Vad är glykolys? Var glykolysen äger rum, definition och steg i glykolysen.
Nyckelmål
- Lär dig om vägarna för nedbrytning och oxidation av glukos
- Upptäck hur glukosmetabolismen bidrar till cellens energiproduktion
- Lär dig hur glukosmetabolismen är förknippad med åldrandeprocessen
- Upptäck hur glukosmetabolismen kan stödjas
Vad är glykolys?
Glykolys är den metaboliska väg som bryter ner kolhydraten glukos för att producera cellenergi i form av ATP. Glykolysen genererar ATP direkt, som en produkt av banans kemiska reaktioner, och indirekt, med hjälp av energi som genereras av elektroner som extraheras från glukosens kemiska bindningar. Dessa elektroner transporteras av molekylen NAD till mitokondriernas elektrontransportkedja, där de används för att driva produktionen av ATP genom oxidativ fosforylering (OXPHOS).
I den här artikeln kommer vi att titta närmare på dessa processer. Men innan vi gör det är det viktigt att gå igenom några begrepp som hjälper oss att förstå vad glykolys är och vilken roll den spelar i den cellulära ämnesomsättningen.
Glykolys är en väg i den cellulära ämnesomsättningen
Metabolism är den uppsättning kemiska reaktioner som upprätthåller livet. Bland dem finns de som gör det möjligt för oss att få energi från maten och att använda den energin för att syntetisera molekyler som behövs för cellulär aktivitet. Metabolismen delas in i två typer av processer: 1) katabolism, den uppsättning nedbrytande vägar som bryter ner stora molekyler till mindre molekyler och frigör den energi som finns lagrad i de kemiska bindningarna, och 2) anabolism, den uppsättning konstruktiva biosyntesvägar som bygger upp stora molekyler från mindre molekyler och lagrar cellenergi i deras kemiska bindningar. Detta innebär att nedbrytningen av maten för att få energi sker genom kataboliska reaktioner, medan syntesen av de komplexa cellmolekylerna från enklare enheter sker genom anabola reaktioner .
Den energi som finns i maten är inte lätt tillgänglig för att användas av cellerna och måste omvandlas genom metaboliska reaktioner till en form av energi som cellerna kan använda. Denna form är en molekyl som kallas adenosintrifosfat (ATP), ”cellens energivaluta” som är gemensam för alla biologiska system. ATP används för alla typer av biologiska funktioner i alla typer av celler och vävnader, t.ex. för att driva muskelsammandragningar eller upprätthålla neuronal aktivitet.
Metabolism är summan av sammankopplade energikrävande och energikonsumerande processer som upprätthåller livet.
Den uppsättning metaboliska reaktioner genom vilka energi utvinns från näringsämnen för att generera ATP kallas cellulär respiration. I andningsprocessen förbrukas syre (O2) och koldioxid (CO2), vatten (H2O) och värme produceras. Energi utvinns ur näringsämnen genom en typ av kemisk reaktion som kallas redoxreaktioner (från reduktion – vinning av elektroner + oxidation – förlust av elektroner). Vid redoxreaktioner överförs elektroner (de elektriskt laddade partiklar som kretsar kring atomkärnorna) från en molekyl (som oxideras) till en annan (som reduceras). Därför säger vi att vid cellulär respiration oxideras näringsämnen för att generera cellenergi i form av ATP.
Glukos, som erhålls genom nedbrytning av kolhydrater, och fettsyror, som erhålls genom nedbrytning av triglycerider (fetter), är de huvudsakliga bränslen som cellerna använder för att generera ATP; aminosyror som erhålls genom nedbrytning av proteiner används också, men i mindre utsträckning.
Cellulär andning sker i tre stora steg. I det första oxideras bränslemolekyler för att ge två kolfragment i form av acetylgruppen i acetyl-coenzym A (acetyl-CoA). I det andra steget oxideras acetylgrupperna i mitokondrier i citronsyracykeln, där elektroner överförs till elektronbärarna nikotinamidadenin-dinukleotid (NAD), som är B3-vitaminberoende, och flavinadenin-dinukleotid (FAD), som är B2-vitaminberoende. I andningens tredje steg överförs elektroner till syre via elektrontransportkedjan (ETC) i mitokondrierna, och deras energi används för att driva produktionen av ATP genom en process som kallas oxidativ fosforylering (OXPHOS) .
Glykolysen är en del av det första steget i cellandningen: det är den väg som oxiderar glukos. Glykolysen genererar molekylen pyruvat, som sedan omvandlas till acetyl-CoA som används i det andra steget av den cellulära respirationen.
Cellulär respiration är som en mycket långsam förbränningsreaktion: den förbränner bränslen för att generera energi, förbrukar syre och släpper ut koldioxid och värme i processen.
Figur 1: Metaboliskt utvinnande och lagring av energi från maten. Källa: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.1 Översikt över metaboliska reaktioner. Licens CC BY 4.0.
Vad är glukos? Varför är glykolysen viktig?
Glukos är en kolhydrat. Kolhydrater är en typ av biomolekyler som består av kol, väte och syre och som inkluderar sockerarter, stärkelse och cellulosa. Mer specifikt är glukos en monosackarid, den enklaste formen av socker och den mest grundläggande typen av kolhydrat .
Vi får glukos i kosten genom nedbrytning av komplexa kolhydrater, t.ex. stärkelse, som består av flera till många monosackaridenheter som är sammanfogade (dvs. de är polysackarider). Vi får också glukos från nedbrytningen av enklare kostsocker som disackarider (som består av två monosackaridenheter), till exempel sackaros eller laktos. Andra monosackarider, som fruktos eller galaktos, kan också användas för energiproduktion, men de måste först omvandlas till andra molekyler som kan användas i glukosmetaboliska vägar .
Glykolysen är viktig eftersom det är den metaboliska väg genom vilken glukos genererar cellenergi. Glukos är den viktigaste energikällan för alla levande organismer. I människokroppen är glukos det föredragna bränslet för den stora majoriteten av cellerna: det är det enda bränsle som de röda blodkropparna kan använda, det föredragna bränsle som används av hjärnan under förhållanden som inte är hungriga och det huvudsakliga bränsle som används av musklerna under ansträngande träning.
Glukos är så viktigt att vår kropp har flera mekanismer för att se till att blodsockernivån hålls relativt konstant så att hjärnan alltid får tillräckligt med glukos. Efter en måltid ökar höjningen av blodsockret frisättningen av bukspottkörtelhormonet insulin, som i sin tur stimulerar glukosupptag i vävnader, främst levern och skelettmuskulaturen, och glukoslagring i form av glykogen. Mellan måltiderna ökar en minskning av blodglukosnivåerna frisättningen av bukspottkörtelhormonet glukagon, som i sin tur stimulerar nedbrytningen av glykogenlagren till glukos och dess frisättning i blodet. Glykogenlagren mobiliseras också när glukos används för att stödja fysisk aktivitet.
Glukos, som är en kolhydrat, är den viktigaste energikällan för de flesta celler. Dess blodnivåer hålls relativt konstanta för att säkerställa en jämn tillförsel till hjärnan.
Glukos oxideras i glykolysen för att producera ATP
Glykolysen sker i cellernas vätskeformiga matris (cytosolen) i en sekvens av tio reaktioner som är uppdelade i två steg. I det första steget delas glukos (som har sex kolväten) i två fragment med tre kolväten i en process som faktiskt förbrukar ATP för att förbereda glukos för nedbrytning. I det andra steget oxideras varje fragment med tre kolväten till en molekyl som kallas pyruvat i en process som producerar ATP.
Elektroner som utvinns i oxidationsreaktionerna överförs till NAD+, en redoxmolekyl som transporterar elektroner till mitokondriernas elektrontransportkedja (ETC) för att producera mer ATP genom oxidativ fosforylering (OXPHOS).
Figur 2: Glykolys. Källa: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Glykolys är den metaboliska väg som bryter ner glukos för att producera ATP.
Glykolysens första steg använder ATP
Glukos kan lätt komma in i och ut ur cellerna genom membrantransportörer. Det räcker dock med en enkel strukturförändring för att det ska stanna kvar inne i cellerna för att metaboliseras: tillägget av en kemisk struktur som kallas fosforylgrupp (en fosforatom med tre syreatomer knutna till sig) i en reaktion som kallas fosforylering. Glykolysen börjar med att göra just detta: den fosforylerar glukos och fångar in det i cellerna.
Glukosfosforylering utförs av ett enzym som kallas hexokinas, som tar en fosforylgrupp från ATP och överför den till glukos, varvid glukos 6-fosfat bildas (se steg 1 i figur 3) . Hexokinas tillhör en familj av enzymer som kallas kinaser (vilket är en klassificering av enzymer som fosforylerar ett substrat med hjälp av en fosforylgrupp från ATP eller vice versa). Alla kinasenzymer behöver magnesium för sin aktivitet. Därför spelar magnesium en viktig roll i denna reaktion. Faktum är att magnesium har en nyckelroll i glykolysen i allmänhet eftersom det är en kofaktor för alla kinaser som deltar i denna väg . En av de viktigaste anledningarna till att Qualia Life (tidigare kallad Eternus) innehåller magnesium är för att stödja glykolysereaktioner.
I nästa steg i glykolysen omvandlas glukos-6-fosfat till fruktos-6-fosfat (steg 2, figur 3), som i sin tur fosforyleras igen för att ge fruktos-1,6-bisfosfat (steg 3, figur 3). Denna andra fosforylering utförs av ett annat kinas (fosfofruktokinas) med hjälp av ytterligare en molekyl ATP och magnesium som kofaktor. Denna molekyl med sex kolkärnor klyvs sedan till två molekyler med tre kolkärnor (steg 4, figur 3), som är olika men som kan konverteras sinsemellan (steg 5, figur 3); glyceraldehyd-3-fosfatformen används i det andra steget av glykolysen .
Figur 3: Det första steget av glykolysen. Källa: OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
Glykolysens första steg använder ATP för att förbereda glukos för nedbrytning; det är en investering av ATP som kommer att ge resultat.
Glykolysens andra steg producerar ATP
Den första reaktionen i det andra steget omvandlar glyceraldehyd-3-fosfat till 1,3-bisfosfoglycerat (steg 6, figur 4) . Denna reaktion omfattar två kopplade processer: en oxidation och en tillsats av fosfat. Oxideringsreaktionen extraherar två elektroner från glyceraldehyd-3-fosfat, som överförs till redoxmolekylen NAD+ (som härrör från vitamin B3) och reducerar den till NADH-formen. I nästa steg produceras 3-fosfoglycerat av ett annat kinas (fosfoglyceratkinas, med magnesium som kofaktor) med samtidig produktion av ATP (steg 7, figur 4). Qualia Life stöder dessa reaktioner genom att tillföra magnesium och vitamin B3 i form av niacinamid och nikotinsyra.
I de två följande stegen omorganiseras 3-fosfoglycerat (steg 8, figur 4) och dehydreras sedan (steg 9, figur 3) för att bilda fosfenolpyruvat. I glykolysens sista steg omvandlas fosfenolpyruvat till pyruvat och ytterligare en ATP-molekyl produceras pyruvatkinas med hjälp av magnesium som kofaktor (steg 10, figur 4).
I det andra steget genereras två ATP-molekyler från varje trekolig enhet, vilket innebär att varje glukosmolekyl ger fyra ATP-molekyler. Med tanke på att glykolysens första steg använder två ATP-molekyler för att förbereda glukos för nedbrytning, är nettoresultatet av glykolysen produktionen av två ATP-molekyler per glukosmolekyl .
Denna mekanism för ATP-produktion kallas fosforylering på substratnivå. Den använder den kemiska energi som frigörs vid omvandlingen av ett substrat med högre energi till en produkt med lägre energi för att driva överföringen av en fosforylgrupp för att producera den energirika molekylen ATP. Fosforylering på substratnivå är en snabbare, men mindre effektiv källa till ATP. Den har också en kostnad i form av användning av ett NAD+, som blir till NADH. Som vi kommer att se i del 4 av den här serien genereras det mesta ATP genom oxidativ fosforylering, och NAD+ kommer att återvinnas under det sista steget i cellandningen.
Figur 4: Den andra halvan av glykolysen. Källa: OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
Glykolysens andra steg genererar pyruvat, NADH och ATP; nettoresultatet av glykolysen är produktionen av två ATP-molekyler per glukosmolekyl, men till priset av en NAD+.
Pyruvat som produceras i glykolysen ger acetyl-CoA i mitokondrier
Glykolysen ger endast en bråkdel av den ATP som kan produceras från fullständig oxidation av glukos. Det beror på att de pyruvatmolekyler som produceras i glykolysen fortfarande kan oxideras ytterligare. Det är i följande vägar för cellens energiproduktion, citronsyracykeln och OXPHOS, som den stora majoriteten av ATP-produktionen sker.
Där glykolysen sker i cytosolen sker citronsyracykeln och OXPHOS i mitokondrierna . Därför transporteras pyruvat, slutprodukten av glykolysen, till mitokondrierna där det omvandlas till två kolfragment – acetylenheter – och koldioxid (CO2). I denna reaktion, som utförs av ett kluster av enzymer som kallas pyruvatdehydrogenaskomplexet, överförs de elektroner som extraheras från pyruvat till NAD+ och reducerar det till NADH. Acetylenheter överförs till koenzym A (CoA, som härrör från pantotensyra, dvs. vitamin B5) för att bilda acetyl-CoA, den molekyl som förser citronsyracykeln med två kolenheter, där de kommer att oxideras ytterligare. De elektroner som extraheras från varje acetylenhet används sedan för att generera ATP genom OXPHOS.
Figur 5: Pyruvatoxidation. Källa: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Den mitokondriella omvandlingen av pyruvat till acetyl-CoA är länken mellan glykolysen och citronsyracykeln. Detta är en viktig reaktion som kräver flera kofaktorer: CoA (som härrör från pantotensyra), NAD+ (syntetiserat från föreningar med vitamin B3-aktivitet eller genom att använda L-tryptofan som substrat och vitamin B6 som kofaktor), FAD+ (flavinadenindinukleotid, som härrör från vitamin B2, dvs. riboflavin), koenzymet tiaminpyrofosfat (som härrör från vitamin B1, dvs. tiamin) och liponsyra .
Qualia Life stöder dessa reaktioner genom att tillhandahålla niacinamid och nikotinsyra (vitamin B3) , riboflavin (vitamin B2) , pantotensyra (vitamin B5) , tiamin HCl (vitamin B1) , pyridoxal-5′-fosfat (vitamin B6) , liponsyra , L-tryptofan och magnesium .
Pyruvat omvandlas till acetyl-CoA i mitokondrier; detta steg kopplar glykolysen till citronsyracykeln och oxidativ fosforylering. Det kostar en NAD+-enhet (som senare återvinns).
NADH som produceras i glykolysen genererar ATP i mitokondrier
NAD+ är en redoxmolekyl som transporterar elektroner till mitokondriernas elektrontransportkedja (ETC) för att producera ATP genom OXPHOS. Vid oxidationen av varje glukosmolekyl till acetyl-CoA används fyra NAD+-molekyler som var och en får två elektroner och blir till NADH-formen. Eftersom NAD+ är en central beståndsdel i ATP-produktionen är det viktigt att cellerna upprätthåller en pool av NAD+ som är tillgänglig för att ta emot elektroner .
Qualia Life innehåller en uppsättning ingredienser som stöder uppregleringen av NAD+-poolen i cellerna. Dessa inkluderar Grape Proanthocyanidins (i Grape extract, BioVin®) , Resveratrol (i Grape extract, BioVin®) , Coenzyme Q10 och Lipoic acid .
NADH transporterar elektroner till mitokondriernas elektrontransportkedja för att producera ATP genom oxidativ fosforylering. NAD+ regenereras i processen.
Hur glukosmetabolismen påverkar åldrandet
Glukos och andra monosackarider har förmågan att reagera med aminogrupper i proteiner, lipider och nukleinsyror för att producera en strukturell modifiering som kallas icke-enzymatisk glykering. Dessa modifierade molekyler kallas avancerade glycation end-products (AGEs) och de förlorar sin funktion – de är skadade molekyler.
AGEs bryts vanligtvis ner av cellulära kvalitetskontrollmekanismer, men de kan ackumuleras i vävnader. AGE-produktionen ökar till exempel vid långvarig exponering för höga blodglukosnivåer. AGE-nedbrytningen minskar med åldrandet på grund av den progressiva förlusten av metabolisk effektivitet och cellulära försvarsmekanismer .
AGE-ackumulering är en viktig aktör i åldrandet och i utvecklingen av åldersrelaterade dysfunktioner. Till exempel kan proteinglykering bidra till att blodkärl blir styva och till neurodegenerativ aggregering av proteiner i hjärnan. Dessutom kan AGEs, förutom att vara skadade molekyler, aktivera signalvägar som bidrar till vävnadsdysfunktion genom att öka oxidativ stress och produktionen av andra skadliga molekyler .
Det är därför viktigt att kolhydratmetabolismen är effektiv, inte bara för att producera cellenergi, utan också för att minimera cellskador i samband med glykering. Om sockerarter inte används i cellernas energivägar kan de reagera med proteiner, fetter och andra molekyler och bidra till ohälsosamt åldrande. Av dessa skäl är det viktigt att stödja glukosmetaboliska vägar för att hjälpa vår kropp att skydda sig mot AGE-ackumulering.
Åldersrelaterad förlust av effektiviteten i glukosmetabolismen och cellulära försvarsmekanismer kan leda till ackumulering av skadliga avancerade glykningsändprodukter (AGE).
Varför det är viktigt att stödja glukosmetabolismen/glykolysen
Stödjande av glukosmetabolismen bidrar till upprätthållandet av ett hälsosamt glykolytiskt flöde. Detta är först och främst viktigt eftersom glukos är den viktigaste energikällan för våra celler och vävnader. En sund kolhydratmetabolism är viktig för en effektiv produktion av ATP för att driva biologiska processer.
En effektiv glukosmetabolism är också grundläggande för att upprätthålla hälsosamma blodsockernivåer. Bland andra fördelar (som till exempel hälsosam insulinsignalering) bidrar detta till att minska sannolikheten för skadliga glykeringsreaktioner av proteiner och fetter.
Glukosmetabolism kan stödjas genom att tillhandahålla prekursorer för de kofaktorer som deltar i glykolysen och acetyl-CoA-produktionen. Som vi har sett tillhandahåller Qualia Life dessa ingredienser. Qualia Life tillhandahåller också ingredienser som stöder glukosreglerande enzymer, till exempel Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50 % ursolsyra) . Vidare innehåller Qualia LIfe också ingredienser som stöder cellulära kvalitetskontrollvägar som fungerar för att skydda mot AGE:er. Dessa inkluderar Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract och Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% ursolsyra) .
J.M. Berg, J.L. Tymoczko, G.J. Gatto, L. Stryer, red, Biochemistry, 8th ed, W.H. Freeman and Company, 2015.
D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 7th Edition, W. H. Freeman and Company, 2017.
S.-M. Glasdam, S. Glasdam, G.H. Peters, Adv. Clin. Chem. 73 (2016) 169-193.
A.A. Sauve, J. Pharmacol. Exp. Ther. 324 (2008) 883-893.
S.O. Mansoorabadi, C.J. Thibodeaux, H.-W. Liu, J. Org. Chem. 72 (2007) 6329-6342.
A.G. Tahiliani, C.J. Beinlich, in: G.D. Aurbach (Ed.), Vitamins & Hormones, Academic Press, 1991, pp 165-228.
D.A. Bender, in: Nutritional Biochemistry of the Vitamins, Cambridge University Press, 2003, s. 148-171.
A.A.A.-B. Badawy, Int. J. Tryptophan Res. 10 (2017) 1178646917691938.
A. Solmonson, R.J. DeBerardinis, J. Biol. Chem. 293 (2018) 7522-7530.
G. Aragonès, M. Suárez, A. Ardid-Ruiz, M. Vinaixa, M.A. Rodríguez, X. Correig, L. Arola, C. Bladé, Sci. Rep. 6 (2016) 24977.
N.L. Price, A.P. Gomes, A.J.Y. Ling, F.V. Duarte, A. Martin-Montalvo, B.J. North, B. Agarwal, L. Ye, G. Ramadori, J.S. Teodoro, B.P. Hubbard, A.T. Varela, J.G. Davis, B. Varamini, A. Hafner, R. Moaddel, A.P. Rolo, R. Coppari, C.M. Palmeira, R. de Cabo, J.A. Baur, D.A. Sinclair, Cell Metab. 15 (2012) 675-690.
J.-H. Um, S.-J. Park, H. Kang, S. Yang, M. Foretz, M.W. McBurney, M.K. Kim, B. Viollet, J.H. Chung, Diabetes 59 (2010) 554-563.
S.-J. Park, F. Ahmad, A. Philp, K. Baar, T. Williams, H. Luo, H. Ke, H. Rehmann, R. Taussig, A.L. Brown, M.K. Kim, M.A. Beaven, A.B. Burgin, V. Manganiello, J.H. Chung, Cell 148 (2012) 421-433.
G. Tian, J. Sawashita, H. Kubo, S.-Y. Nishio, S. Hashimoto, N. Suzuki, H. Yoshimura, M. Tsuruoka, Y. Wang, Y. Liu, H. Luo, Z. Xu, M. Mori, M. Kitano, K. Hosoe, T. Takeda, S.-I. Usami, K. Higuchi, Antioxid. Redox Signal. 20 (2014) 2606-2620.
Y. Yang, W. Li, Y. Liu, Y. Sun, Y. Li, Q. Yao, J. Li, Q. Zhang, Y. Gao, L. Gao, J. Zhao, J. Nutr. Biochem. 25 (2014) 1207-1217.
W.-L. Chen, C.-H. Kang, S.-G. Wang, H.-M. Lee, Diabetologia 55 (2012) 1824-1835.
A. Simm, B. Müller, N. Nass, B. Hofmann, H. Bushnaq, R.-E. Silber, B. Bartling, Exp. Gerontol. 68 (2015) 71-75.
S.-M. Jang, M.-J. Kim, M.-S. Choi, E.-Y. Kwon, M.-K. Lee, Metabolism 59 (2010) 512-519.
A. Nakata, Y. Koike, H. Matsui, T. Shimadad, M. Aburada, J. Yang, Nat. Prod. Commun. 9 (2014) 1291-1294.
Y. Zhao, R. Sedighi, P. Wang, H. Chen, Y. Zhu, S. Sang, J. Agric. Food Chem. 63 (2015) 4843-4852.
J. Ou, J. Huang, M. Wang, S. Ou, Food Chem. 221 (2017) 1057-1061.
Z.-H. Wang, C.-C. Hsu, C.-N. Huang, M.-C. Yin, Eur. J. Pharmacol. 628 (2010) 255-260.