Co je glykolýza? Kde probíhá glykolýza, definice a jednotlivé kroky glykolýzy.
Klíčové cíle výuky
- Poznejte cesty odbourávání a oxidace glukózy
- Zjistěte, jak metabolismus glukózy přispívá k. produkci buněčné energie
- Zjistěte, jak metabolismus glukózy souvisí s procesem stárnutí
- Objevte, jak lze metabolismus glukózy podpořit
Co je to glykolýza?
Glykolýza je metabolická dráha, která štěpí sacharid glukózu za vzniku buněčné energie ve formě ATP. Glykolýza vytváří ATP přímo, jako produkt chemických reakcí této dráhy, a nepřímo, pomocí energie generované elektrony získanými z chemických vazeb glukózy. Tyto elektrony jsou přenášeny molekulou NAD do mitochondriálního elektronového transportního řetězce, kde jsou použity k napájení výroby ATP prostřednictvím oxidativní fosforylace (OXPHOS).
V tomto článku se budeme těmito procesy zabývat podrobněji. Než tak ale učiníme, je důležité zopakovat si některé pojmy, které nám pomohou pochopit, co je glykolýza a jakou roli hraje v buněčném metabolismu.
Glykolýza je cestou buněčného metabolismu
Metabolismus je soubor chemických reakcí, které udržují život. Patří mezi ně ty, které nám umožňují získávat energii z potravy a využívat ji k syntéze molekul potřebných pro buněčnou činnost. Metabolismus se dělí na dva typy procesů: 1) katabolismus, soubor degradačních drah, které rozkládají velké molekuly na menší a uvolňují energii uloženou v chemických vazbách, a 2) anabolismus, soubor konstruktivních biosyntetických drah, které vytvářejí velké molekuly z menších molekul a ukládají buněčnou energii v jejich chemických vazbách. To znamená, že rozklad potravy za účelem získání energie probíhá prostřednictvím katabolických reakcí, zatímco syntéza složitých buněčných molekul z jednodušších jednotek probíhá prostřednictvím anabolických reakcí .
Energie obsažená v potravě není pro buňky snadno dostupná a musí být přeměněna metabolickými reakcemi na formu energie, kterou mohou buňky využít. Touto formou je molekula zvaná adenosintrifosfát (ATP), „energetická měna buňky“ společná všem biologickým systémům. ATP se používá k nejrůznějším biologickým funkcím ve všech typech buněk a tkání, včetně například pohonu svalové kontrakce nebo udržování činnosti neuronů.
Metabolismus je souhrn vzájemně propojených procesů vyžadujících a spotřebovávajících energii, které udržují život.
Soubor metabolických reakcí, jejichž prostřednictvím se získává energie z živin za účelem tvorby ATP, se nazývá buněčné dýchání. Při dýchání se spotřebovává kyslík (O2) a vzniká oxid uhličitý (CO2), voda (H2O) a teplo. Energie se získává z živin prostřednictvím typu chemických reakcí nazývaných redoxní reakce (z redukce – zisk elektronů + oxidace – ztráta elektronů). Při redoxních reakcích dochází k přenosu elektronů (elektricky nabitých částic, které obíhají kolem jader atomů) z jedné molekuly (která je oxidovaná) na jinou (která je redukovaná). Proto říkáme, že při buněčném dýchání dochází k oxidaci živin za vzniku buněčné energie ve formě ATP.
Glukóza, získaná rozkladem sacharidů, a mastné kyseliny, získané rozkladem triglyceridů (tuků), jsou hlavními palivy, která buňky používají k tvorbě ATP; aminokyseliny získané rozkladem bílkovin se také používají, ale v menší míře.
Buněčné dýchání probíhá ve třech hlavních fázích. V první se molekuly paliva oxidují za vzniku dvouuhlíkatých fragmentů ve formě acetylové skupiny acetyl-koenzymu A (acetyl-CoA). Ve druhé fázi jsou acetylové skupiny oxidovány v mitochondriích v cyklu kyseliny citronové, přičemž elektrony jsou přenášeny na nosiče elektronů nikotinamidadenindinukleotid (NAD), který je závislý na vitaminu B3, a flavinadenindinukleotid (FAD), který je závislý na vitaminu B2. Ve třetí fázi dýchání se elektrony přenášejí na kyslík prostřednictvím elektronového transportního řetězce (ETC) v mitochondriích a jejich energie se využívá k výrobě ATP procesem zvaným oxidativní fosforylace (OXPHOS) .
Glykolýza je součástí první fáze buněčného dýchání: je to cesta, která oxiduje glukózu. Při glykolýze vzniká molekula pyruvátu, která se následně přemění na acetyl-CoA, jenž se použije ve druhé fázi buněčného dýchání.
Buněčné dýchání je jako velmi pomalá spalovací reakce: spaluje paliva za účelem získání energie, přičemž spotřebovává kyslík a uvolňuje oxid uhličitý a teplo.
Obrázek 1: Metabolické získávání a ukládání energie z potravy. Zdroj: MUDr: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.1 Přehled metabolických reakcí. Licence CC BY 4.0.
Co je to glukóza? Proč je důležitá glykolýza?
Glukóza je sacharid. Sacharidy jsou typ biomolekul složených z uhlíku, vodíku a kyslíku, mezi které patří cukry, škroby a celulóza. Přesněji řečeno, glukóza je monosacharid, nejjednodušší forma cukru a nejzákladnější typ sacharidu .
Glukózu v potravě získáváme rozkladem složitých sacharidů, jako je škrob, které se skládají z několika až mnoha monosacharidových jednotek spojených dohromady (tj. jsou to polysacharidy). Glukózu získáváme také rozkladem jednodušších cukrů v potravě, jako jsou disacharidy (složené ze dvou monosacharidových jednotek), mezi které patří například sacharóza nebo laktóza. Jiné monosacharidy, jako je fruktóza nebo galaktóza, mohou být také využity k výrobě energie, ale musí být nejprve přeměněny na jiné molekuly, které mohou být využity v metabolických drahách glukózy .
Glykolýza je důležitá, protože je to metabolická dráha, kterou glukóza vytváří buněčnou energii. Glukóza je nejdůležitějším zdrojem energie pro všechny živé organismy. V lidském těle je glukóza preferovaným palivem pro naprostou většinu buněk: je to jediné palivo, které mohou využívat červené krvinky, preferované palivo využívané mozkem za podmínek bez hladovění a hlavní palivo využívané svaly při namáhavém cvičení.
Glukóza je tak důležitá, že naše tělo má několik mechanismů, které zajišťují, aby hladina cukru v krvi byla relativně stálá a mozek byl vždy dostatečně zásoben glukózou. Po jídle zvýšení hladiny glukózy v krvi zvyšuje uvolňování hormonu slinivky břišní inzulínu, který následně stimuluje příjem glukózy tkáněmi, především játry a kosterním svalstvem, a ukládání glukózy ve formě glykogenu. Mezi jídly se při poklesu hladiny glukózy v krvi zvyšuje uvolňování pankreatického hormonu glukagonu, který zase stimuluje odbourávání zásob glykogenu na glukózu a její uvolňování do krve. Zásoby glykogenu se mobilizují také při využití glukózy k podpoře fyzické aktivity.
Glukóza, která je sacharidem, je nejdůležitějším zdrojem energie pro většinu buněk. Její hladina v krvi je udržována na relativně konstantní úrovni, aby byl zajištěn stálý přísun do mozku.
Glukóza je oxidována při glykolýze za vzniku ATP
Glykolýza probíhá v tekutém matrixu buněk (cytosolu) ve sledu deseti reakcí rozdělených do dvou fází. V první fázi se glukóza (která má šest uhlíků) štěpí na dva tříuhlíkaté fragmenty v procesu, který ve skutečnosti spotřebovává ATP, aby připravil glukózu k degradaci. Ve druhé fázi je každý tříuhlíkatý fragment oxidován na molekulu zvanou pyruvát v procesu, při kterém vzniká ATP.
Elektrony získané v oxidačních reakcích se přenášejí na NAD+, redoxní molekulu, která přenáší elektrony do mitochondriálního elektronového transportního řetězce (ETC) k výrobě dalšího ATP prostřednictvím oxidativní fosforylace (OXPHOS).
Obrázek 2: Glykolýza. Zdroj: Glykolýza: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Glykolýza je metabolická dráha, která rozkládá glukózu za účelem výroby ATP.
První fáze glykolýzy využívá ATP
Glukóza může snadno vstupovat do buněk a vystupovat z nich prostřednictvím membránových přenašečů. K jejímu udržení uvnitř buněk, aby mohla být metabolizována, však stačí jednoduchá strukturální úprava: přidání chemické struktury zvané fosforylová skupina (atom fosforu s připojenými třemi atomy kyslíku) v reakci známé jako fosforylace. Glykolýza začíná přesně tímto způsobem: fosforyluje glukózu a zadržuje ji uvnitř buněk.
Fosforylaci glukózy provádí enzym zvaný hexokináza, který odebírá fosforylovou skupinu z ATP a přenáší ji na glukózu, čímž vzniká glukóza-6-fosfát (viz krok 1 na obrázku 3) . Hexokináza patří do skupiny enzymů nazývaných kinázy (což je klasifikace enzymů, které fosforylují substrát pomocí fosforylové skupiny z ATP nebo naopak). Všechny enzymy kinázy potřebují ke své činnosti hořčík. Hořčík proto hraje v této reakci důležitou roli. Ve skutečnosti má hořčík klíčovou roli v glykolýze obecně, protože je kofaktorem pro všechny kinázy, které se této dráhy účastní . Jedním z hlavních důvodů, proč přípravek Qualia Life (dříve nazývaný Eternus) obsahuje hořčík, je podpora reakcí glykolýzy.
V dalších krocích glykolýzy se glukóza-6-fosfát přeměňuje na fruktóza-6-fosfát (krok 2, obrázek 3), který je následně opět fosforylován za vzniku fruktóza-1,6-bisfosfátu (krok 3, obrázek 3). Tuto druhou fosforylaci provádí jiná kináza (fosfofruktokináza) za použití další molekuly ATP a hořčíku jako kofaktoru. Tato šestiuhlíková molekula je poté rozštěpena na dvě tříuhlíkaté molekuly (krok 4, obrázek 3), které jsou odlišné, ale vzájemně převoditelné (krok 5, obrázek 3); forma glyceraldehyd-3-fosfátu je použita ve druhé fázi glykolýzy .
Obr. 3: První fáze glykolýzy. Zdroj: Člověk, který se účastní glykolýzy: OpenStax, Biology; 7.2 Glykolýza.
License CC BY 4.0.
První fáze glykolýzy využívá ATP k přípravě glukózy na rozklad; je to investice ATP, která se vyplatí.
Druhá fáze glykolýzy produkuje ATP
První reakce druhé fáze přeměňuje glyceraldehyd-3-fosfát na 1,3-bisfosfoglycerát (krok 6, obrázek 4) . Tato reakce zahrnuje dva spojené procesy: oxidaci a přidání fosfátu. Oxidační reakce získává z glyceraldehyd-3-fosfátu dva elektrony, které se přenášejí na redoxní molekulu NAD+ (pocházející z vitaminu B3) a redukují ji na formu NADH. V dalším kroku je 3-fosfoglycerát produkován další kinázou (fosfoglycerátkinázou, s hořčíkem jako kofaktorem) za současné produkce ATP (krok 7, obrázek 4). Společnost Qualia Life podporuje tyto reakce dodáváním hořčíku a vitaminu B3 ve formě niacinamidu a kyseliny nikotinové .
V dalších dvou krocích dochází k přeskupení 3-fosfoglycerátu (krok 8, obrázek 4) a následné dehydrataci (krok 9, obrázek 3) za vzniku fosfoenolpyruvátu. V posledním kroku glykolýzy se fosfoenolpyruvát přemění na pyruvát a vznikne další molekula ATP pyruvátkinázy za použití hořčíku jako kofaktoru (krok 10, obrázek 4).
V druhém stupni vznikají z každé tříuhlíkaté jednotky dvě molekuly ATP, což znamená, že z každé molekuly glukózy vznikají čtyři molekuly ATP. Vzhledem k tomu, že v první fázi glykolýzy se k přípravě glukózy na rozklad použijí dvě molekuly ATP, je čistým výsledkem glykolýzy produkce dvou molekul ATP na jednu molekulu glukózy .
Tento mechanismus produkce ATP se nazývá fosforylace na úrovni substrátu. Využívá chemickou energii uvolněnou přeměnou substrátu s vyšší energií na produkt s nižší energií k napájení přenosu fosforylové skupiny za účelem výroby molekuly ATP s vysokou energií. Substrátová fosforylace je rychlejší, ale méně účinný zdroj ATP. Je také spojena s náklady na použití jednoho NAD+, který se stává NADH. Jak uvidíme ve 4. části tohoto seriálu, většina ATP vzniká oxidativní fosforylací a NAD+ se obnoví během této závěrečné fáze buněčného dýchání.
Obrázek 4: Druhá polovina glykolýzy. Zdroj: ČSÚ, s. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 a 8: OpenStax, Biology; 7.2 Glykolýza.
License CC BY 4.0.
V druhé fázi glykolýzy vzniká pyruvát, NADH a ATP; čistým výsledkem glykolýzy je produkce dvou molekul ATP na jednu molekulu glukózy, ale za cenu jedné molekuly NAD+.
Pyruvát produkovaný při glykolýze dává v mitochondriích acetyl-CoA
Glykolýza dává pouze zlomek ATP, který může vzniknout úplnou oxidací glukózy. Je to proto, že molekuly pyruvátu vzniklé při glykolýze mohou být ještě dále oxidovány. Právě v následujících drahách tvorby buněčné energie, cyklu kyseliny citronové a OXPHOS, probíhá naprostá většina produkce ATP.
Když glykolýza probíhá v cytosolu, cyklus kyseliny citronové a OXPHOS probíhají v mitochondriích . Pyruvát, konečný produkt glykolýzy, je tedy transportován do mitochondrií, kde je přeměněn na dvouuhlíkaté fragmenty – acetylové jednotky – a oxid uhličitý (CO2). Při této reakci, kterou provádí shluk enzymů nazývaný pyruvátdehydrogenázový komplex, jsou elektrony získané z pyruvátu přeneseny na NAD+ a redukují ho na NADH. Acetylové jednotky jsou přeneseny na koenzym A (CoA, odvozený od kyseliny pantotenové, tj. vitaminu B5) za vzniku acetyl-CoA, molekuly, která přivádí dvouuhlíkaté jednotky do cyklu kyseliny citronové, kde budou dále oxidovány. Elektrony získané z každé acetylové jednotky se pak použijí k tvorbě ATP prostřednictvím OXPHOS.
Obrázek 5: Oxidace pyruvátu. Pramen: Obr. 5: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Mitochondriální přeměna pyruvátu na acetyl-CoA je spojovacím článkem mezi glykolýzou a cyklem kyseliny citronové. Jedná se o důležitou reakci, která vyžaduje několik kofaktorů: CoA (odvozený od kyseliny pantotenové), NAD+ (syntetizovaný ze sloučenin s aktivitou vitaminu B3 nebo pomocí L-tryptofanu jako substrátu a vitaminu B6 jako kofaktoru), FAD+ (flavin adenin dinukleotid, odvozený od vitaminu B2, tj. riboflavinu), koenzym thiamin pyrofosfát (odvozený od vitaminu B1, tj. thiaminu) a kyselina lipoová .
Qualia Life podporuje tyto reakce dodáváním niacinamidu a kyseliny nikotinové (vitamin B3) , riboflavinu (vitamin B2) , kyseliny pantotenové (vitamin B5) , thiaminu HCl (vitamin B1) , pyridoxal-5′-fosfátu (vitamin B6) , kyseliny lipoové , L-tryptofanu a hořčíku .
Pyruvát se v mitochondriích přeměňuje na acetyl-CoA; tento krok spojuje glykolýzu s cyklem kyseliny citronové a oxidativní fosforylací. Je spojen s cenou jedné jednotky NAD+ (která bude později obnovena).
NADH produkovaný při glykolýze vytváří ATP v mitochondriích
NAD+ je redoxní molekula, která přenáší elektrony do mitochondriálního elektronového transportního řetězce (ETC) k produkci ATP prostřednictvím OXPHOS. Při oxidaci každé molekuly glukózy na acetyl-CoA se použijí čtyři molekuly NAD+, z nichž každá přijme dva elektrony a stane se formou NADH. Protože NAD+ je ústředním prvkem při výrobě ATP, je důležité, aby buňky udržovaly zásobu NAD+ dostupnou pro příjem elektronů .
Qualia Life obsahuje soubor složek, které podporují zvýšení zásoby NAD+ v buňkách. Patří mezi ně proanthokyanidiny z hroznů (v extraktu z hroznů, BioVin®) , resveratrol (v extraktu z hroznů, BioVin®) , koenzym Q10 a kyselina lipoová .
NADH přenáší elektrony do mitochondriálního elektronového transportního řetězce k výrobě ATP prostřednictvím oxidativní fosforylace. Při tomto procesu se regeneruje NAD+.
Jak metabolismus glukózy ovlivňuje stárnutí
Glukóza a další monosacharidy mají schopnost reagovat s aminoskupinami proteinů, lipidů a nukleových kyselin a vytvářet strukturální modifikace nazývané neenzymatická glykace. Tyto modifikované molekuly se nazývají konečné produkty pokročilé glykace (AGEs) a ztrácejí svou funkci – jsou to poškozené molekuly.
AGEs jsou obvykle degradovány buněčnými mechanismy kontroly kvality, ale mohou se hromadit v tkáních. Produkce AGE se zvyšuje například při dlouhodobém působení vysoké hladiny glukózy v krvi. Degradace AGE se snižuje se stárnutím v důsledku postupné ztráty metabolické účinnosti a buněčných obranných mechanismů .
Hromadění AGE je hlavním aktérem stárnutí a rozvoje dysfunkcí souvisejících s věkem. Například glykace bílkovin může přispívat ke ztuhnutí cév a k neurodegenerativní agregaci bílkovin v mozku. Kromě toho mohou AGE kromě toho, že jsou poškozenými molekulami, aktivovat signální dráhy, které přispívají k dysfunkci tkání tím, že zvyšují oxidační stres a produkci dalších poškozujících molekul .
Účinnost metabolismu sacharidů je proto důležitá nejen pro produkci buněčné energie, ale také pro minimalizaci buněčného poškození spojeného s glykací. Pokud nejsou cukry využity v energetických drahách buněk, mohou reagovat s bílkovinami, tuky a dalšími molekulami a přispívat k nezdravému stárnutí. Z těchto důvodů je důležité podporovat metabolické dráhy glukózy, aby se naše tělo chránilo před hromaděním AGE.
Ztráta účinnosti metabolismu glukózy a buněčných obranných mechanismů související s věkem může vést k hromadění škodlivých konečných produktů pokročilé glykace (AGE).
Proč je podpora metabolismu glukózy/glykolýzy důležitá
Podpora metabolismu glukózy přispívá k udržení zdravého glykolytického toku. To je zásadní především proto, že glukóza je nejdůležitějším zdrojem energie pro naše buňky a tkáně. Zdravý metabolismus sacharidů je důležitý pro účinnou produkci ATP k pohonu biologických procesů.
Účinný metabolismus glukózy je také zásadní pro udržení zdravé hladiny cukru v krvi. Kromě jiných výhod (jako je například zdravá inzulínová signalizace) pomáhá snižovat pravděpodobnost škodlivých glykačních reakcí bílkovin a tuků.
Metabolismus glukózy lze podpořit poskytováním prekurzorů pro kofaktory, které se podílejí na glykolýze a produkci acetyl-CoA. Jak jsme viděli, společnost Qualia Life tyto složky poskytuje. Qualia Life také poskytuje složky, které podporují regulační enzymy glukózy, jako je extrakt z listů Rosmarinus officinalis (50 % kyseliny ursolové) . Kromě toho Qualia LIfe obsahuje také složky, které podporují dráhy buněčné kontroly kvality, jež fungují jako ochrana proti AGE. Patří mezi ně Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract a Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% kyseliny ursolové) .
J.M. Berg, J.L. Tymoczko, G.J. Gatto, L. Stryer, eds., Biochemistry, 8. vydání, W. H. Freeman and Company, 2015.
D.L. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 7. vydání, W. H. Freeman and Company, 2017.
S.-M. Nelson, M.M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 7. vydání, W. H. Freeman and Company, 2017. 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: Tahiliani, C.J. Beinlich: G.D. Aurbach (Ed.), Vitamins & Hormones, Academic Press, 1991, s. 165-228.
D.A. Bender, in: Vitamins & Hormones, Academic Press, 1991, s. 165-228: Nutritional Biochemistry of the Vitamins, Cambridge University Press, 2003, s. 148-171.
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.