Rola węglowodanów w organizmie czyli dlaczego cukier wcale nie jest taki zły jak go malują

Bez cukrów (węglowodanów) nie ma życia. Zgadzacie się ze mną, że cukier wcale nie jest taki zły jak go malują? :) Mam nadzieję, że tak, bo cukry pełnią OGROMNĄ rolę w naszych organizmach. Wiecie, że grubo ponad 80% białek jest związanych z cukrami? I chociaż jestem na diecie ketogennej nie lekceważę cukru absolutnie w żaden sposób (oczywiście poza niezdrowymi wyjątkami). Zapraszam do poczytania jeśli nie wierzycie na słowo. Wyjaśniłam wiele sprzecznych informacji. A na koniec ponownie dopisek ode mnie:)

Istnieją 3 głównie klasy cząsteczek metabolicznych do których zaliczamy: białka, kwasy tłuszczowe i węglowodany czyli słynne "BTW" pod moimi przepisami :) Dziś zajmiemy się węglowodanami... Odczarujemy je trochę! Przekonacie się, że wcale nie są "złą stroną mocy" :)

Węglowodany czyli cukry (określane też jako "cukrowce") to cząsteczki będące ketonami lub aldehydami z punktu widzenia chemii. Można je podzielić na:

• monosacharydy (czyli cukry proste)
• oligosacharydy (czyli cukry złożone z wielu monosacharydów)

Monosacharydy to aldehydy lub ketony, które zawierają dwie lub więcej grup hydroksylowych (-OH). Najprostsze z nich to triozy (np aldehyd glicerynowy czy dihydroksyaceton), gdyż zawierają 3 atomy węgla (skąd nazwa). 

Poza triozami istnieją także: tetrozy (4 atomy węgla), pentozy (5 atomów węgla), heksozy (6) oraz heptozy (7).

• Aldozy to cząsteczki z grupami aldehydowymi (aldehyd glicerynowy, D-glukoza, D-ryboza, ).
• Ketozy to cząsteczki z grupami ketonowymi (dihydroksyaceton, D-fruktoza, D-sorboza) [1].
  
• Rys. 1 Różnica pomiędzy aldozą i ketozą [2].

Przedstawione przeze mnie cząsteczki występują w formie łańcuchowej lub zamkniętej, cyklicznej. W roztworach w reakcji cyklizacji powstają stabilne energetycznie formy pierścieniowe. 

Oligosacharydy

Oligosacharydy czyli cukry złożone dzieli się głównie na: disacharydy (czyli cukry złożone z dwóch cząsteczek monoacharydów) oraz polisacharydy (wiele cząsteczek monosacharydów).

• Przykładem disacharydu jest popularna sacharoza czyli zwykły cukier w sklepach :) Zbudowana jest  cząsteczki glukozy oraz fruktozy.
• Inny disacharyd to laktoza obecna w nabiale. Cząsteczka laktozy składa się z galaktozy i glukozy połączonych wiązaniem beta-1,4-glikozydowym. Wiele osób cierpi na nietolerancję laktozy, gdyż nie ma (lub ma zbyt mało) enzymu rozkładającego ten cukier (przerywającego wiązanie beta) czyli laktazę [1].
  

Rys. 2 Struktura disacharydu zwanego laktozą [3].

Polisacharydy

Skrobia, celuloza czy glikogen - to wszystko cukry należące do polisacharydów, które odgrywają rolę magazynującą oraz strukturalną. 

• Glikogen występuje w ludzkich komórkach - jest zapasową formą energii (składa się z reszt glukozy połączonych ze sobą).  
• U roślin nie ma glikogenu, jest natomiast skrobia, która również składa się z reszt glukozy (analogicznie do glikogenu). 
• Celuloza w przeciwieństwie do skrobii nie pełni roli magazynującej. Jest roślinnym polisacharydem pełniącym rolę strukturalną. Podobnie jak glikogen i skrobia składa się z reszt glukozy połączonych ze sobą. Inna nazwa celulozy to błonnik :) Ssaki czyli my, ludzie nie potrafimy strawić celulozy, dlatego nie wliczamy jej do naszego zapotrzebowania. Celuloza to nierozpuszczalny błonnik. Istnieją także formy rozpuszczalne takie jak pektyny, które działają hamująco na ruch pokarmu w układzie pokarmowym, ułatwiają jednocześnie jego trawienie przez dłuższy czas kontaktu z enzymami trawiennymi [1].
• Agar to heteropolisacharyd czyli polisacharyd składający się z różnych cząsteczek cukrów. Jest to cukier pełniący rolę strukturalną w komórkach glonów i wodorostów [4]. 
  

Rys. 3 Struktury polisacharydów zwanych: celuloza oraz chityna[5].

Reaktywność cukrów

Cukry mogą reagować w różnoraki sposób np z alkoholami czy aminami, związkami utleniającymi takimi jak popularny odczynnik Fehlinga, który zawiera jony miedziowe reagujące z cukrami redukującymi czyli takimi z wolną grupą aldehydową. Cukry redukujące często reagują z innymi cząsteczkami tworzą glikozylowane formy np:

• glukoza + hemoglobina = glikozylowana hemoglobina
• taka cząsteczka stosowana jest w diagnostyce cukrzycy

Kolejną z reakcji, w której uczestniczą cukry jest reakcja fosforylacji czyli reakcja dodania grup fosforanowych. Najprostszy przykład reakcji fosforylacji to 1 etap glikolizy (czyli szlaku rozkładu glukozy) [1]. Zaznaczony na czerwono poniżej.

Rys. 4 Szlak glikolizy [6].

Reakcja fosforylacji powoduje nabycie ujemnego ładunku na cząsteczkach cukrów, co chroni je przed opuszczeniem komórki i zapewnia możliwość dalszych reakcji [1]. 

Poza wymienionymi reakcjami cukry (jako ketony i aldehydy) mogą wiązać ogromne ilości cząsteczek wody. Zawierają mnóstwo grup hydroksylowych, które tworzą wiązania wodorowe z cząsteczkami wody, ponieważ cukry są silnie hydrofilowe (rozpuszczalne w wodzie). Ten mechanizm wyjaśnia, dlaczego przechodząc na dietę niskowęglowodanową na początku organizm pozbywa się wody. OGÓLNIE: mniejsza ilość spożytego cukru w organizmie = mniej wody w ciele [4].

Rola cukrów i ich kompleksy z innymi cząsteczkami

Wspominałam, że cukry wiążą się z różnymi cząsteczkami... 

Można wyróżnić:

• glikoproteiny czyli białka związane z węglowodanami; są składnikami błon komórkowych, odpowiadają za adhezję komórkową; biorą udział w różnicowaniu (embriogenezie); są niezbędne do utrzymania procesów życiowych; są komórkowymi receptorami; mogą wiązać witaminy, hormony czy kationy 

Glikoproteiny to wiele enzymów takich jak: oksydoreduktazy, transferazy i hydrolazy.

Trombina i fibrynogen to glikoproteiny odgrywające rolę w procesach krzepnięcia krwi [2].

Innym przykładem jest erytropoetyna (popularne EPO). Jest to hormon wydzielany przez nerki. Jego rola polega na aktywacji produkcji erytrocytów. Gotowa do działania forma EPO to w 40% cukier. Dodanie tych reszt sprawia, że cała cząsteczka nie jest usuwana z obiegu krwi, gdzie może działać. Jest to popularny związek dopingowy właśnie ze względu na zdolność do zwiększenia liczby erytrocytów we krwi, które mają zdolność do transportu tlenu, co wpływa na wydolność organizmu [1]. 

Rys. 5 Schemat działania EPO [7].

Drugim z przykładów są połączenia lektyn z węglowodanami, które pełnią ogromną rolę w adhezji komórkowej. Dzięki temu kontakt międzykomórkowy jest dużo prostszy, a cały układ może przekazywać konkretne sygnały. Istnieją również selektyny czyli białka wiążące węglowodany na komórkach układu immunologicznego w momencie pojawienia się stanu zapalnego. Specyficzny rodzaj selektyny (selektyny L) powoduje związanie zarodka w śluzówce macicy [1].

Rys. 6 Schemat działania selektyn L w czasie stanu zapalnego [8].

Na komórkach gospodarza obecne są glikoproteiny z resztami slajowymi. Wiele wirusów potrafi rozpoznawać takie reszty i wiązać się do nich. Również komórki nowotworowe działają w podobny sposób. Obecnie dąży się do konstrukcji leków blokujących rozpoznawanie reszt cukrowych i blokowanie wiązania komórek gospodarza przez komórki raka i wirusy czy bakterie [1].

Glukozamina to aminokwas syntezowany z glukozy i aminokwasu - glutaminy. Odgrywa ogromną rolę w tworzeniu się chrząstek w stawach i amortyzacji. Działa również jako lek o właściwościach przeciwnowotworowych. W badanich wykazuje zdolności do zmniejszania szybkości wzrostu nowotworu. Jest także powszechnie stosowana w chorobach stawów [2].

• proteoglikany, które są białkami związanymi z glikozoaminoglikanami (jednym z rodzajów polisacharydów); są silnie glikozylowane

Proteoglikany to cząsteczki budulcowe, biorące udział w adhezji czyli wiązaniu komórek oraz składniki płynu stawowego i związki wiążące czynniki proliferacyjne; przykładami są: kwas hialuronowy czy heparyna; agrekan i kolagen w stawach. 

Rys. 7 Miejsce występowania proteoglikanów [9].

• kompleksy: cukier + nukleotyd; 

ATP czyli trójfosforanadenozyny. ATP to nukleotyd, który pełni ogromną rolę w organizmie. W swej strukturze ma fragment cukrowy cząsteczki D-rybozy. Jest traktowany jako nośnik energii. Powstaje w procesach oddychania i fotosyntezy. Każdego dnia ludzki organizm przerabia mniej więcej tyle ATP ile sam waży. Jest jedną z najważniejszych cząsteczek w organizmie ludzkim [4].

Rys. 8 Struktura cząsteczki ATP [4].

• glikolipidy czyli połączenie cukrów i lipidów (tłuszczów)

Przykładami glikolipidów (a jednocześnie glikoprotein) są antygeny określające grupy krwi czyli antygeny A, B, O. Różnią się one strukturalnie między sobą. Na zdjęciu poniżej przedstawiono strukturę antygenu A i B oraz fragment ścieżki ich syntezy. Różnią się one końcową cząsteczką cukru (antygen A zawiera N-acetylogalaktozaminę, a antygen B galaktozę) [3]. Antygen 0 powstał w wyniku mutacji i nie zawiera jednej z reszt cukrowych (fukozy).

Rys. 9 Ścieżka syntezy antygenów A i B [10].

Podsumowując: Nie lekceważmy udziału cukrów w naszym ciele :) Są równie ważne co tłuszcze i białka. Ale co gdy ich nie jemy?! Czy umrzemy?! Spokojnie:)....ludzkie organizmy potrafią syntezować cukier nawet, gdy nie jest spożywany. Dzieje się tak w procesie glikoneogenezy, gdzie z prekurosów takich jak aminokwasy, mleczan czy glicerol powstaje glukoza. Natura zawsze znajdzie rozwiązanie :) 

Rys. 10 Ścieżka glikoneogenezy [11].

Jednakże bardzo mało komórek w naszym organizmie nie potrafi sobie radzić i przeżyć bez glukozy. Przykładem takich komórek są np erytrocyty, ponieważ nie zawierają jądra i ważnych składników komórkowych w związku z czym ich metabolizm jest bardzo ograniczony. To właśnie glukoza (pochodząca np. z powyższego szlaku glikoneogenezy) jest głównym źródłem energii dla erytrocytów w szlaku zwanym Embden-Meyerhof [12]. 

Rys. 11 Ścieżka Embdena-Meyerhofa.

Wbrew powszechnej opinii... mózg potrafi sobie radzić bez glukozy :) W badaniach na szczurach wielokrotnie wykazano, że w przypadku już 3 tygodniowej diety ketogennej część korowa mózgu wykorzystuje 2x więcej acetylooctanu (jednego z ciał ketonowych) w porównaniu do standardowej diety [13].

Rys. 12 Porównanie udziału glukozy i acetyloctanu (AcAc) w grupie szczurów karmionych standardową karmą (STD) oraz grupie szczurów wprowadzonych w stan krótkiej (!!!!) 3-tygodniowej ketozy (KG).* Zauważono spadek zużycia glukozy i silny wzrost zużycia ciała ketonowego (AcAc) [13].

Pamiętajcie również, że każda dieta musi być spersonalizowana. Będąc na keto nie musimy rezygnować ze wszystkich produktów, które zawierają jakiekolwiek "nadmiarowe" węglowodany. Osoba trenująca intensywnie 4-5 razy w tygodniu śmiało może spożywać nawet banana czy ziemniaki przed treningiem, bo przecież i tak to spali, a ketoza dalej będzie śmigać:) Jeśli jednak nasz tryb życia nie jest zbyt aktywny, a mamy sezon zimowy (i tu pojawia się temat rytmu rocznego, oddziaływania słońca i zwiększonej podaży węglowodanów w lecie) to możemy trzymać się niskich ilości i nie kombinować.

Jeszcze jedno słówko na temat "cheat day" czy tematu "byłam/łem na weselu, najadłam/łem się ciast, tortów i chleba - co teraz i czy muszę od nowa prowadzić adaptację". Wspomniałam wyżej, że cukry bardzo silnie wiążą wodę. Kiedy drastycznie przechodzimy z odżywiania low carb na high carb (niskie => wysokie węglowodany) to momentalnie "łapiemy" wodę w organizmie. Właśnie ze względu na zdolność cukrów do wiązania cząsteczek wody. Jednak po powrocie na dietę ketogenną organizm po kilku dniach unormuje się, a woda znów zostanie wydalona...więc nie. Nie trzeba ponownie adaptować:)

Literatura:

1. Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L., Biochemistry, PWN, 2010.
2. https://cbimo.zut.edu.pl/fileadmin/pliki/cbimo/grafika/ch-zywnosci_-_wyklad_3_-_sacharydy_-_low.pdf (grafika)
3. https://staticbryk.iplsc.com/bryk_prod_2017_08/00016737.gif (grafika)
4. Khowala S., Banik S. P., Verma D., Biomolecules Carbohydrates 2008,National Science Digital Library, Kolkata.
5. http://pwsz.ch/wyklady/wp-content/uploads/2012/03/image.png (grafika)
6. http://www.bionet-skola.com/w/Glikoliza (grafika)
7. http://archiwum.wiz.pl/2000/00090100.asp (grafika)
8. http://www.czytelniamedyczna.pl/img/ryciny/npe/2001/01/images/39.jpg (grafika)
9. http://www.flexusnastawy.pl/stawy/ (grafika)
10. Smolarek D., Krop-Wątorek A., Waśniowska K., Czerwiński M., Molekularne podstawy układu grupowego ABO, Postępy Hig Med Dośw. 2008, 62: 4-17.
11. https://awf.katowice.pl/sites/default/files/uploads/pracownicy/u708/cukry-metabolizm_uzupelniony.pdf
12. Brown, K. A., Erythrocyte Metabolism and Enzyme Defects, 1996, 27(5): 329-333.
13. Zhang Y., Kuang Y., Lamanna J., Puchowicz M. A., Contribution of Brain Glucose and Ketone Bodies to Oxidative Metabolism. Advances in experimental medicine and biology 2013, 765. 365-70. 

Miłej lektury!

Zapraszam na stronę na Facebook'u tutaj [kliknij i wejdź].

****************************************************************

Udostępniajcie jeśli macie ochotę! :)

Bardzo proszę o uszanowanie mojego autorstwa do zdjęć i przepisów :)

USTAWA z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

Art. 78. 1.