Rola węglowodanów w organizmie człowieka Roman Cichon Katedra Żywienia i Dietetyki CM UMK 2015
Węglowodany To polimery cukrów prostych (jednego lub kilku) połączonych wiązaniem glikozydowym. połączenia z białkami glikoproteiny, połączenia z lipidami glikolipidy Najważniejsze węglowodany: skrobia polimer glukozy, materiał zapasowy roślin, glikogen polimer glukozy, tkanki zwierzęce, glukoza heksoza, główny monomer wielocukrów, podstawowy monocukier organizmu człowieka, jedyne źródło energii dla czerwonych krwinek i mózgu
3 W polisacharydach wszystkie węglowodany proste są związane ze sobą wiązaniami glikozydowymi ( R-C-O-C-R1). Zależnie od tego, które grupy OH uczestniczą w tworzeniu wiązania i w jakiej znajdują się pozycji, wyróżnia się różnorodne typy wiązań. Rodzaj wiązania odpowiada między innymi za strawność polisacharydów w pożywieniu. Wiązania a-glikozydowe (1,4 lub 1,2) (np. w skrobii, maltozie, sacharozie) mogą być rozkładane przez enzymy przewodu pokarmowego-amylazę,maltazę,sacharazę Organizm człowieka syntetyzuje również enzym rozszczepiający wiązanie a- glikozydowe w laktozie. Jednakże człowiek nie posiada odpowiednich enzymów niezbędnych do trawienia innych wiązań a-glikozydowych ( np. 1,4 czy 2,6 ) Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.55
Trawienie i wchłanianie Wchłaniane mogą być tylko monosacharydy, dlatego wszystkie węglowodany złożone muszą być zhydrolizowane w procesie trawienia. Rozpoczyna się on w jamie ustnej i trwa w żołądku dzięki działaniu amylazy ślinowej a nasępnie jest kontynuowany w dwunastnicy pod wpływem amylazy trzustkowej. Produktami końcowymi tych reakcji enzymatycznych są cząsteczki glukozy, maltozy i izomaltozy. Disacharydy te są, tak jak spożyte sacharoza lub laktoza, rozszczepiane do monosacharydów przyściennie, przez odpowiednie disacharydazy związane z błoną śluzową jelita cienkiego. Ze względu na to, że komórki nabłonka błony śluzowej podlegają ciągłemu złuszczaniu, hydrolazy te znajdują się również w niewielkiej ilości w świetle dwunastnicy. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
Trawienie i wchłanianie Dalsze wchłanianie odbywa się w komórkach nabłonka błony śluzowej w wyniku różnych mechanizmów. Glukoza i galaktoza są transportowane po stronie światła śluzówki wbrew gradientowi stężeń w sposób aktywny. Cząsteczka białka nośnikowego przyłącza przy tym jon Na + i glukozę w stosunku 1:1 i przemieszcza się przez błonę. Jon Na + jest następnie usuwany z komórki przez ATP-azę Na + K + w błonie podstawno-bocznej również wbrew gradientowi stężeń. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
Tolerancja glukozy Przez termin tolerancja glukozy rozumie się reakcję organizmu na podaż węglowodanów, a miernikiem jest stężenie glukozy we krwi. W teście obciążenia glukozą podaje się na czczo do wypicia 50-100 g glukozy rozpuszczonej w 0,5 I wody [najczęściej 75 g rozpuszczone w ok. 300 g wody ] i oznacza się jej stężenie we krwi po 0,30,60,90 i 120 minutach. Ponieważ glukoza w roztworze wodnym nie musi być poddawana trawieniu, a na czczo szybko opuszcza żołądek, stężenie glukozy osiąga maksymalną wartość już po 30 minutach. Jednocześnie rozpoczynające się wydzielanie insuliny u osób zdrowych zapewnia to, że jeszcze przed osiągnięciem najwyższego stężenia glukozy we krwi jest ona wychwytywana przez komórki obwodowe, dzięki czemu stężenie glukozy we krwi nie przekracza 120-150 mg/dl (6,6-8,25 mmol/l). Te mechanizmy regulacji - zmiana hormonu zarządzającego" metabolizmem glukozy przy jej spadającym stężeniu we krwi podlega w tym samym czasie opóźnieniu. W przypadku szybkiego wzrostu stężenia glukozy we krwi i w wyniku tego wzrastającego szybko stężenia insuliny oraz szybkiego obniżenia stężenia glukozy często dochodzi do obniżenia stężenia glukozy we krwi poniżej poziomu wyjściowego Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.67
1 1 Tych obserwacji uzyskanych dzięki użyciu roztworów wodnych glukozy nie należy jednak utożsamiać z reakcjami na podaż węglowodanów pokarmowych. Stężenie glukozy w okresie postprandialnym różni się znacząco w zależności od składu pożywienia. Duża zawartość tłuszczu w diecie przedłuża np. czas przebywania pokarmu w żołądku, a posiłek wysokobłonnikowy prowadzi do opóźnienia wchłaniania składników pokarmowych w jelicie. Także obróbka pokarmu (rozdrobnienie produktów surowych, gotowanie, przyprawianie itp.) zmienia dostępność glukozy. Efektywność procesów składających się na trawienie węglowodanów jest również indywidualnie zmienna, podobnie jak efektywność odpowiedzi na transport glukozy do krwi. W metabolizmie węglowodanów uczestniczą liczne enzymy zawierające witaminy i składniki mineralne dlatego nie powinno dziwić, że indywidualny stan odżywienia tymi mikroskładnikami wpływa na tolerancję glukozy. W związku z pogorszeniem tolerancji glukozy od lat dyskutuje się nad rolą deficytu witaminy B 6 czy też niedoboru chromu. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.67
1 Stwierdzenie, iż spożycie takiej samej ilości węglowodanów pochodzących z różnych produktów spożywczych niesie z sobą różne profile stężenia glukozy, skłoniło do sformułowania wskaźnika zwanego indeksem glikemicznym. Opisuje on powierzchnię pod krzywą przedstawiającą stężenie glukozy po spożyciu wysokowęglowodanowego produktu spożywczego w stosunku do powierzchni krzywej stężeń glukozy otrzymanej po spożyciu określonej ilości glukozy lub białego pieczywa Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.67
Krzywa glikemiczna po posiłku poziom glukozy we krwi (mg/dl) węglowodanowym 200 180 160 140 węglowodany łatwoprzyswajalne węglowodany złożone 120 100 80 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 czas po posiłku (godz.) posiłek powrót do poziomu wyjściowego
1 Bardziej stosowne jest posługiwanie się wskaźnikiem zwanym ładunkiem glikemicznym, który oblicza się, uwzględniając wartość indeksu glikemicznego i zawartość węglowodanów w produkcie. W ten sposób surowa marchew ma indeks glikemiczny 71, porównywalny z jasnym chlebem. Ponieważ jednak marchew zawiera tylko 4% węglowodanów, ładunek glikemiczny jednej jej porcji to 4 - wartość którą można pominąć. Do wszystkich wartości liczbowych, szczególnie odpowiedzi glikemicznej, zaleca się podchodzić z ostrożnością, gdyż istnieją duże różnice międzyosobnicze. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.67
Zawartość węglowodanów w pożywieniu Produkty zbożowe: 50 80% Słodycze, pieczywo cukiernicze: 40 70%,100% Strączkowe suche: 62% Ziemniaki, warzywa, owoce: 10 25% Mleko, napoje mleczne: 4 4,5%, 12%
Włókno pokarmowe: struktura Przez pojęcie włókna pokarmowego (inaczej błonnika pokarmowego) rozumie się liczne węglowodany i ligninę, które zgodnie z aktualną definicją nie podlegają bądź podlegają tylko częściowo hydrolizie pod wpływem enzymów trawiennych. W związku z tym związki te nie są wchłaniane w jelicie cienkim i przemieszczają się do jelita grubego. Podstawą tej fizjologicznej klasyfikacji nie jest budowa chemiczna. Próba klasyfikacji opiera się na odmiennej rozpuszczalności w różnych warunkach Za pomocą rozpuszczalników obojętnych udaje się usunąć z komórek roślinnych pektyny, dlatego są one zaliczane do tak zwanego rozpuszczalnego włókna pokarmowego (błonnika rozpuszczalnego). W tych warunkach nierozpuszczalne są składniki ścian komórkowych, które stanowią największą część spożywanego z pokarmem włókna pokarmowego. W środowisku kwaśnym rozpuszczeniu ulegają hemicelulozy i celuloza. Lignina, włókno drzewne", jest natomiast oporna na działanie rozpuszczalników. g
Błonnik pokarmowy (błonnik, włókno pokarmowe) To roślinne wielocukry i ligniny, oporne na działanie enzymów trawiennych przewodu pokarmowego człowieka. 1. Polisacharydy nieskrobiowe celuloza polisacharydy niecelulozowe: nierozpuszczane w wodzie: hemicelulozy rozpuszczalne w wodzie: pektyny, gumy i kleje roślinne, polisacharydy roślin morskich (alginiany, agar, karageny), 2. Oporna skrobia utrata zdolności do żelowania po ogrzewaniu skrobi w niedostatecznej ilości wody, 3. Ligniny chemicznie nie są węglowodanami,
Zawartość błonnika w pożywieniu Produkty zbożowe: 2 5 g/100g cz.jad. Strączkowe suche: 15 16 g/100g cz.jad. Ziemniaki, warzywa, owoce: 1 8 g/100g cz.jad. Orzechy: 6 13 g/100g cz.jad.
Trendy spożycia żywności w Polsce źródeł węglowodanów i błonnika Grupa produktów Spożycie w latach 1950 1996 Trend 1950 1996 Pieczywo o produkty zbożowe (kg) 166 120 Cukier i wyroby cukiernicze (kg) 21,0 39,7 Ziemniaki (kg) 270 135 Warzywa, grzyby i strączkowe (kg) 60,6 116 1950 1991 Owoce (kg) 8,3 49,7 Wartość energetyczna (kcal) 3195 3312 Sekuła i in. 1997
Spożycie węglowodanów i błonnika w Polsce średnio/mieszkańca, wg Szponara i in. 2003 Spożycie Zalecenia* Węglowodany ogółem (% energii) 51 55 65 (max 70) Węglowodany ogółem (g) 324 Cukier (% energii) 15 20 < 10** Błonnik (g) 23 > 25** ** wg zaleceń profilaktyki żywieniowej, WHO 2003
Trawienie i wchłanianie Wchłanianie odbywa się w komórkach nabłonka błony śluzowej w wyniku różnych mechanizmów. Glukoza i galaktoza są transportowane po stronie światła śluzówki wbrew gradientowi stężeń w sposób aktywny. Cząsteczka białka nośnikowego przyłącza przy tym jon Na + i glukozę w stosunku 1:1 i przemieszcza się przez błonę. Jon Na + jest następnie usuwany z komórki przez ATP-azę Na + K + w błonie podstawno-bocznej również wbrew gradientowi stężeń. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
Glukoza opuszcza komórkę nabłonka błony śluzowej częściowo w sposób aktywny ( dyfuzja ułatwiona) z udziałem białka przenośnikowego GLUT2. Około 25% glukozy dostaje się do krwi w wyniku dyfuzji biernej, natomiast 15% zostaje zwrotnie przetransportowane do światła przewodu pokarmowego z udziałem odpowiedniego nośnika błonowego. Wchłanianie fruktozy odbywa się w sposób bierny za pośrednictwem dyfuzji ułatwionej, przy czym następuje ono za pomocą układu transportującego (GLUT5) znajdującego się po stronie światła przewodu pokarmowego. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
2 Odpowiadając wydajności opisanych układów transportujących (przenośników), wchłanianie monosacharydów następuje z różną prędkością. Najszybciej wchłaniane są glukoza i galaktoza, przy czym obie cząsteczki konkurują ze sobą o ten sam układ transportujący. Szybkość wchłaniania fruktozy wynosi 70% szybkości wchłaniania glukozy i galaktozy. Z szybkością wynoszącą 10-20% szybkości wchłaniania glukozy i galaktozy następuje natomiast wchłanianie wszystkich innych monosacharydów, włącznie z alkoholami cukrowymi stosowanymi jako substancje zastępujące cukier (np. ksylitolu, sorbitolu). Gdy pojemność jednego z mechanizmów trawienia lub wchłaniania zostanie przekroczona, niskocząsteczkowe węglowodany przechodzą do jelita grubego. Wiążą tam wodę i mogą być rozkładane przez bakterie jelitowe, a konsekwencjami może być biegunka i wzdęcia. Przykładem jest tu układ laktoza - laktaza: spożycie dużych ilości cukru mlecznego prowadzi zawsze do przeładowania"układu transportującego i tym samym do biegunek - laktoza może zatem być stosowana również jako środek przeczyszczający. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
3 Ważniejsze jest jednak występowanie niedoboru laktazy. Nietolerancja laktozy jest w Europie najczęściej występującą nietolerancją disacharydów (szacunkowo dotyczy ona 10-20% osób dorosłych). Na aktywność laktazy niekorzystny wpływ wywiera również wiele chorób jelit. Osoby dotknięte tym zaburzeniem muszą zdawać sobie sprawę, iż np. sery żółte zawierają jedynie śladowe ilości laktozy, dlatego bardzo rzadko wywołują objawy. Podobnie produkty otrzymywane z kwaśnego mleka i jogurty, mimo zawartości pewnej ilości laktozy, są często dobrze tolerowane, ponieważ bakterie kwasu mlekowego mogą rozkładać laktozę. Problemem, dla osób z nietoleracją laktozy jest obecnie wzrastające stosowanie mleka w proszku w produktach gotowych do spożycia, a także obecność laktozy, np. w lekach. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
Wchłanianie węglowodanów glukoza 240 g transport aktywny wtórny, w enterocytach ulega degradacji do pirogronianu i mleczanu, w wątrobie powtórna resynteza do glukozy, fruktoza 65 g dyfuzja ułatwiona, w wątrobie konwersja do glukozy, galaktoza 15 g transport aktywny wtórny, w wątrobie konwersja do glukozy,
Metabolizm węglowodanów (1) Łącznie w ciągu doby katabolizmowi ulega: 320 g glukozy pochodzącej z pożywienia, + zmienne ilości glukozy syntetyzowanej w wątrobie z AA (glukoneogeneza) ilość zależy od sposobu odżywiania, + część glikogenu mięśniowego i wątrobowego (po glikogenolizie) ilość zależy od aktywności człowieka.
Metabolizm węglowodanów (2) Średnie spożycie glukozy w jednym posiłku przez Europejczyka: 50 150 g Tempo utleniania glukozy po posiłku: 10 15 g/godz. w stanie spoczynku, 40 60 g między posiłkami (w stanie spoczynku) Po posiłku poziom glukozy we krwi: początkowo szybko rośnie, po ok. 2 godz. powraca do poziomu wyjściowego, na czczo wynosi 70 115 mg/dl.
Metabolizm węglowodanów (3) Po wchłonięciu glukoza jest: 1. wykorzystywana na zaspokojenie bieżących potrzeb energetycznych organizmu, utlenianie glukozy: 1 g 4 kcal, 2. odłożona w postaci glikogenu w mięśniach i wątrobie (hormon: insulina), 3. przekształcona do AA glukogennych, np. alaniny, 4. przekształcona w trójglicerydy i odłożona w tkance tłuszczowej,
Koszt energetyczny utleniania glukozy 40% jest zużywane na przemiany glukozy, wzrost tempa metabolizmu po spożyciu, straty energii podczas rozpadu ATP do ADP, wydajność utleniania glukozy 60% ich wartości energetycznej, 1 g glukozy 0,163 mola ATP energii, która może być wykorzystana na procesy inne niż katabolizm glukozy: biosyntezę, skurcz mięśni, transport aktywny, 3 x więcej niż utlenianie 1 g AA, 3 x mniej niż utlenianie 1 g kw. oleinowego,
Metabolizm węglowodanów (3) spożycie przeciętne i niezbyt wysokie? 300 400 g utlenianie utlenianie i magazynowanie spożycie wysokie i nadmierne? > 600 g
1 Ze względu na ograniczoną zdolność magazynowania wszystkie węglowodany, które zostaną spożyte w ilości przekraczającej zapotrzebowanie energetyczne, są przekształcane w tłuszcz i w tej postaci magazynowane. Zdolność magazynowania tłuszczu jest właściwie nieograniczona. Powszechne przekonanie, że to przeważnie węglowodany powodują przyrost masy ciała, jest jednak fałszywe. Zasadniczo każdy składnik odżywczy dostarczający energii spożywany w nadmiarze jest zamieniany w tkankę tłuszczową. Jednak ponieważ węglowodany najpierw muszą być poddane przemianom metabolicznym, proces ten jest dla nich mniej efektywny. Część energii zgromadzonej w węglowodanach jest tracona, także z powodu wyzszej termogenezy indukowanej pożywieniem (poposiłkowej). Nie dotyczy to kwasów tłuszczowych, które mogą być bezpośrednio zamieniane w triacyloglicerole tkanki tłuszczowej. Powiedzenie tuczący" odnosi się zatem raczej do tłuszczu. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007, s.57
Zapasy glikogenu i źródła glukozy wątroba 60 120 g po glikogenolizie glukoza jest zużywana przez mięśnie mózg i inne narządy wewnętrzne, mięśnie 175 350 g po glikogenolizie glukoza jest zużywana przez mięśnie do pracy mięśniowej, Zapasy glikogenu i ich uwalnianie jest kontrolowane przez: hormony trzustki: insulinę i glukagon, hormon nadnerczy: adrenalinę,
Węglowodany rola w organizmie energetyczna 4 kcal/g potrzeby bieżące oraz magazynowanie (glikogen, tkanka tłuszczowa) ochrona dla białka źródło błonnika pokarmowego nadawanie cech organoleptycznych smak, barwa, konsystencja, struktura, synteza aminokwasów np. alaniny funkcje specjalne: strukturalne glikolipidy, glikoproteiny, fizjologiczne glikozydy nasercowe, heparyna bakteriostatyczne glikozydy roślinne, antybiotyki (streptomycyna)
Błonnik rola w organizmie Duże zróżnicowanie budowy błonnika regulacja metabolizmu właściwości sorpcyjne wiązanie cholesterolu i zmniejszanie poziomu lipidów we krwi, pożywka dla drobnoustrojów zmiana mikroflory jelit i możliwy efekt prozdrowotny, regulacja motoryki przewodu pokarmowego zdolność wiązania wody i wzrost masy kału skrócenie czasu pasażu jelitowego i ekspozycji na zw. toksyczne, spadek ryzyka nowotworów, detoksykacja organizmu właściwości sorpcyjne i wymiana kationów usuwanie składników szkodliwych,
Zapotrzebowanie organizmu na węglowodany glukozę Na cele energetyczne 180 g/dobę, w tym: mózg 140 g/dobę, krwinki czerwone 40 g/dobę Tempo glukoneogenezy 130 g/dobę ze źródeł niewęglowodanowych (glicerol, AA glukogenne) Różnica = minimalne spożycie: 50 g/dobę Zalecane spożycie węglowodanów przyswajalnych: min. 100 g/dobę jeśli zostanie zaspokojone zapotrzebowanie na białko i tłuszcz
Zalecane spożycie węglowodanów Węglowodany wg Norm żywienia dla ludności w Polsce, 1994 Dorośli: dawniej 4 g/kg n.m.c obecnie 5 g/kg n.m.c odpowiada to: 55 65 % energii ogółem (do 70) Błonnik wg zaleceń profilaktyki żywieniowej, WHO 2003 > 25 g/osobę n.m.c. należna masa ciała, tj. służąca najdłuższemu życiu
Wyznaczanie zalecanego spożycia dla węglowodanów energia z węglowodanów = zapotrzebowanie na energię energia z białek energia z tłuszczów energia z węglowodanów (1376) = 2000 kcal 48g 4 kcal/g (192) 48g 9 kcal/g (432) Założenia: osoba dorosła, 60 kg Zalecane spożycie: białka: 0,8 g/kg n.m.c 0,8 60 kg = 48 g/dobę tłuszczów: 0,8 g/kg n.m.c 0,8 60 kg = 48 g/dobę Węglowodany: 1376 kcal : 4 kcal/g = 344 g 5,7 g/kg n.m.c
Dziękuję