Има пет основни функции на въглехидратите в човешкото тяло. Те са производство на енергия, съхранение на енергия, изграждане на макромолекули, щадящ протеин и подпомагане на липидния метаболизъм.

Производство на енергия

Основната роля на въглехидратите е да доставят енергия на всички клетки в тялото. Много клетки предпочитат глюкозата като източник на енергия в сравнение с други съединения като мастни киселини. Някои клетки, като червените кръвни клетки, са в състояние да произвеждат клетъчна енергия само от глюкоза. Мозъкът също е силно чувствителен към ниски нива на глюкоза в кръвта, тъй като използва само глюкоза за производство на енергия и функциониране (освен ако не е в екстремни условия на глад). Около 70 процента от глюкозата, постъпваща в организма от храносмилането, се преразпределя (от черния дроб) обратно в кръвта за използване от други тъкани. Клетките, които изискват енергия, отстраняват глюкозата от кръвта с транспортен протеин в мембраните им. Енергията от глюкозата идва от химическите връзки между въглеродните атоми. За производството на тези високоенергийни връзки в процеса на фотосинтеза е необходима слънчева светлина. Клетките в нашите тела прекъсват тези връзки и улавят енергията за извършване на клетъчно дишане. Клетъчното дишане е основно контролирано изгаряне на глюкоза спрямо неконтролирано изгаряне. Клетката използва много химични реакции в множество ензимни стъпки, за да забави освобождаването на енергия (без експлозия) и по-ефективно да улови енергията, задържана в химическите връзки в глюкозата.

Първият етап в разграждането на глюкозата се нарича гликолиза. Гликолизата или разделянето на глюкозата се случва в сложна поредица от десет етапа на ензимна реакция. Вторият етап на разпадане на глюкозата се случва в органелите на фабриката за енергия, наречени митохондрии. Един въглероден атом и два кислородни атома се отстраняват, като се получава повече енергия. Енергията от тези въглеродни връзки се пренася в друга област на митохондриите, което прави клетъчната енергия достъпна във форма, която клетките могат да използват.

Фигура 4.10 Клетъчно дишане

човека
Клетъчното дишане е процес, при който енергията се улавя от глюкозата.

Енергиен запас

Ако тялото вече има достатъчно енергия, за да поддържа функциите си, излишната глюкоза се съхранява като гликоген (по-голямата част от която се съхранява в мускулите и черния дроб). Молекула гликоген може да съдържа над петдесет хиляди единични глюкозни единици и е силно разклонена, което позволява бързото разпространение на глюкозата, когато е необходимо за получаване на клетъчна енергия.

Количеството гликоген в тялото по всяко време се равнява на около 4000 килокалории - 3000 в мускулната тъкан и 1000 в черния дроб. Продължителното използване на мускулите (като упражнения за повече от няколко часа) може да изчерпи гликогеновия енергиен резерв. Не забравяйте, че това се нарича "удряне в стената" или "пресипване" и се характеризира с умора и намаляване на изпълнението на упражненията. Отслабването на мускулите настъпва, защото отнема повече време за трансформиране на химическата енергия в мастните киселини и протеините в използваема енергия от глюкозата. След продължително упражнение гликогенът изчезва и мускулите трябва да разчитат повече на липидите и протеините като източник на енергия. Спортистите могат умерено да увеличат гликогеновия си резерв, като намалят интензивността на тренировката и увеличат приема на въглехидрати до между 60 и 70 процента от общите калории три до пет дни преди събитие. Хората, които не тренират хардкор и избират да проведат 5-километрова надпревара за забавление, не трябва да консумират голяма чиния с тестени изделия преди състезание, тъй като без продължителни интензивни тренировки адаптацията на увеличения мускулен гликоген няма да се случи.

Черният дроб, подобно на мускулите, може да съхранява глюкозната енергия като гликоген, но за разлика от мускулната тъкан той ще жертва запасената си глюкозна енергия на други тъкани в тялото, когато кръвната захар е ниска. Приблизително една четвърт от общото съдържание на гликоген в тялото е в черния дроб (което се равнява на около четиричасово снабдяване с глюкоза), но това силно зависи от нивото на активност. Черният дроб използва този гликогенов резерв като начин да поддържа нивата на глюкозата в кръвта в тесни граници между времето на хранене. Когато изтощението на гликоген в черния дроб е изчерпано, глюкозата се получава от аминокиселини, получени от разрушаването на протеини, за да се поддържа метаболитната хомеостаза.

Изграждане на макромолекули

Въпреки че най-много абсорбираната глюкоза се използва за производство на енергия, част от глюкозата се превръща в рибоза и дезоксирибоза, които са основни градивни елементи на важни макромолекули, като РНК, ДНК и АТФ. Глюкозата се използва допълнително за получаване на молекулата NADPH, която е важна за защита срещу оксидативен стрес и се използва в много други химични реакции в организма. Ако цялата енергия, капацитет за съхранение на гликоген и изграждане на нуждите на тялото са изпълнени, излишната глюкоза може да се използва за направата на мазнини. Ето защо диетата с високо съдържание на въглехидрати и калории може да добави към мастните килограми - тема, която ще бъде обсъдена скоро.

Фигура 4.11 Химическа структура на дезоксирибозата

Захарната молекула дезоксирибоза се използва за изграждане на гръбнака на ДНК. Изображение от rozeta/CC BY-SA 3.0

Фигура 4.12 Двуверижна ДНК

Изображение от Forluvoft/Public Domain

В ситуация, в която няма достатъчно глюкоза, за да отговори на нуждите на организма, глюкозата се синтезира от аминокиселини. Тъй като няма молекула за съхранение на аминокиселини, този процес изисква унищожаване на протеини, предимно от мускулната тъкан. Наличието на адекватна глюкоза по същество спестява разграждането на протеините от използването им за получаване на глюкоза, необходима на организма.

Тъй като нивата на глюкозата в кръвта се повишават, употребата на липиди като енергиен източник се възпрепятства. По този начин глюкозата допълнително има „щадящ” ефект. Това е така, защото повишаването на кръвната глюкоза стимулира отделянето на хормона инсулин, който казва на клетките да използват глюкоза (вместо липиди), за да произвеждат енергия. Адекватните нива на глюкоза в кръвта също предотвратяват развитието на кетоза. Кетозата е метаболитно състояние в резултат на повишаване на кетонните тела в кръвта. Кетонните тела са алтернативен източник на енергия, който клетките могат да използват, когато доставката на глюкоза е недостатъчна, например по време на гладуване. Кетонните тела са киселинни и високите нива в кръвта могат да доведат до прекалено киселинност. Това е рядко при здрави възрастни, но може да се случи при алкохолици, хора с недохранване и при лица, които имат диабет тип 1. Минималното количество въглехидрати в диетата, необходимо за инхибиране на кетозата при възрастни, е 50 грама на ден.

Въглехидратите са от решаващо значение за подпомагане на най-основната функция на живота - производството на енергия. Без енергия нито един от останалите жизнени процеси не се извършва. Въпреки че телата ни могат да синтезират глюкоза, това се дължи на разрушаването на протеините. Както при всички хранителни вещества, въглехидратите трябва да се консумират умерено, тъй като твърде много или твърде малко в диетата може да доведе до здравословни проблеми.

Разрешително

Храненето на човека [ОТКРИТО] от Университета на Хаваи в Mānoa Програмата за наука за храните и храненето на човека е лицензирано под Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, освен ако не е посочено друго.