Аеробне окиснення вуглеводів

Обмін вуглеводів

Обмін вуглеводів займає центральне місце в обміні речовин. Вуглеводи займають друге важливе місце в харчуванні людини. Вони складають більшу частину раціону (60 – 70 %) і є основним джерелом енергії. Основні етапи обміну представлені на рис. 3.

Складні вуглеводи їжі підлягають розщепленню в процесі травлення до моносахаридів, в основному, глюкози. Моносахариди всмоктуються з кишечника в кров, попадають в печінку і інші тканини, де вступають в проміжний обмін. Частина глюкози в печінці і м’язах скелету відкладається у вигляді глікогену або використовується в пластичних процесах. При надлишку вуглеводів в їжі вони можуть перетворюватись в жири та білки. Друга частина глюкози окиснюється з утворенням АТФ і виділенням теплової енергії. В тканинах можливі два основних механізми окислення вуглеводів – без участі кисню (анаеробно) та з його участю (аеробно).

Вміст вуглеводів в деяких продуктах харчування: крупа, макарони – 65–75%, хліб – 50%, картопля – 25%, молоко, м’ясо –
0,5–2 %.

Добова норма вуглеводів в харчуванні спортсменів (г/кг ваги за добу): гімнастика – 8,5-9,0; плавання – 10-11; важка атлетика – 9,5-10; боротьба, бокс –9-11; гребля – 10,5-11,5; футбол 9–10; велоспорт
11,2-13,3.

Добовий вуглеводний раціон спортсменів складається на 25% з моно- і дисахаридів, на 70% – з полісахаридів (крохмаль) та 5% – клітковина.

Рис. 3

Основні етапи обміну вуглеводів в організмі людини

Розщеплення вуглеводів

Розщеплення складних вуглеводів їжі починається в ротовій порожнині під дією ферментів, що містяться в складі слини – амілази і мальтази (рис. 4). Оптимальна дія цих ферментів проявляється при рН 6,8-7,2. При розщепленні утворюються більш низькомолекулярні вуглеводи – декстрини, частково – мальтоза і глюкоза.

У шлунку розщеплення вуглеводів не відбувається, так як відсутні специфічні ферменти гідролізу вуглеводів, а кисле середовище шлункового соку (рН 1,5-2,5) інактивує дію ферментів. Основне розщеплення відбувається у дванадцятипалій кишці і у порожнині тонкої кишки дією ферментів підшлункової залози і кишкового соку. Крохмаль і декстрини амілаза розщеплює до мальтози. Дисахариди під дією високоспецифічних ферментів мальтази, сахарази і лактази розщеплюються до моносахаридів, в основному, глюкози, фруктози, галактози.

Рис. 4

Схема розщеплення вуглеводів їжі в процесі травлення

Анаеробний шлях обміну вуглеводів.

В організм людини поступає велика кількість клітковини, яка необхідна як стимулятор секреторної і моторної функції травного каналу. В тонкому відділі кишок клітковина не розщеплюється, так як відсутні ферменти, необхідні для її гідролізу. Клітковина використовується для біосинтезу вітамінів К, В₁₂, фолієвої кислоти. Нерозщеплена клітковина виводиться з організму. Всмоктування утворених моносахаридів відбувається стінкою кишок і через капіляри кишкових ворсинок, вони попадають у кров. Із кишок у кров переважно потрапляє глюкоза і лише в незначних кількостях фруктоза, галактоза і маноза.

Бродіння – найпростіша форма біологічного окиснення. Бродіння – процес утворення енергії шляхом окиснення глюкози та інших субстратів у безкисневому середовищі під дією ферментів найпростіших мікроорганізмів.

Молочно-кисле бродіння відбувається під дією молочно-кислих бактерій. З молекули глюкози утворюються дві молекули молочної кислоти

С₆Н₁₂О₆ → 2С₃Н₆О₃

Спиртове бродіння супроводжується розщепленням молекули глюкози з утворенням двох молекул етилового спирту

С₆Н₁₂О₆ → 2С₂Н₅ОН + 2СО₂

Цей процес каталізується ферментами – продуктами життєдіяльності дріжджів.

Гліколіз – анаеробне окиснення глюкози, який включає реакції послідовного перетворення молекули глюкози в піровиноградну кислоту, а потім при недостачі кисню в тканинах – в молочну кислоту. Цей процес супроводжується утворенням АТФ і виділенням теплової енергії.

Гліколіз – це послідовність реакцій, які приводять до перетворення глюкози або глікогена (глікогеноліз) до двох молекул піровиноградної кислоти (піруват), яка в анаеробних умовах перетворюється в молочну кислоту (лактат). При цьому гліколіз дає 2, а глікогеноліз – 3 молекули АТФ. Гліколіз в анаеробних умовах завершується реакцією відновлення піровиноградної кислоти до молочної під дією фермента лактатдегідрогенази. Джерелом водню служать молекули НАДН₂ – кофермент ферменту дегідрогенази.

Сумарне рівняння процесу гліколізу:

С₆Н₁₂О₆ + 2АТФ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ + 2НАД

глюкоза

→ 2С₃Н₆О₃ + 4АТФ + 2НАДН₂ + 2Н₂О

молочна кислота

Гліколіз перебігає переважно у м’язах при інтенсивних фізичних навантаженнях. Утворена молочна кислота з м’язів поступає в кров, доставляється в печінку, де аеробно окиснюється або використовується для новоутворення глюкози.

В процесі гліколізу поступово вивільнюється 196 кДж енергії.

= –196 кДж

61 кДж акумулюється в АТФ 135 кДж розсіюється у

вигляді тепла

Більша її частина розсіюється у вигляді тепла (135 кДж), а менша – накопичується в макроергічних зв’язках двох молекул АТФ. Ефективність енергії у формі АТФ при гліколізі складає 40 %. Основна частина енергії, акумульована в молекулі глюкози
(2880 кДж), залишається в продукті гліколізу – двох молекулах молочної кислоти і може визволятися тільки при аеробному окисненні.

Гліколіз і глікогеноліз відіграють важливу роль при м’язовій діяльності анаеробного характеру. Вони забезпечують енергією інтенсивну роботу в межах від 30 с до 2-3 хв.

Аналізуючи весь процес гідролізу треба відмітити, що анаеробне окиснення вуглеводів має ряд характерних рис. Воно відбувається багатоступінчато, що забезпечує поступове звільнення енергії субстратами та її засвоєння. Енергія, що звільнюється в процесі гліколізу, спочатку зберігається в макроергічних фосфатних зв’язках молекул АТФ. Активування неорганічної фосфатної кислоти і реакція фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ здійснюється за рахунок енергії внутрішнього окисно-відновного процесу.

Гліколіз включає хімічні перетворення трьох різних типів:

1. Розклад карбонового ланцюга глюкози з утворенням пірувата – шлях атомів карбону.

2. Фосфорилювання АДФ високоенергетичними речовинами з утворенням АТФ – шлях фосфатних груп.

3. Перенесення водневих атомів або електронів – шлях переносу електронів.

Молочна кислота утворюється у м’язах з найбільшою швидкістю на протязі 40-45 с з інтенсивним фізичним навантаженням за рахунок максимального включення анаеробного гліколізу. Рівень молочної кислоти підвищується в 4-5 разів. При високих концентраціях молочної кислоти можливе вичерпання ємкості буферних систем і тоді відбувається зміщення активного середовища в кислу область (ацидоз). Таке закиснене середовище впливає на функції нервової системи і скелетних м’язів, приводить до зниження працездатності та розвитку стомлення. Після закінчення роботи 55-70 % молочної кислоти використовується тканинами, в тому числі і м’язами, як джерело енергії, 6-7 % виводиться з сечею, а остання частина використовується в печінці для процесів глікогенезу та відновлення глікогену у м’язах. Виведення молочної кислоти із м’язів, її окиснення після припинення роботи підсилюється при активному відпочинку.

Аеробне окиснення вуглеводів

Цей шлях є основним в утворенні енергії для організму. Розпад вуглеводів в аеробних умовах може йти непрямим – діхотомічним та прямим – апотомічним шляхами.

При непрямому розпаді глюкози відбувається розщеплення глюкози на вуглекислий газ і воду з виділенням енергії

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 2880 кДж

Прямий шлях окиснення глюкози або пентозний цикл характеризується послідовним відщепленням від молекули глюкози кожного з шести атомів карбону з утворенням СО₂ та Н₂О в кожному циклі.

Непрямий шлях розпаду глюкози переважає в печінці, нирках, прямий – в еритроцитах, статевих залозах, кришталику ока.

Аеробне окиснення глюкози

Є багатостадійним процесом розкладу її молекул до кінцевих продуктів обміну СО₂ і Н₂О з утворенням тридцяти восьми молекул АТФ і виділенням теплової енергії. Відбувається процес при участі кисню, який доставляється в тканини гемоглобіном. Цей процес окиснення вуглеводів є одним із основних механізмів утворення АТФ в тканинах організму. Він включає такі основні стадії:

1. гліколітичний розпад молекул глюкози до двох молекул піровиноградної кислоти;

2. перетворення піровиноградної кислоти в ацетил-КоА;

3. окиснення ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот (цикл Кребса) і на дихальному ланцюгу.

Сумарне рівняння аеробного окиснення молекули глюкози таке:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 36Н₃РО₄ + 36АДФ → 6СО₂ + 42Н₂О + 36АТФ

= –2880 кДж/моль

1311 кДж акумулюється в АТФ 1569 кДж розсіюється у

вигляді тепла

Аеробний метаболізм глюкози з накопиченням АТФ більш ефективний, ніж анаеробний. Він має більший коефіцієнт корисної дії (45 %), тому що з 2880 кДж вільної енергії окиснення глюкози
1311 кДж акумулюється в АТФ. Аеробне окиснення вуглеводів – основний механізм енергозабезпечення аеробної м’язової роботи на протязі декількох годин.

Поиск по сайту: