Glukoza jest podstawowym związkiem chemicznym, z którego nasz organizm czerpie niezbędną do prawidłowego funkcjonowania energię. Zanim dojdzie do szeregu przemian chemicznych, których celem będzie ostatecznie wewnątrzkomórkowe spalenie glukozy, musi ona m.in. ulec uwolnieniu z bardziej złożonych substancji, co pozwoli na jej transport do komórek naszego ciała.

Rodzaje cukrów w pożywieniu

Glukoza należy do większej grupy związków chemicznych zwanych węglowodanami, czyli inaczej cukrami. Substancje te zbudowane są, w odpowiednich proporcjach, z atomów węgla, wodoru i tlenu, które tworzą tzw. cukry proste (jednostki cukrowe) mające zdolność tworzenia dłuższych łańcuchów cząsteczkowych (cukrów złożonych).

W zależności od wielkości cząsteczki węglowodany podzielić możemy na:

• cukry proste zwane monosacharydami, do których należy m.in. obecna w owocach glukoza i fruktoza
• oligosacharydy, do których należą również dwucukry takie jak sacharoza, którą słodzimy np. herbatę. Składają się one zazwyczaj z 2-10 jednostek cukrów prostych.
• wielocukry (polisacharydy), czyli cukry złożone takie jak skrobia, celuloza czy zawarty w naszych mięśniach glikogen. Zbudowane są z dziesiątek i setek monomerów glukozy i innych cukrów prostych, które mogą tworzyć rozgałęzione struktury.

Różnice pomiędzy poszczególnymi cukrami złożonymi sprowadzają się często do ilości obecnych w cząsteczce rozgałęzień, co wpływa na ich ostateczne właściwości i kształt. 

Pomimo znacznego stopnia podobieństwa pomiędzy różnymi węglowodanami, nasz organizm nie jest w stanie uwolnić przyswajalnych monomerów glukozy ze wszystkich oligosacharydów i cukrów złożonych, które przyjmuje z pokarmem. Ma to związek z wiązaniami chemicznymi pomiędzy poszczególnymi resztami glukozy. Dla przykładu skrobia, zawarta m.in. w znacznych ilościach w ziemniakach, zbudowana jest z cząsteczek glukozy połączonych w łańcuchy za pomocą tzw. wiązań  α-1,4-glikozydowych, a w miejscach rozgałęzień cukry proste łączą się ze sobą z wykorzystaniem tzw. wiązań α-1,6-glikozydowych. Enzymy naszego organizmu mają zdolność rozbijania tego typu wiązań. Dzięki temu zawarta w skrobi glukoza może zostać uwolniona i wykorzystana w przemianach energetycznych ustroju. Inaczej jest w przypadku celulozy, która również zbudowana jest z setek połączonych ze sobą cząsteczek glukozy, lecz w tym przypadku mamy do czynienia z wiązaniami β-1,4-glikozydowymi, których nasze enzymy nie są w stanie rozłożyć. Nie znaczy to jednak, że zawarta głównie w produktach pochodzenia roślinnego celuloza jest dla naszego ciała bezwartościowa. Stanowi ona istotny składnik błonnika, który wpływa pozytywnie na motorykę i pracę naszego przewodu pokarmowego. 

Jama ustna, pierwszy etap trawienia cukrów

Trafiające do jamy ustnej wraz z przyjętym pokarmem węglowodany ulegają w tym miejscu wstępnemu procesowi hydrolizy, czyli rozbicia z wykorzystaniem zawartych w ślinie cząsteczek wody. Odbywa się to przy współudziale enzymu zwanego amylazą ślinową, który trawi zawarte w  wielocukrach wiązania α-1,4-glikozydowe i wykazuje najsilniej wyrażoną aktywność przy pH około 6,0. Chociaż w wyniku działania amylazy ślinowej powstają też pojedyncze cząsteczki glukozy, to głównym produktem reakcji hydrolizy cukrów złożonych na tym etapie są tzw. dekstryny, czyli różnej długości łańcuchy węglowodanowe zbudowane zazwyczaj z około 13 jednostek cukrowych.

Dwunastnica, kolejny etap trawienia cukrów połączony z ich wchłanianiem

Ani w przełyku ani w żołądku nie zachodzą procesy trawienia węglowodanów. Następują one dopiero w dwunastnicy, która to stanowi pierwszy odcinek jelita cienkiego. Do dwunastnicy uchodzi, poprzez przewód trzustkowy główny i dodatkowy, sok trzustkowy, który zawiera m.in. amylazy trzustkowe. Są to enzymy wyspecjalizowane w trawieniu węglowodanów. Najaktywniej działają one  w pH wynoszącym około 7,0-8,0. Obecne w dwunastnicy dekstryny ulegają pod wpływem amylazy trzustkowej dalszej fragmentacji, aż do powstania tzw. maltozy, czyli dwucukru zbudowanego z dwóch cząsteczek glukozy. Maltoza rozkładana jest przy współudziale innego enzymu trzustkowego – maltazy, która umożliwia uzyskanie gotowej do wchłonięcia glukozy.

Jelito cienkie, czyli miejsce wchłaniania węglowodanów w naszym organizmie

Jelito cienkie jest odcinkiem przewodu pokarmowego, który jest wyspecjalizowany we wchłanianiu przyjętych z pokarmem substancji odżywczych, w tym węglowodanów. Proces wchłaniania węglowodanów ma miejsce w tzw. kosmkach jelitowych, czyli palczastych strukturach błony śluzowej, które odpowiadają za zwiększenie wewnętrzne powierzchni chłonnej jelita cienkiego. Każdy człowiek ma około 10 milionów kosmków jelitowych. Dzięki nim powierzchnia chłonna jelita zwiększa się 23-krotnie i wynosi nawet 200 metrów kwadratowych.
Ponadto same kosmki jelitowe zawierają  mikroskopijne wypustki cytoplazmatyczne, tzw. mikrokosmki, które poza zapewnieniem dodatkowej powierzchni wchłaniania zawierają szereg enzymów trawiennych. Mikrokosmki obecne na powierzchni poszczególnych komórek nabłonka błony śluzowej jelita cienkiego tworzą tzw. rąbek szczoteczkowy, który zawiera disacharydazy – enzymy umożliwiające trawienie tych dwucukrów i węglowodanów, które nie uległy rozbiciu we wcześniejszych odcinkach przewodu pokarmowego. Dzięki obecności disacharydaz, takich jak sacharaza czy maltaza może dojść ostatecznie do uzyskania, możliwych do przyswojenia cukrów prostych.

Współpraca trzustki i wątroby w utrzymaniu prawidłowych stężeń glukozy

Aby możliwe było utrzymanie homeostazy (równowagi wewnętrznej) ustroju, konieczny jest względnie stały poziom stężenia glukozy we krwi. Zarówno w okresach międzyposiłkowych jak i podczas posiłku, za regulację tę odpowiada zarówno trzustka jak i wątroba. Rola trzustki w znacznej mierze polega m. in. na wydzielaniu insuliny i glukagonu, czyli dwóch hormonów o przeciwstawnym działaniu. Wpływają one na pracę wątroby, transport glukozy do komórek oraz regulują jej stężenie we krwi.

Towarzyszący spożyciu pokarmu wyrzut insuliny moduluje metabolizm wątroby w ten sposób, że dostarczona z pożywieniem glukoza ulega w niej przekształceniu w  glikogen, czyli zapasowy wielocukier. W wyniku działania insuliny dochodzi zatem do obniżenia poziomu glukozy we krwi (jest ona transportowana do wnętrza komórek) i zmagazynowania jej nadmiaru w formie glikogenu.
Zmagazynowany w wątrobie glikogen ulega rozkładowi pod wpływem glukagonu, którego rola polega na zwiększeniu stężenia glukozy we krwi w okresie pomiędzy posiłkami i w czasie wzmożonej aktywności fizycznej. Dzięki glukagonowi dochodzi zatem do podwyższenia poziomu glikemii i zredukowania ilości zmagazynowanego w organizmie glikogenu. U zdrowych osób mechanizm ten zabezpiecza przed groźną dla zdrowia i życia hipoglikemią.

Krążenie wrotne wątroby, czyli zawór bezpieczeństwa przed zbyt wysokim stężeniem glukozy

Zanim wchłaniająca się z jelita cienkiego glukoza trafi do komórek docelowych, mija najpierw tzw. krążenie wrotne wątroby, które zabezpiecza organizm przed zbyt nagłymi wahaniami stężeń substancji odżywczych po posiłku. Przepływający przez krążenie wrotne nadmiar glukozy zostaje wychwycony przez komórki wątroby, zwane hepatocytami. Zatrzymywanie i magazynowanie w wątrobie nadmiarowych węglowodanów jest możliwie dzięki pracy enzymu zwanego glukokinazą. Glukokinaza jest białkiem, którego zadanie polega na wewnątrzkomórkowym sprzęganiu cząsteczek glukozy z resztą fosforanową, dzięki czemu powstaje związek nazywamy glukozo-6-fosforanem, a proces ten określamy mianem fosforylacji.

 Rola i znaczenie fosforylacji glukozy sprowadza się do ’’uwięzienia’’ jej cząsteczki wewnątrz komórki. Niezmodyfikowana cząsteczka glukozy nie posiada ładunku elektrycznego, czyli jest elektrycznie obojętna. W przypadku dołączenia do pierścienia glukozy reszty fosforanowej, która jest anionem (posiada ładunek ujemny) powstały glukozo-6-fosforan, jako całość, posiada ujemny ładunek elektryczny. Związki obdarzone ładunkiem elektrycznym nie mogą swobodnie przemieszczać się przez błonę komórkową, która stanowi zewnętrzną barierę komórek – dochodzi zatem do „uwięzienia” glukozy.
Należy sobie zdawać sprawę, że ostatecznie wszystkie komórki naszego ciała uczestniczą czynnie w procesie metabolizmu oraz utylizacji glukozy. Umożliwia im to enzym heksokinaza, który posiada wiele cech wspólnych z wątrobową glukokinazą.

Główna różnica pomiędzy glukokinazą, a heksokinazą sprowadza się do ich aktywności. Obecna w wątrobie glukokinaza charakteryzuje się większą aktywnością enzymatyczną  przy wyższych stężenia glukozy w układzie wrotnym wątroby, z kolei aktywność heksokinazy jest w znacznie mniejszym stopniu zależna od okresowych wahań stężeń glukozy we krwi. Dodatkowo heksokinaza wykazuje większe, w porównaniu z glukokinazą, powinowactwo do substratu, jakim jest glukoza. Dzięki temu ’’wyposażone w heksokinazę’’ komórki naszego ciała mają zdolność do zatrzymywania glukozy nawet przy niskich poziomach glikemii, a wątrobowa glukokinaza uaktywnia się głównie w chwili nagłego, poposiłkowego wzrostu stężenia glukozy, co chroni organizm przed niekorzystną hiperglikemią.

Transport glukozy do komórek, rola insuliny i transporterów glukozy

Przeniesienie cząsteczki glukozy obecnej we krwi do wnętrza komórki odbywa się poprzez wyspecjalizowane struktury białkowe zwane transporterami glukozy (ang. Glucose transporters, GLUT). Na dzień dzisiejszy, w ludzkim ciele, zidentyfikowano 14 rodzajów transporterów glukozy. Poszczególne białka z tej grupy różnią się pomiędzy sobą m.in. miejscem występowania i sposobem transportowania glukozy. Rola i działanie niektórych transporterów glukozy (GLUT) jest wciąż przedmiotem dalszych badań.

• Transporter glukozy GLUT-1 jest szeroko rozpowszechniony w tkankach płodowych i w łożysku. U osób dorosłych ulega on ekspresji m.in. w komórkach nowotworowych.
• Transporter glukozy GLUT-2 znajduje się m.in. w błonie komórek beta trzustki, które wydzielają insulinę w nerkach, jelitach. Obecność transportera glukozy GLUT-2 w trzustce sprzyja odpowiednio wczesnemu wydzielaniu insuliny w odpowiedzi na zwiększone stężenie wewnątrzkomórkowej glukozy.
• Transporter glukozy GLUT-3 uważany jest za transporter specyficzny dla układu nerwowego. Wykazuje wysokie powinowactwo do glukozy i umożliwia jej transport do wnętrza komórek nawet przy niskich poziomach glikemii.
• Transporter glukozy GLUT-4 występuje głównie w mięśniach, w tym mięśniu sercowym i w tkance tłuszczowej. Odmienność tego transportera glukozy polega na tym, że jest on, w przeciwieństwie do wyżej wymienionych, zależny od insuliny. Umożliwia to zmagazynowanie nadwyżek glukozy w postaci kwasów tłuszczowych w komórkach tkanki tłuszczowej i w formie glikogenu w mięśniach w odpowiedzi na wydzielaną przez trzustkę insulinę.

Odmienne właściwości różnych transporterów glukozy (GLUT) pozwalają zrozumieć dlaczego hipoglikemia definiowana jako stężenie glukozy poniżej 70 mg/dl (3,9 mmol/l) jest szkodliwa dla mózgu i komórek układu nerwowego. Pod wpływem insuliny znaczne ilości glukozy trafiają, poprzez zależne od insuliny transportery, do komórek tkanki mięśniowej i tłuszczowej pozbawiając tym samym mózg niezbędnego ’’paliwa’’. Mózg jest bardzo wrażliwy na niedobór glukozy, co najlepiej odzwierciedla porównanie skrajnej hipoglikemii do sytuacji zatrzymania krążenia – oba te stany wiążą się z bezpośrednim zagrożeniem życia.

Wewnątrzkomórkowy metabolizm glukozy 

Obecny i uwięziony w komórce, dzięki pracy gluko-, bądź heksokinazy glukozo-6-fosforan ulega szeregowi dalszych reakcji enzymatycznych zwanych glikolizą. W ich wyniku z jednej cząsteczki glukozy powstają po 2 cząsteczki pirogronianu i adenozynotrifosforanu (ang. adenosine triphosphate, ATP).

Adenozytrifosforan (ang. adenosine triphosphate, ATP) jest związkiem chemicznym, który stanowi podstawowy nośnik energii w naszym organizmie. Adenozytrifosforan (ATP) służy jako substrat reakcji enzymatycznych, które wymagają do prawidłowego przebiegu dostarczenia dodatkowej energii. Uwolnienie zmagazynowanej w nim energii odbywa się poprzez zerwanie wysokoenergetycznego wiązania chemicznego pomiędzy jego resztami fosforanowymi.

W wyniku takiej reakcji powstaje adenozynodifosforan (ang. adenosine diphosphate, ADP), który dzięki dostarczeniu energii uwolnionej ze spalania m.in. glukozy czy kwasów tłuszczowych może ponownie przyłączyć resztę oderwanego kwasu fosforowego i stać się wysokoenergetycznym adenozytrifosforanem (ATP). Związki te stanowią jakby komórkowe ‘’magazyny energetyczne’’, które mają zdolność, w zależności od postaci i potrzeb organizmu, przyjmowania, bądź oddawania energii.

Dalszy proces spalania, uzyskanego w procesie metabolizmu glukozy, pirogronianu następuje w wyspecjalizowanych strukturach komórkowych zwanych mitochondriami. Główna funkcja mitochondriów polega na produkcji adenozynotrifosforanu (ATP) poprzez stopniowe utlenianie pirogronianu w szeregu reakcji chemicznych zwanych łańcuchem oddechowym. W wyniku tych procesów, które wymagają tlenu, z jednej cząsteczki glukozy uzyskuje się średnio 36 cząsteczek adenozynotrifosforanu (ATP), a sama glukoza ulega całkowitemu spaleniu do wody i dwutlenku węgla.

Sama glikoliza może odbywać się zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych. Proces spalania glukozy bez udziału tlenu jest jednak o wiele mniej wydajny, a powstający w takich warunkach pirogronian ulega przekształceniu w kwas mlekowy. To właśnie kwas mlekowy odpowiada za doznania bólowe, które towarzyszą zbyt intensywnemu wysiłkowi fizycznemu, kiedy to, w wyniku gwałtownych przemian metabolicznych, dochodzi do niedoboru tlenu w komórkach mięśniowych.