פחמימות הן קבוצה נרחבת של חומרים אורגניים שיחד עם חלבונים ושומנים מהווים את הבסיס לגוף האדם והחי. פחמימות קיימות בכל תא בגוף וממלאות מגוון פונקציות. מולקולות קטנות של פחמימות, המיוצגות בעיקר על ידי גלוקוז, יכולות לנוע בכל הגוף ולבצע פונקציה אנרגטית. מולקולות גדולות של פחמימות אינן זזות ומבצעות בעיקר תפקיד בנייה. ממזון, אדם מחלץ רק מולקולות קטנות, שכן רק הן יכולות להיספג בתאי המעי. מולקולות גדולות של פחמימות שהגוף צריך לבנות את עצמו. מכלול כל התגובות לפירוק פחמימות מזון לגלוקוז וסינתזה של מולקולות חדשות ממנו, כמו גם טרנספורמציות רבות אחרות של חומרים אלו בגוף, נקרא חילוף חומרים של פחמימות בביוכימיה.
Classification
בהתאם למבנה, ישנן מספר קבוצות של פחמימות.
חד סוכרים הם מולקולות קטנות שאינן מתפרקות במערכת העיכול. אלה הם גלוקוז, פרוקטוז, גלקטוז.
דו-סוכרים הם מולקולות פחמימות קטנות שמתפרקות לשני חד-סוכרים במערכת העיכול. לדוגמה, לקטוז - לגלוקוז וגלקטוז, סוכרוז - לגלוקוז ופרוקטוז.
פוליסכרידים הם מולקולות גדולות המורכבות ממאות אלפי שאריות חד-סוכרים (בעיקר גלוקוז) המקושרות זו לזו. זה עמילן, גליקוגן בשר.
פחמימות ודיאטות
זמן הפירוק של פוליסכרידים במערכת העיכול שונה, בהתאם ליכולתם להתמוסס במים. חלק מהפוליסכרידים מתפרקים במהירות במעיים. ואז הגלוקוז המתקבל במהלך הריקבון שלהם נכנס במהירות לזרם הדם. פוליסכרידים כאלה נקראים "מהירים". אחרים מתמוססים גרוע יותר בסביבה המימית של המעי, ולכן הם מתפרקים לאט יותר, והגלוקוז נכנס לדם לאט יותר. פוליסכרידים כאלה נקראים "איטיים". חלק מהאלמנטים הללו אינם מתפרקים כלל במעיים. הם נקראים סיבים תזונתיים בלתי מסיסים.
בדרך כלל, תחת השם "פחמימות איטיות או מהירות" הכוונה היא לא לפוליסכרידים עצמם, אלא למזונות המכילים אותם בכמויות גדולות.
רשימת הפחמימות - מהירה ואיטית, מוצגת בטבלה.
| פחמימות מהירות | פחמימות איטיות |
| תפוחי אדמה מטוגנים | לחם סובין |
| לחם לבן | גרגירי אורז לא מעובדים |
| פירה | Peas |
| דבש | שיבולת שועל |
| גזר | דייסת כוסמת |
| פתיתי תירס | לחם סובין שיפון |
| Sugar | מיץ פירות סחוט טרי ללא סוכר |
| מוזלי | פסטה מקמח מלא |
| שוקולד | שעועית אדומה |
| תפוחי אדמה מבושלים | Dairy |
| Biscuit | פירות טריים |
| תירס | שוקולד מריר |
| אורז לבן | פרוקטוז |
| לחם שחור | פולי סויה |
| Beets | ירקות ירוקים, עגבניות, פטריות |
| בננות | - |
| Jam | - |
בבחירת מוצרים לדיאטה, תזונאי תמיד מסתמך על רשימה של פחמימות מהירות ואיטיות. מהיר בשילוב עם שומנים במוצר או ארוחה אחת מובילים לשקיעת שומן. למה? העלייה המהירה ברמת הגלוקוז בדם מעוררת את ייצור האינסולין, המספק לגוף מאגר של גלוקוז, כולל המסלול ליצירת שומן ממנו. כתוצאה מכך, כשאוכלים עוגות, גלידה, תפוחי אדמה מטוגנים, משקל עולה מהר מאוד.
עיכול
מנקודת מבט של ביוכימיה, חילוף החומרים של פחמימות מתרחש בשלושה שלבים:
- עיכול. זה מתחיל בפה בזמן לעיסת מזון.
- מטבוליזם תקין של פחמימות.
- חינוך של תוצרי קצה.
פחמימות הן הבסיס לתזונה האנושית. לפי הנוסחהתזונה רציונלית, בהרכב המזון הם צריכים להיות פי 4 יותר מחלבונים או שומנים. הצורך בפחמימות הוא אינדיבידואלי, אבל, בממוצע, אדם צריך 300-400 גרם ליום. מתוכם כ-80% הם עמילן בהרכב תפוחי אדמה, פסטה, דגנים ו-20% הם פחמימות מהירות (גלוקוז, פרוקטוז).
חילופי הפחמימות בגוף מתחילים גם בחלל הפה. כאן, אנזים הרוק עמילאז פועל על פוליסכרידים - עמילן וגליקוגן. עמילאז מבצע הידרוליזה (מפרק) פוליסכרידים לשברים גדולים - דקסטרינים, הנכנסים לקיבה. אין אנזימים הפועלים על פחמימות, ולכן דקסטרינים בקיבה אינם משתנים בשום צורה ועוברים הלאה לאורך מערכת העיכול, ונכנסים למעי הדק. כאן, מספר אנזימים פועלים על פחמימות. עמילאז של מיץ הלבלב מבצע הידרוליזה של דקסטרינים לדיסכריד מלטוז.
אנזימים ספציפיים מופרשים על ידי תאי המעי עצמו. האנזים מלטאז מבצע הידרוליזה של מלטוזה לחד-סוכר גלוקוז, לקטאז מבצע הידרוליזה של לקטוז לגלוקוז וגלקטוז, וסוקראז מבצע הידרוליזה של סוכרוז לגלוקוז ופרוקטוז. המונוזים שנוצרו נספגים מהמעיים לתוך הדם ודרך הווריד השער נכנסים לכבד.
תפקיד הכבד במטבוליזם של פחמימות
איבר זה שומר על רמה מסוימת של גלוקוז בדם עקב התגובות של סינתזה ופירוק גליקוגן.
תגובות של המרה הדדית של חד-סוכרים מתרחשות בכבד - פרוקטוז וגלקטוז מומרים לגלוקוז, וניתן להמיר גלוקוז לפרוקטוז.
תגובות גלוקונאוגנזה מתרחשות באיבר זה -סינתזה של גלוקוז ממבשרים שאינם פחמימות - חומצות אמינו, גליצרול, חומצה לקטית. הוא גם מנטרל את הורמון האינסולין בעזרת האנזים אינסולין.
מטבוליזם גלוקוז
גלוקוז ממלא תפקיד מפתח בביוכימיה של חילוף החומרים של פחמימות ובחילוף החומרים הכללי של הגוף, מכיוון שהוא מקור האנרגיה העיקרי.
רמת הגלוקוז בדם היא ערך קבוע והיא 4 - 6 ממול לליטר. המקורות העיקריים של יסוד זה בדם הם:
- פחמימות מזון.
- גליקוגן בכבד.
- חומצות אמינו.
גלוקוז נצרך בגוף עבור:
- ייצור אנרגיה,
- סינתזת גליקוגן בכבד ובשרירים,
- סינתזה של חומצות אמינו,
- סינתזה של שומן.
מקור אנרגיה טבעי
גלוקוז הוא מקור אוניברסלי של אנרגיה לכל תאי הגוף. דרושה אנרגיה לבניית מולקולות משלך, התכווצות שרירים, יצירת חום. רצף התגובות להמרת גלוקוז המובילות לשחרור אנרגיה נקרא גליקוליזה. תגובות גליקוליזה יכולות להתרחש בנוכחות חמצן, ואז מדברים על גליקוליזה אירובית, או בתנאים נטולי חמצן, אז התהליך הוא אנאירובי.
במהלך התהליך האנאירובי, מולקולה אחת של גלוקוז מומרת לשתי מולקולות של חומצה לקטית (לקטט) ומשתחררת אנרגיה. גליקוליזה אנאירובית מספקת מעט אנרגיה: ממולקולה אחת של גלוקוז מתקבלות שתי מולקולות ATP - חומר שהקשרים הכימיים שלו צוברים אנרגיה. בדרך זו להשיגאנרגיה משמשת לעבודה קצרת טווח של שרירי השלד - מ-5 שניות עד 15 דקות, כלומר, בעוד שלמנגנוני אספקת החמצן לשרירים אין זמן להידלק.
במהלך התגובות של גליקוליזה אירובית, מולקולה אחת של גלוקוז הופכת לשתי מולקולות של חומצה פירובית (פירובאט). התהליך, תוך התחשבות באנרגיה המושקעת בתגובות שלו, נותן 8 מולקולות ATP. פירובט נכנס לתגובות חמצון נוספות - דקרבוקסילציה חמצונית ומחזור ציטראט (מחזור קרבס, מחזור חומצה טריקרבוקסילית). כתוצאה מתמורות אלו, ישוחררו 30 מולקולות ATP לכל מולקולת גלוקוז.
החלפת גליקוגן
תפקיד הגליקוגן הוא אחסון גלוקוז בתאי אורגניזם של חיה. עמילן מבצע את אותה פונקציה בתאי צמחים. גליקוגן נקרא לפעמים עמילן בעלי חיים. שני החומרים הם פוליסכרידים הבנויים משאריות גלוקוז חוזרות ונשנות. מולקולת הגליקוגן מסועפת וקומפקטית יותר ממולקולת העמילן.
תהליכי חילוף החומרים בגוף של גליקוגן פחמימות אינטנסיביים במיוחד בשרירי הכבד והשלד.
גליקוגן מסונתז תוך 1-2 שעות לאחר ארוחה כאשר רמות הגלוקוז בדם גבוהות. ליצירת מולקולת גליקוגן יש צורך בפריימר - זרע המורכב ממספר שאריות גלוקוז. שאריות חדשות בצורת UTP-גלוקוז מחוברות ברצף לקצה הפריימר. כאשר השרשרת גדלה ב-11-12 שיירים, מצטרפת אליה שרשרת צד של 5-6 מאותם שברים. כעת לשרשרת שמגיעה מהפריימר יש שני קצוות - שתי נקודות צמיחהמולקולות גליקוגן. מולקולה זו תתארך שוב ושוב ותסתעף כל עוד נשאר ריכוז גבוה של גלוקוז בדם.
בין הארוחות, גליקוגן מתפרק (גליקוגנוליזה), ומשחרר גלוקוז.
מתקבל מפירוק הגליקוגן בכבד, הוא נכנס לדם ומשמש לצרכי האורגניזם כולו. הגלוקוז המתקבל מפירוק הגליקוגן בשרירים משמש רק לצרכי השרירים.
היווצרות גלוקוז ממבשרים שאינם פחמימות - גלוקונאוגנזה
לגוף יש מספיק אנרגיה שנאגרה בצורה של גליקוגן לכמה שעות בלבד. לאחר יום של רעב, החומר הזה לא נשאר בכבד. לכן, בדיאטות נטולות פחמימות, בהרעבה מוחלטת או במהלך עבודה פיזית ממושכת, נשמרת רמת הגלוקוז התקינה בדם הודות לסינתזה שלו ממבשרים שאינם פחמימות - חומצות אמינו, גליצרול חומצת חלב. כל התגובות הללו מתרחשות בעיקר בכבד, כמו גם בכליות וברירית המעי. לפיכך, תהליכי חילוף החומרים של פחמימות, שומנים וחלבונים שלובים זה בזה.
מחומצות אמינו וגליצרול, גלוקוז מסונתז בזמן רעב. בהיעדר מזון, חלבוני הרקמה מתפרקים לחומצות אמינו, שומנים לחומצות שומן וגליצרול.
מחומצת חלב, גלוקוז מסונתז לאחר פעילות גופנית אינטנסיבית, כאשר הוא מצטבר בכמויות גדולות בשרירים ובכבד במהלך גליקוליזה אנאירובית. מהשרירים, חומצת חלב מועברת לכבד, שם מסונתז ממנו גלוקוז, המוחזר לעבודהשריר.
וויסות חילוף החומרים של פחמימות
תהליך זה מתבצע על ידי מערכת העצבים, המערכת האנדוקרינית (הורמונים) וברמה התוך-תאית. משימת הוויסות היא להבטיח רמה יציבה של גלוקוז בדם. מבין ההורמונים המווסתים את חילוף החומרים של הפחמימות, העיקריים שבהם הם אינסולין וגלוקגון. הם מיוצרים בלבלב.
המשימה העיקרית של האינסולין בגוף היא להוריד את רמות הגלוקוז בדם. ניתן להשיג זאת בשתי דרכים: על ידי הגברת חדירת הגלוקוז מהדם לתאי הגוף ועל ידי הגברת השימוש בו בהם.
- אינסולין מבטיח את חדירת הגלוקוז לתאים של רקמות מסוימות - שריר ושומן. הם נקראים תלויי אינסולין. גלוקוז חודר למוח, לרקמת הלימפה, לתאי דם אדומים ללא השתתפות של אינסולין.
- אינסולין משפר את השימוש בגלוקוז על ידי תאים על ידי:
- הפעלת אנזימי גליקוליזה (גלוקוקינאז, פוספופרוקטוקינאז, פירובאט קינאז).
- הפעלת סינתזת גליקוגן (עקב המרה מוגברת של גלוקוז לגלוקוז-6-פוספט וגירוי של גליקוגן סינתאז).
- עיכוב של אנזימי גלוקונאוגנזה (פירובאט קרבוקסילאז, גלוקוז-6-פוספטאז, פוספואנולפירובאט קרבוקסיקינאז).
- הגברת השילוב של גלוקוז במחזור הפוספט הפנטוז.
כל ההורמונים האחרים המווסתים את חילוף החומרים של פחמימות הם גלוקגון, אדרנלין, גלוקוקורטיקואידים, תירוקסין, הורמון גדילה, ACTH. הם מעלים את רמות הגלוקוז בדם. גלוקגון מפעיל את פירוק הגליקוגן בכבד וסינתזה של גלוקוז ללא פחמימותאָבוֹת קַדמוֹנִים. אדרנלין מפעיל את פירוק הגליקוגן בכבד ובשרירים.
הפרות של Exchange. היפוגליקמיה
ההפרעות הנפוצות ביותר בחילוף החומרים של פחמימות הן היפו- והיפרגליקמיה.
היפוגליקמיה הוא מצב של הגוף הנגרם מרמות נמוכות של גלוקוז בדם (מתחת ל-3.8 ממול/ליטר). הסיבות עשויות להיות: ירידה בצריכת החומר הזה לדם מהמעי או מהכבד, עליה בשימוש בו על ידי רקמות. היפוגליקמיה עלולה להוביל ל:
- פתולוגיה של הכבד - סינתזת גליקוגן לקויה או סינתזת גלוקוז ממבשרים שאינם פחמימות.
- רעב בפחמימות.
- פעילות גופנית ממושכת.
- פתולוגיות של הכליות - הפרעה בספיגה מחדש של גלוקוז מהשתן הראשוני.
- הפרעות עיכול - פתולוגיות של פירוק פחמימות מזון או תהליך ספיגת הגלוקוז.
- פתולוגיות של המערכת האנדוקרינית - עודף אינסולין או חוסר בהורמוני בלוטת התריס, גלוקוקורטיקואידים, הורמון גדילה (GH), גלוקגון, קטכולאמינים.
הביטוי הקיצוני של היפוגליקמיה הוא תרדמת היפוגליקמית, המתפתחת לרוב בחולים עם סוכרת מסוג I עם מנת יתר של אינסולין. רמת גלוקוז נמוכה בדם מובילה לרעב חמצן ואנרגיה של המוח, מה שגורם לתסמינים אופייניים. הוא מאופיין בהתפתחות מהירה ביותר - אם הפעולות הנדרשות לא יינקטו תוך מספר דקות, אדם יאבד את הכרתו ועלול למות. בדרך כלל, חולי סוכרת מסוגלים לזהות סימנים של ירידה ברמות הגלוקוז.דם ולדעת מה לעשות - לשתות כוס מיץ מתוק או לאכול לחמנייה מתוקה.
היפרגליקמיה
סוג נוסף של הפרעת מטבוליזם של פחמימות הוא היפרגליקמיה - מצב של הגוף הנגרם מרמת גלוקוז גבוהה מתמשכת בדם (מעל 10 ממול/ליטר). הסיבות עשויות להיות:
- פתולוגיה של המערכת האנדוקרינית. הסיבה השכיחה ביותר להיפרגליקמיה היא סוכרת. הבחנה בין סוכרת מסוג I וסוג II. במקרה הראשון, הגורם למחלה הוא מחסור באינסולין הנגרם כתוצאה מפגיעה בתאי הלבלב המפרישים הורמון זה. התבוסה של הבלוטה היא לרוב אוטואימונית בטבעה. סוכרת מסוג II מתפתחת עם ייצור אינסולין תקין, ולכן היא נקראת שאינה תלויה באינסולין; אבל אינסולין אינו ממלא את תפקידו - הוא אינו נושא גלוקוז לתאי השריר ורקמת השומן.
- נוירוזה, מתח מפעיל את ייצור ההורמונים - אדרנלין, גלוקוקורטיקואידים, בלוטת התריס, המגבירים את פירוק הגליקוגן וסינתזה של גלוקוז ממבשרים שאינם פחמימות בכבד, מעכבים את סינתזה של גליקוגן;
- פתולוגיה של הכבד;
- אכילת יתר.
בביוכימיה, חילוף החומרים של פחמימות הוא אחד מהנושאים המעניינים והרחבים ביותר למחקר ולמחקר.
