوكوز الطويلة إلى سلاسل أصغر لتشكيل السكريات القليلة (الدكسترين). ومع ذلك ، نظرًا لأن الطعام يبقى فقط في تجويف الفم لفترة قصيرة ، لا يتم هضم الكثير من النشا في الفم.

في المعدة ، لا يمكن أن يعمل الأميليز اللعابي عند درجة الحموضة المنخفضة. ومع ذلك ، سيستمر هضم بعض النشا ، حيث سيتم وضع الطعام في الجزء العلوي من المعدة بطريقة مناسبة تحمي الأميليز اللعابي مع انخفاض الرقم الهيدروجيني.

في الاثني عشر ، يستمر هضم النشا. يفرز إفراز يحتوي على الأميليز والمادة الأساسية بيكربونات من البنكرياس. يرفع البيكربونات درجة الحموضة لدرجة أن الأميليز يمكن أن يستأنف تكسير النشا إلى مالتوز.

الجزء الأخير من هضم الكربوهيدرات يحدث في الأمعاء الدقيقة باستخدام 3 إنزيمات تكسير الكربوهيدرات مالتاز واللاكتاز والسكروز. هذه الإنزيمات الثلاثة تحلل السكريات إلى السكريات الأحادية. يقوم المالتاز بتقسيم المالتوز إلى جزيئين جلوكوز ، ويقوم اللاكتاز بتكسير اللاكتوز إلى جلوكوز وجلاكتوز ، ويحلل السكروز السكروز إلى جلوكوز وفركتوز. بعد الهضم في الأمعاء الدقيقة ، يتم امتصاص السكريات الأحادية من خلال جدار الأمعاء الدقيقة ونقلها إلى مجرى الدم.

امتصاص السكريات الأحادية

بعد الهضم في الأمعاء الدقيقة ، يتم امتصاص السكريات الأحادية من خلال جدار الأمعاء الدقيقة ونقلها إلى مجرى الدم. يتم امتصاص الجلوكوز والجالاكتوز بكفاءة عالية باستخدام بروتين نقل يسمى GLUT2.

يتم تحويل جزء من الفركتوز في الخلايا الظهارية المعوية إلى لاكتات وجلوكوز ، بينما يتم امتصاص الباقي بواسطة بروتين النقل GLUT5. من الخلايا الظهارية المعوية ، يتم أخذ السكريات الأحادية في الأوعية الدموية الوريدية التي تحيط بالظهارة المعوية ثم تمر عبر البوابة الكبدية إلى الكبد.

تحويل الكربوهيدرات

في الكبد ، يتم تحويل الجالاكتوز والفركتوز المتبقي إلى جلوكوز أو حرقها مباشرة في الكبد. لذلك ، يتم إطلاق الجلوكوز بشكل حصري تقريبًا من الكبد ويتم نقله بالدم إلى الأعضاء والأنسجة الأخرى.

الجلوكوز هو الوقود المفضل للجسم ويمكن تخزينه على شكل جليكوجين في الكبد والعضلات. الجليكوجين ، مثل النشا ، عبارة عن سلاسل طويلة من جزيئات الجلوكوز مجتمعة. ومع ذلك ، فإن سعة التخزين محدودة بحوالي. 100 يعطي الكبد و 300 - 400 يعطي العضلات. من المريح جدًا إيداع الجلوكوز في شكل جليكوجين بدلاً من الجلوكوز الحر. وذلك لأن تراكم الجلوكوز في الخلايا سيؤدي إلى امتصاص شديد للسوائل (التناضح) ، مما يؤدي إلى تفجير الخلايا إلى أشلاء. يتم تقليل التأثير الاسموزي بشكل كبير عن طريق ترسيب الجلوكوز في شكل جليكوجين. ومع ذلك ، فمن المحتم أنه مقابل كل جرام من الجليكوجين المودع في خلايا العضلات والكبد ، يرتبط 3 جرامات من الماء.

يستخدم الجليكوجين في الكبد لتنظيم نسبة السكر في الدم بين الوجبات. بعد تناول الوجبة ، يتم ترسيب كمية معينة من الجلوكوز ، والتي يمكن بعد ذلك تناولها خلال الوقت الذي لا يتم فيه امتصاص السكر من الأمعاء. إذا كان هناك فائض من الجلوكوز بعد ملء مخازن الجليكوجين ، فيمكن تحويل الباقي إلى سمين . الجليكوجين العضلي هو المصدر الأساسي للطاقة في العضلات ، وبمجرد دخول الجلوكوز إلى العضلات ، لا يمكنه تركها مرة أخرى. بمعنى آخر ، يتم حرقها.
ومع ذلك ، يمكن تحويل الجلوكوز في العضلات إلى لاكتات ، والتي يمكن بعد ذلك إطلاقها ونقلها إلى الكبد ، حيث يمكن تحويلها إلى جلوكوز (ما يسمى بدورة كوري).

تنظيم سكر الدم

سكر الدم عادة ما بين 4 و 6 مليمول / لتر في الأشخاص الأصحاء ، ولكن يمكن أن يرتفع حتى 8 مليمول / لتر بعد الوجبة. هذه الزيادة في نسبة السكر في الدم تحفز ما يسمى بخلايا بيتا في البنكرياس لزيادة إفراز الأنسولين. الأنسولين يخفض نسبة السكر في الدم عن طريق تعزيز امتصاص الجلوكوز في العضلات والخلايا الدهنية على وجه الخصوص. بتعبير أدق ، يعمل الأنسولين عن طريق زيادة كمية بروتينات النقل المسماة GLUT4 في أغشية الخلايا. يتيح ذلك للعضلات والخلايا الدهنية امتصاص الجلوكوز الذي يتدفق حول الدم ، وبالتالي يمنع ارتفاع نسبة السكر في الدم بشكل غير مقيد تمامًا. يعزز الأنسولين أيضًا تكوين الجليكوجين في العضلات والدهون في الخلايا الدهنية ، ويزيد من استقلاب الجلوكوز في معظم الخلايا ويمنع الكبد من التحول. بروتين في الجلوكوز.

بين الوجبات ، ينخفض ​​سكر الدم ، حيث يستخدم الجلوكوز باستمرار في IA خلايا الدم الحمراء والجهاز العصبي. نقص السكر في الدم (انخفاض شديد في نسبة السكر في الدم) هو حالة يكون فيها تركيز الجلوكوز في الدم منخفضًا يصل إلى 2-3 ملي مول / لتر. بالإضافة إلى تقليل القدرة على العمل ، وهو الأمر الذي ربما تكون قد عانيت منه ، يمكن أن يؤدي نقص السكر في الدم أيضًا إلى فقدان الوعي ، حيث يعتمد الجهاز العصبي المركزي بشكل كبير على الجلوكوز. لذلك من المناسب أن يؤدي انخفاض نسبة السكر في الدم إلى تحفيز خلايا ألفا في البنكرياس على إفراز هرمون الجلوكاجون. يعزز الجلوكاجون تحلل الجليكوجين في الكبد (تحلل الجليكوجين) ، وبالتالي يقاوم الانخفاض المفرط في نسبة السكر في الدم بين الوجبات. إذا كان مستودع الجليكوجين فارغًا تمامًا ، فإن الجلوكاجون سيعزز تحويل الجليكوجين الأحماض الأمينية للجلوكوز (استحداث السكر) وحرق الدهون.

الأدرينالين والكورتيزول وهرمون النمو يشارك أيضًا في تنظيم نسبة السكر في الدم. نلخص أدناه وظائفهم بالإضافة إلى الأنسولين والجلوكاجون.

حرق الجلوكوز

نعلم أن 1 جرام من الكربوهيدرات (الجلوكوز) يوفر طاقة مقدارها 17 كيلو جول (4 كيلو كالوري) ، ولكن كيف يستخدم الجسم الطاقة الموجودة في الكربوهيدرات؟ سوف نلقي نظرة فاحصة على هذا في ما يلي.

لا يمكن للجسم استخدام الطاقة المرتبطة كيميائيًا الموجودة في جزيء الجلوكوز. لذلك ، يجب "نقل" الطاقة إلى جزيء ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP). يمكن للجسم استخدام الطاقة الكيميائية في ATP على سبيل المثال تقلصات العضلات أو في العمليات الخلوية الأخرى.

عندما يحتاج الجسم إلى طاقة لعملية ما ، فإن مجموعة الفوسفات في يتم تكسير ATP ، بحيث يتم تحويله إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) والفوسفات الحر (P). من خلال هذا الانقسام من P ، يتم إطلاق الطاقة. ومع ذلك ، فإن الجسم يحتوي على كمية محدودة فقط من ATP ، ولهذا السبب يجب استعادة ATP باستمرار. وهنا في هذا الاستعادة تظهر العناصر الغذائية للنظام الغذائي في الصورة.

تقوم خلايا الجسم "باستخراج" الطاقة المقيدة كيميائيًا في الجلوكوز عن طريق بحر من العمليات الكيميائية. سيكون من المكثف جدًا إعطاء وصف كامل لجميع ردود الفعل هذه ، وهذا هو السبب في أننا ننظر ببساطة في كيفية حدوث تحويل الطاقة.

يبدأ الجلوكوز بكونه جزءًا من سلسلة تفاعل كيميائي تسمى تحلل السكر. يحدث تحلل السكر في سائل الخلية (السيتوبلازم) ، وفي هذه العملية ، يتم تحويل جزيء جلوكوز واحد إلى جزيئين من البيروفات ، بينما يتم استعادة جزيئين من ATP.

إذا لم يكن هناك ما يكفي من الأكسجين الموجود في الخلية ، فسيتم تحويل البيروفات إلى لاكتات. يمكن نقل اللاكتات المتكونة إلى الكبد وتحويلها إلى جلوكوز ، أو يمكن تحويلها لاحقًا ، عندما يكون هناك ما يكفي من الأكسجين في الخلية ، إلى البيروفات ثم إلى أسيتيل CoA للدخول في نهاية المطاف في الانتعاش الهوائي. من ATP.
في الاسترداد الهوائي لـ ATP ، والذي يحدث في الميتوكوندريا للخلايا ، يتم تحويل البيروفات أولاً إلى مادة أسيتيل CoA (يُنطق أسيتيل أنزيم أ). يمكن أن يدخل Acetyl-CoA بعد ذلك في ما يسمى بدورة حمض الستريك ، حيث يتحلل ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين تدريجياً. دورة حامض الستريك ، كما يوحي الاسم ، هي عملية دورية يقترن فيها acetyl-CoA في الخطوة الأولى مع oxaloacetate لتكوين حامض الستريك. من خلال انشقاقات ثاني أكسيد الكربون ₂ والهيدروجين ، أوكسالو أسيتات يتم استعادتها ، ويمكن بعد ذلك إعادة اقترانها باستخدام أسيتيل CoA ، حيث يمكن إجراء دورة أخرى.

ينتج الهيدروجين أيضًا في تحلل السكر وفي تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA ، ويستخدم هذا الهيدروجين مع الهيدروجين المشقوق من دورة حمض الستريك لاستعادة ATP. يحتوي الهيدروجين المشقوق على إلكترونات غنية بالطاقة ، والتي تطلق طاقتها من خلال سلسلة نقل الإلكترون.
تُستخدم هذه الطاقة المحررة في ضخ البروتونات (H ⁺ ) عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. في بعض الأماكن في الغشاء الداخلي ، يمكن للبروتونات أن تتسرب مرة أخرى إلى الميتوكوندريا ، وعندما يحدث هذا ، تتم استعادة ATP باستخدام إنزيم ATP synthase.

في النهاية ، ستتحد الإلكترونات منخفضة الطاقة الآن مع H ⁺ و O ₂ لتشكيل H. ₂ في المجموع ، يمكن كتابة العملية برمتها على النحو التالي ، مع حرق كل جزيء جلوكوز ، تقريبًا. 30 ATP:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂ à 6 CO ₂ + 6 H ₂ O + طاقة (ATP)

ملخص

تنقسم الكربوهيدرات الغذائية إلى السكريات الأحادية والسكريات الثنائية والسكريات قليلة السكاريد والسكريات المتعددة. ومع ذلك ، فإن السكريات الأحادية فقط هي صغيرة بما يكفي ليتم امتصاصها في الأمعاء الدقيقة. لذلك من الضروري أن تنقسم السكريات الثنائية والقليلة والسكريات إلى سكريات أحادية في الجهاز الهضمي.

في الفم ، يبدأ إنزيم الأميليز اللعابي في تكسير النشا إلى سكريات قليلة السكاريد ومالتوز. يستمر هذا الانقسام في المعدة حتى يتم تغيير طبيعة الأميليز اللعابي وبالتالي لا يعود نشطًا بسبب انخفاض درجة الحموضة. في الاثني عشر ، يفرز اللعاب من البنكرياس. يحتوي البنكرياس على IA الأميليز والمادة الأساسية بيكربونات. يرفع البيكربونات درجة الحموضة بحيث يمكن للأميلاز أن يكمل انقسام النشا إلى مالتوز.

في وقت لاحق من الاثني عشر ، يتم إفراز إنزيمات المالتاز واللاكتاز والسكروز ، والتي يتم تكسيرها على التوالي. المالتوز واللاكتوز والسكروز. بعد ذلك ، يتم امتصاص السكريات الأحادية عبر الأمعاء الدقيقة ونقلها بالدم إلى الكبد. في الكبد ، يتم تحويل الفركتوز والجلاكتوز إلى جلوكوز ويتم ترسيب أي سكر زائد على شكل جليكوجين.

إن هرموني الأنسولين والجلوكاجون هما بشكل أساسي هما اللذان ينظمان نسبة السكر في الدم. يزداد إفراز الأنسولين بعد الأكل لمنع الزيادات المفرطة في نسبة السكر في الدم ، بينما يزداد إفراز الجلوكاجون بين الوجبات لمنع نقص سكر الدم.

يتم حرق الجلوكوز في الخلايا باستخدام عمليات كيميائية حيوية مختلفة. أولاً ، يتم تحويل الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات في تحلل السكر ، ثم يتم تحويل جزيئي البيروفات إلى جزيئين أسيتيل- CoA ، والتي يمكن أن تدخل بعد ذلك في دورة حمض الستريك. خلال دورة حامض الستريك ، يتم تشقق ذرات الهيدروجين ، والتي تستخدم في سلسلة نقل الإلكترون لاستعادة ATP.

 

المؤلفات:

توصيات التغذية الشمالية 2004 - دمج التغذية والنشاط البدني ، الطبعة الرابعة ، 2004.
Nedergaard، Gustav: تغذية الإنسان - كتاب أساسي في التغذية ، الطبعة الرابعة ، Nucleus ، 2006.
Schibye & Klausen: فسيولوجيا الإنسان - الراحة والعمل ، الطبعة الثانية ، ناشرو FADL ، 2005.
Nielsen & Springborg: تحت الجلد - علم التشريح وعلم وظائف الأعضاء ، الطبعة الثانية ، مونكسجارد الدنمارك ، 2005.
بريمر ، ينس: الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية ، الطبعة الثانية ، Nucleus 2005