WĘGLOWODANY
Węglowodany ( cukry ) to związki organiczne bardzo rozpowszechnione w przyrodzie, będące dla człowieka podstawowym materiałem energetycznym. Swoją nazwę zawdzięczają temu, że w ich budowie węgiel tlen oraz wodór są w takim składzie jak w wodzie. Na przykład glukoza – C6H12O6, zapisana inaczej, to C6( H2O )6. Przy spalaniu węglowodanów powstaje z nich dwutlenek węgla ( węgiel ) i para wodna ( woda ).
Chemicznie węglowodany to inaczej polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony.
Węglowodany możemy podzielić na cukry proste i złożone.
Cukry proste
Cukry proste ( monosacharydy ) mogą mieć w cząsteczce różną liczbę atomów węgla, w związku z czym wyróżniamy triozy – 3C ( trzy atomy węgla ), tetrozy- 4C, pentozy - 5C, heksozy – 6C i heptozy – 7C. Cukry proste mogą różnić się również grupą funkcyjną. Zależnie od tej grupy można je podzielić na aldozy – posiadające grupę aldehydową i ketozy – posiadające grupę ketonową.
W monosacharydach istnieje możliwość stereoizomerii ( ten sam wzór strukturalny, ale różna konfiguracja przestrzenna ). Jest to związane z występowaniem węgli asymetrycznych, czyli mających cztery różne podstawniki. Ilość możliwych izomerów zależy od ilości węgli asymetrycznych ( n ) i wynosi 2n. Glukoza, mająca cztery węgle asymetryczne, może występować w 16 formach izomerycznych.
Izomerie najczęściej spotykane w cukrach to :
Izomeria aldoza – ketoza
Podstawowym przykładem jest glukoza mająca grupę aldehydową i fruktoza z grupą ketonową.
Stereoizomeria – izomeria D i L
Występowanie formy D lun L związane jest z położeniem grup H i OH przy ostatnim węglu asymetrycznym, to jest przylegającym bezpośrednio do ostatniego węgla. Ostatnim węglem asymetrycznym w glukozie jest węgiel piąty ( 5C ).
Izomeria optyczna
Obecność asymetrycznych atomów węgla warunkuje skręcalność światła spolaryzowanego przechodzącego przez roztwór cukru, czyli aktywność optyczną. Skręcanie płaszczyzny światła spolaryzowanego w lewo oznacza się ( - ) natomiast w prawo ( + ).
Anomery alfa i beta
W roztworze przy węglu 1 glukozy staje się asymetryczny przy cyklicznej strukturze, wzajemne położenie grup – H i – OH wyznacza, czy jest to glukoza alfa czy beta. Grupa – H nad płaszczyzną, - OH pod płaszczyzną wzoru – anomer alfa, odwrotnie anomer beta. Anomery przechodzą wzajemnie w siebie, a zjawisko to nazywamy mutarotacją.
Epimeria
Epimerami nazywamy izomery powstałe w wyniku różnego położenia grup - H i – OH przy 2, 3 i 4 węglu glukozy. Do epimerów glukozy należy mannoza i galaktoza.
Piranoza i furanoza
Aldozy i ketozy mogą tworzyć struktury pierścieniowe podobne do piranu i furanu, stąd ich nazwa ( glukopiranoza i glukofuranoza czy fruktopiranoza i fruktofuranoza ).
CUKRY ZŁOŻONE
Wśród cukrów złożonych można wyróżnić:
A. Oligosacharydy – zbudowane z kilku cząsteczek monosacharydowych
( 2 – 10 ). Do najczęściej spotykanych oligosacharydów należą dwucukry:
- maltoza ( 2 glukozy połączone wiązaniem glikozydowym 1- 4 - α),
- izomaltoza ( 2 glukozy połączone wiązaniem 1 – 6 – α ),
- sacharoza (glukoza fruktoza połączone 1-2- α ),
- laktoza ( glukoza i galaktozapołączona wiązaniem 1- 4 – β – glikozydowym ),
B. Polisacharydy ( wielocukry ), wśród których wyróżnia się:
1. Homoglikany – zbudowane z wielu cząsteczek jednego monosacharydu ( skrobia, glikogen, celuloza, inulina ), 2. Heteroglikany ( mukopolisacharydy ) – cukry, w których skład wchodzi wiele cząsteczek pochodnych cukrowych zawierających reszty niecukrowi. Przykładami heteroglikanów są kwas hialuronowy, kwas chondroitynosiarkowy i heparyna.
Kwas hialuronowy zbudowany jest z wielu powtarzających się sekwencji dwucukrowych, w których skład wchodzą kwas glikuronowy i N – acetyloglukozamina, połączone wiązaniem 1,3 – glikozydowym. Kwas hialuronowy jest składnikiem płynu wyściełającego torebki stawowe i pochewki ścięgniste.
Kwas chondroitynosiarkowy buduje wiele fragmentów dwucukrowych złożonych z kwasu glikuronowego i siarczanowej pochodnej N – acetylogalaktozaminy, jest składnikiem płynów stawowych wyściełających pochewki oraz torebki ścięgniste.
Podobnie zbudowana jest heparyna. Fragment dwucukrowy powtarzający się wielokrotnie to siarczanowa pochodna glukozaminy, zestryfikowana dodatkowo resztą kwasu siarkowego, połączona wiązanie 1,4 z siarczanową pochodną kwasu glikuronowego. Heparyna działa jako czynnik przeciwkrzepliwy.
WŁŚCIWOŚCI CUKRÓW
Właściwości cukrów są związane z ich budową. Monosacharydy mają właściwości redukujące, co zależy od obecności wolnej grupy aldehydowej lub ketonowej. Właściwości redukujące wykazują też niektóre dwucukry ( maltoza, izomaltoza, laktoza), w których jedna grupa aldehydowa jest wolna. Wykorzystuje się to w jakościowej i ilościowej analizie cukrów.
Wielocukry tworzą kompleksy z jodem. Aby zanalizować ich skład, przeprowadza się hydrolizę do monosacharydów.
Do identyfikacji cukrów stosowane są następujące metody:
- reakcje barwne ( tworzenie pochodnych furfuralowych ),
- reakcje barwne ( właściwości redukcyjne ),
- fermentacja,
- otrzymywanie osazonów i hydrazonów,
- badanie skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego.
TRAWIENIE I WCHŁANIANIE WĘGLOWODANÓW
Węglowodany przyjmowane w pożywieniu mają różną budowę, dlatego zróżnicowany jest ich proces trawienia. Wszystkie węglowodany trawione są w różnych odcinkach przewodu pokarmowego do cukrów prostych, ponieważ tylko w takiej formie mogą zostać wchłonięte.
Sacharoza – jest trawiona dopiero w jelicie cienkim, gdzie działa sacharoza. Enzym ten produkowany jest przez ścianę jelita cienkiego.
Laktoza – również rozkładana jest w jelicie cienkim przez laktozę. Aktywność tego enzymu jest największa u osesków i zmniejsza się z wiekiem.
Skrobia – Trawienie skrobi rozpoczyna się w jamie ustne, gdzie działa amylaza ślinowa, będąca składnikiem śliny. Rozbija ona wiązania 1,4-α- glikozydowi powstają różne długie dekstryny. Enzym ten działa jednak stosunkowo krótko. Jego optymalne pH wynosi 6,7 idlatego nie działa już w żołądku, gdzie unieczynniany jest przez niskie pH ( 1,5 – 2,0 ).
Dekstryny trawione są dopiero w dwunastnicy. Wraz sokiem trzustkowym dostaje się amylaza trzustkowa. Enzym ten kontynuuje działanie amylazy ślinowej, rozbijając wiązania 1,4 –α- glikozydowe. Amylaza trzustkowa działa jednak dłużej, w wyniku czego z dekstryn powstają maltoza i izomaltoza. Obydwa trawione są w jelicie cienkim, którego ściana maltazę i izomaltazę. Enzymy te rozbijają wiązania glikozydowi w maltozie i izomaltozie, uwalniając glukozę. W podobny sposób jak skrobia trawieniu ulega glikogen.
WCHŁANIANIE WĘGLOWODANÓW
Węglowodany wchłaniane są z przewodu pokarmowego w formie cukrów prostych – glukoza i galaktoza głównie na drodze transportu czynnego w symporcie z sodem, natomiast fruktoza na drodze transportu biernego.
Transport czynny glukozy związany jest z wykorzystaniem energii z ATP. Przebiega on w sprzężeniu z działaniem ATP – azy sodowo –potasowej. Energia z ATP nie jest potrzebna bezpośrednio do transportu glukozy, ale konieczna jest dla działania pompy sodowej, która wyrzuca sód z komórki wbrew gradientowi stężeń. Sód wraca do komórki na zasadzie różnicy stężeń, a w symporcie z nim transportowana jest glukoza. W ten sam sposób wchłaniana jest również galaktoza.
TRANSPORT GLUKOZY DO KOMÓRKI
Po wchłonięciu glukoza transportowana jest przez krew do wszystkich tkanek. Do komórek tkanek dostaje się przy udziale translokaz. Jest to transport wspomagany i odbywa się bez wydatkowania energii.
Tkanki, których komórki posiadają receptory insulinowe, nazywamy insulinozależnymi, natomiast nieposiadające tych receptorów – insulinoniezależnymi. Do tkanek insulinoniezależnych glukoza dostaje się na zasadzie różnicy stężeń ( transport bierny ).Należą do nich komórki centralnego układu nerwowego, erytrocyty, komórki wątrobowe, komórki trzustki i nadnerczy. Tkanki insulinozależne to mięśnie i tkanka tłuszczowa.
ROLA WĘGLOWODANÓW
Węglowodany pełnią wiele funkcji zależnie od swojej budowy. Cukry proste dostarczają organizmowi przede wszystkim energii. Służą również do syntezy pochodnych cukrowych, oligosacharydów i wielocukrów oraz dostarczają reszt chemicznych w syntezie białek, tłuszczów czy związków biologicznie czynnych zawierających w swoim składzie cukry. Wielocukry pełnią głównie funkcję cukrów zapasowych ( glikogen, skrobia ), strukturalnych i ochronnych ( mukopolisacharydy ).
GLUKONEOGENEZA
Jest to proces syntezy glukozy z mleczanu i związków nie cukrowych. W warunkach tlenowych, pod wpływem dehydrogenazy mleczanowej, mleczan przechodzi w pirogronian. Właściwy proces glukoneogenezy rozpoczyna się pirogronianu i jest w dużej mierze odwróceniem procesu glikolizy. Jednak nie wszystkie etapy glikolizy można w prosty sposób odwrócić. Do takich etapów należy przejście:
- glukozy w glukozo-6-fosforan,
- fruktozo-6-fosforanu we fruktozo1,6-dwufosforan,
- fosfoenolopirogronianu w pirogronian,
Enzymy katalizujące te reakcjenie mogą przeprowadzić reakcji w kierunkuodwrotnym, dlatego w glukoneogenezie konieczne są dodatkowe enzymy lub dodatkowe reakcje umożliwiające „ obejście” danego etapu.
Glukoneogeneza zazachodzi w cytoplazmie, poza pierwszym etapem, czyli karboksylacją pirogronianu. Pirogronian z cytoplazmy jest transportowany do mitochondriom przy udziale translokazy. Tutaj karboksylaza pirogronianowa, której koenzymem jest karboksybiotyna, przeprowadza karboksylację pirogronianu przy udziale ATP i powstaje szczawiooctan.
pirogronian + enzym-CO2 + ATP → szcawiooctan
Szczawiooctan nie może przechodzić przez błonę mitochondrialną do cytoplazmy, gdzie przebiegają następne etapy glukoneogenezy, dlatego przy udziale dehydrogenazy jabłczanowej jest redukowany do jabłczanu.
szczawiooctan + enzym – NADH → jabłczan NAD+
Jabłczan z łatwością przedostaje się przez błonę mitochondrialną do cytoplazmy, gdzie działa na niegodehydrogenaza jabłczanowa, ale już cytoplazmatyczna i utlenia go do szczawiooctanu.
jabłczan + enzym – NAD+ → szczawiooctan
Następnie na szczawiooctan działa karbokinaza pirogronianowa, która przy udziale GTP przeprowadza go w fosfoenolopirogronian i wydziela się GDP.
szcawiooctan + enzym + GTP → fosfoenolopirogronian + GDP
Od fosfoenolopirogronianu klukoneogeneza przebiega jako odwrócenie glikolizy, aż do fruktozo-1,6- dwufosforanu.
Aby fruktozo- 1,6-dwyfosforan mógł przejść we fruktozo- 6- fosforan, konieczny jest dodatkowy enzym, a mianowicie fosfataza fruktozo-dwufosforanawa. Od fruktozo-6-fosforanu glukoneogeneza przebiega jako odwrócenie glikozy do chwili powstania glukozo-6-fosforanu. Tu konieczny jest dodatkowy enzym – fosfataza glukozo-6-fosforanowa, która glukozo-6-fosforan przeprowadza w glukozę.
CYKL PENTOZOWY
Cykl pentozowy, zwany inaczej cyklem EMP ( cykl Embdena- Mayerhofa – Parnasa ), jest alternatywnym do glikolizy szlakiem przemiany glukozy. Cykl pentozowy przebiega w cytoplazmie i można w nim wyróżnić dwie części, które nie muszą występować po sobie.
Pierwsza część cyklu pentozowego to utlenianie glukozy ( heksoza ), które prowadzi do powstania pentoz i heksoz. Do cyklu wchodzi ufosforylowana glukoza jako glukozo-6-fosforan, na który dzieła dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa ( koenzym NADP ) i powstaje
6- fosfoglukonolakton oraz NADPH.
Glukozo-6-fosforan + enzym – NADP+ → 6-fosfoglukonolakton + enzym-NADPH
Następnie pod wpływem laktonazy, 6-fosfoglukonolakton przechodzi w 6-fosfoglukonian. Z kolei 6-fosfoglukonian ulega utlenianiuprzy udziale dehydrogenazy 6-fosfoglukonianowej, a jednocześnie zachodzi dekarboksylacja – w konsekwencji powstaje rybulozo-5-fosforan.
6-fosfoglukonian + enzym-NADP+ → rybuloza-5-fosforan + enzym -NADPH + CO2
Z rybulozo-5-fosforanu mogą powstawać inne pentozy. Pod wpływem izomerazy fosfopentozowejz rybulozo-5-fosforanu powstaje rybozo-5-fosfora, a pod wpływem epimerazy rybulozofosforanowej powstaje ksululozo-5-fosforan.
W pierwszej części cyklu pentozowego powstają więc pentozy, a NADP jest dwukrotnie redukowany.
Równoważniki wodorowe w formie NADPD wykorzystywane są głównie w syntezach wielu związków, w których przebiegu konieczna jest redukcja, jak np. w syntezie kwasów tłuszczowych, dezoksynukleotydów, steroidów czy hemu. Oczywiście wodory z NADPH mogą zostać również spalone w łańcuchu spalań końcowych, ale to zależy od potrzeb komórki i jej stanu metabolicznego.
Jeżeli istnieje zapotrzebowanie na NADPH, a powstająca w przebiegu cyklu pentozowego ilość pentoz jest nadmierna, wówczas zachodzi druga część cyklu, w której wyniku następuje odtworzenie heksoz z pentoz.
GLIKOGENEZA
Glikogen należy do homoglikanów, a materiał do jego syntezy stanowi glukoza. Do procesu syntezy glikogenu potrzebna jest aktywna glukoza, czyli UDPG, primer, czyli starter, synteza glikogenowa oraz enzym rozgałęziający.
Primerem może być niewielka część glikogenu, glukan zawierający co najmniej 4 reszty glukozy lub białko.
Na pierwszym etapie wiązaniem 1-4-α-glikozydowym do primera dołączona jest reszta glukozowa z UDPG przy udziale syntazy glikogenowej.
( primer )n + UDPG → ( primer )n+1 + UDP
Na kolejnych etapach zachodzi dobudowywanie reszt glukozowych wiązaniami 1-4-a-glikozydowymi, które trwa do momentu wytworzenia łańcucha z około 11 reszt glukozowych.
Następnie działa enzym rozgałęziający /1,4-1,6-amylotransglukozydaza /, który odcina fragment tego łańcucha / około 6 reszt glukozydowych / i przenosi na łańcuch sąsiedni lub macierzysty, przyłączając wiązaniem 1-6-glikozydowym. W ten sposób wytwarzane są w glikogenie rozgałęzienia. Do końców łańcuchów glikozydowych dołączone zostają kolejne reszty glikozydowi i jeżeli łańcuchy te są odpowiednio długie, ponownie zachodzi proces tworzenia rozgałęzień / wiązania 1-6-glikozydowe / . Dlatego właśnie budowa glikogenu ma charakter drzewkowaty.
GLIKOGENOLIZA
Rozpad glikogenu odbywa się na drodze fosforolizy. Reakcje fosforolizy przeprowadza fosforylylaza glikogenowa. W organizmie człowieka występuje ona w dwóch formach : nieczynnej – foforylaza b oraz czynnej – fosforylaza a. Formy te przechodzą jedna w drugą po fosforylacji / fosforylaza b przy udziale kinazy fosforylazy przechodzi w fosforylazę a /, lub defosforylacji / fosforylaza a pod działaniem fosfatazy przechodzi w fosforylazę b /.
Fosforylaza α rozbija wiązania 1-4-α-glikozydowe, przenosząc jednocześnie uwolnioną resztę glukozową na resztę fosforanową. Odłączona w ten sposób reszta glukozowa uwalniana jest w formie glukozo-1-fosforanu .
Następnie na glukozo-1-fosforan działa fosfoglukomutaza, przeprowadzając go w glukozo-6-fosforan, ten zaś może ulegać działaniu fosfatazy glukozo-6-fosforanowej i wtedy właśnie powstaje glukoza. Glukozo-6-foforan może oczywiście ulegać w komórce innym przemianom – zależnie od jej potrzeb metabolicznych.
W pewnych przypadkach patologicznych może dochodzić do nagromadzania się glikogenu w tkankach powodując powstanie glikogenom. Zależnie od bezpośredniej przyczyny wyróżnia się siedem typów glikogenom.
SYNTEZA LAKTOZY
Laktoza cukier mlekowy syntetyzowana jest w gruczołach piersiowych kobiet w czasie laktacji. Jest ona dwucukrem zbudowanym z galaktozy i glukozy. Jest ona syntetyzowana zarówno obecności galaktozy w pożywieniu, jak i przy jej braku, ponieważ konieczna do syntezy galaktoza może być wytworzona z glukozy.
W wyniku trawienia laktozy w jelicie cienkim uwalniane są galaktoza i glukoza. Po wchłonięciu galaktoza ulega fosforylacji pod wpływem galaktokinazy oraz ATP i wytwarza się galaktozo-1-fosforan.
Następnie galaktoza z galaktozo-1-fosforanu i glukoza z UDP-glukozy zamieniane są miejscami przez transferazę urydylową. W ten sposób powstaje aktywna galaktoza, czyli UDP-galaktoza , konieczna do syntezy laktozy. Na następnym etapie powstaje UDP-galaktoza reaguje z glukozą przy udziale syntetazy laktozowej i powstaje laktoza.
GALAKTOZEMIA
W przypadku braku transferazy urydylowej występuje blok metaboliczny i związana z tym blokiem choroba zwana galaktozemią. Wchłonięta galaktoza ulega fosforylacji do galaktozo-1-fosforanu, Ale nie może przejść w UDP-galaktozę. W wyniku tego bloku w organizmie gromadzi galaktozo-1-fosforan , co prowadzi do zaburzeń metabolicznych.
Jako objawy kliniczne nietolerancji mleka u dzieci występują wymioty i biegunka. Jedynym leczeniem jest usunięcie mleka z diety.
PRZEMIANA FRUKTOZY
Dostarczana do organizmu fruktoza pochodzi głównie z rozkładu sacharozy, a niewielkie jej ilości dostarczane są w stanie wolnym, np. w miodzie pszczelim, którego stanowi składnik. Po wchłonięciu fruktoza jest fosforyzowana i przechodzi we fruktozo-1-fosforan. Następnie pod wpływem aldolazy , fruktozo-1-fosforan ulega rozpadowi na dwie triozy, które są włączane w dalszy cykl przemianom metabolicznych.
Przy defekcie metabolicznym polegającym na braku aldolazy występuje zaburzenie metabolizmu fruktozy. Powstający fruktozo-1 fosforan nie ulega rozpadowi, ale gromadzi się we krwi /fruktozemia / i jest wydalany w moczu fruktozuria. Może dochodzić do uszkodzenia wątroby i nerek. Zaburzenia ustępują po eliminacji fruktozy z pożywienia.
CUKRZYCA
Cukrzyca to określenie stanu, w którym organizm nie wytwarza wystarczającej ilości insuliny lub pozornie pozostaje oporny na działanie insuliny. Insulina jest produkowana przez komórki beta wysp Langerhansa trzustki. Działa w ten sposób, że umożliwia przechodzenie glukozy przez błonę komórkową i nasila jej wewnątrzkomórkowe przemiany.. Insulina działa tylko na komórki mające receptory insulinowe / insulinozależne / . W przypadku gdy ilość insuliny jest niewystarczająca lub insulina jest niewłaściwie wykorzystywana , utrzymuje się patologicznie wysoki poziom glukozy we krwi i to bez względu na porę doby, tj. zarówno podczas dnia jak i po okresie głodzenia, który zwykle powoduje obniżenie poziomu glukozy.
Cukrzyca może zostać w przybliżeniu określona jajo poziom glukozy we krwi przekraczający 200 mg/dl w okresie w którym spożywany był posiłek, lub przekraczający 126 mg/dl na czczo. Przypadek cukrzycy można zaklasyfikować do jednego z poniższych typów.
Typ 1 cukrzycy - forma nazywana również cukrzycą insulinozależną
Spowodowany jest niewystarczającą produkcja insuliny w organizmie.
Zwykle objawy cukrzycy typu 1 pojawiają się u pacjentów przed osiągnięciem przez nich wieku 30 lat. Tylko niewielki procent pacjentów z cukrzycą cierpi na typ 1 choroby.
Typ 2 cukrzycy jest zdecydowanie najczęstszą formą cukrzycy. Nazywany również cukrzycą insulinoniezależną, spowodowany jest niewrażliwością organizmu na działanie insuliny wpływające na metabolizm glukozy. Zwykle owa oporność na działanie insuliny towarzyszy względnemu niedoborowi insuliny. Typ 2 cukrzycy może rozwinąć się w wieku młodzieńczym, ale zwykle występuje u osób po 30 roku życia.
Zanim rozwinie się pełno objawowa cukrzyca typu 2 , mamy do czynienia z okresem charakteryzującym się obniżoną tolerancją glukozy.
Dwie główne nieprawidłowości stwierdzane w testach laboratoryjnych
wykonywanych we wspomnianym okresie to upośledzona tolerancja glukoz /IGT/ oraz wysokie wartości glukozy na czczo /IFG/ . W przypadku IGT poziom glukozy we krwi osiąga wartości rzędu 140 -199 mg/dl; w przypadku IFG poziom glukozy we krwi badany na czczo jest również podwyższony, sięgając wartości pomiędzy 110 i 125 mg/dl.
Termin cukrzyca ciężarnych opisuje rozwinięcie się nietolerancji glukozy u ciężarnych kobiet. Stan ten jest skutkiem zmian metabolicznych związanych z ciążą. U większości kobiet , u których stwierdzono cukrzycę ciężarnych, poziom cukru we krwi powraca do normy po urodzeniu dziecka. Kobiety te są jednakże obciążone zwiększonym ryzykiem rozwoju cukrzycy w starszym wieku.
W ostatnich latach częstość występowania cukrzycy zwiększyła się na całym świecie. Szacuje się , że około 150 milionów osób cierpi
Z powodu cukrzycy typu 2, liczba ta ulegnie podwojeniu do 2025 roku.
Większość nowych przypadków stwierdzonych będzie w krajach rozwijających się, na subkontynencie indyjskim i w Afryce.
morcys1