Hvad er glykolyse? Hvor glykolysen finder sted, definition og trin i glykolysevejen.
Nøgleindlæringsmål
- Lær om vejene for nedbrydning og oxidation af glukose
- Find ud af, hvordan glukosemetabolismen bidrager til cellernes energiproduktion
- Lær hvordan glukosemetabolisme er forbundet med aldringsprocessen
- Opdag hvordan glukosemetabolisme kan støttes
Hvad er glykolyse?
Glykolyse er den stofskiftevej, der nedbryder kulhydratet glukose for at producere cellenergi i form af ATP. Glykolyse genererer ATP direkte, som et produkt af banens kemiske reaktioner, og indirekte ved hjælp af energi, der genereres af elektroner, som udvindes fra glukosens kemiske bindinger. Disse elektroner transporteres af molekylet NAD til den mitokondrielle elektrontransportkæde, hvor de bruges til at drive produktionen af ATP gennem oxidativ fosforylering (OXPHOS).
I denne artikel vil vi se nærmere på disse processer. Men inden vi gør det, er det vigtigt at gennemgå nogle begreber, som vil hjælpe os med at forstå, hvad glykolyse er, og hvilken rolle den spiller i det cellulære stofskifte.
Glykolyse er en vej i det cellulære stofskifte
Metabolisme er det sæt af kemiske reaktioner, der opretholder livet. Blandt dem er dem, der gør det muligt for os at få energi fra maden og at bruge denne energi til at syntetisere molekyler, der er nødvendige for celleaktivitet. Metabolismen er opdelt i to typer processer: 1) katabolisme, dvs. det sæt nedbrydningsveje, der nedbryder store molekyler til mindre molekyler og frigiver den energi, der er lagret i de kemiske bindinger, og 2) anabolisme, dvs. det sæt konstruktive biosynteseveje, der opbygger store molekyler ud fra mindre molekyler og lagrer celleenergi i deres kemiske bindinger. Det betyder, at nedbrydningen af fødevarerne for at opnå energi foregår gennem kataboliske reaktioner, mens syntesen af de komplekse cellemolekyler fra enklere enheder foregår gennem anabole reaktioner .
Energien i maden er ikke umiddelbart tilgængelig til brug for cellerne og skal gennem metaboliske reaktioner omdannes til en energiform, som cellerne kan bruge. Denne form er et molekyle kaldet adenosintrifosfat (ATP), “cellens energiværdi”, som er fælles for alle biologiske systemer. ATP anvendes til alle mulige biologiske funktioner i alle typer celler og væv, herunder f.eks. til at drive muskelsammentrækninger eller opretholde neuronal aktivitet.
Metabolisme er summen af indbyrdes forbundne energiforbrugende og energiforbrugende processer, der opretholder livet.
Sættet af metaboliske reaktioner, hvorigennem der udvindes energi fra næringsstoffer for at generere ATP, kaldes celleånding. I respirationsprocessen forbruges der ilt (O2), og der produceres kuldioxid (CO2), vand (H2O) og varme. Energi udvindes fra næringsstoffer gennem en type kemisk reaktion, der kaldes redoxreaktioner (fra reduktion – gevinst af elektroner + oxidation – tab af elektroner). I redoxreaktioner overføres elektroner (de elektrisk ladede partikler, der kredser om atomernes kerner) fra et molekyle (som er oxideret) til et andet (som er reduceret). Derfor siger vi, at i den cellulære respiration oxideres næringsstoffer for at generere cellenergi i form af ATP.
Glukose, der stammer fra nedbrydning af kulhydrater, og fedtsyrer, der stammer fra nedbrydning af triglycerider (fedtstoffer), er de vigtigste brændstoffer, som cellerne bruger til at generere ATP; aminosyrer, der stammer fra nedbrydning af proteiner, bruges også, men i mindre omfang.
Cellulær respiration foregår i tre hovedfaser. I det første oxideres brændstofmolekyler for at give to kulstoffragmenter i form af acetylgruppen i acetyl-coenzym A (acetyl-CoA). I det andet trin oxideres acetylgrupperne i mitokondrier i citronsyrecyklussen, hvor elektronerne overføres til elektronbærerne nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD), som er B3-vitaminafhængigt, og flavin-adenin-dinukleotid (FAD), som er B2-vitaminafhængigt. I respirationens tredje fase overføres elektronerne til ilt via elektrontransportkæden (ETC) i mitokondrier, og deres energi bruges til at drive produktionen af ATP ved en proces kaldet oxidativ fosforylering (OXPHOS) .
Glycolyse er en del af det første trin af celleatmningen: Det er den vej, der oxiderer glukose. Glykolysen genererer molekylet pyruvat, som derefter omdannes til acetyl-CoA, der anvendes i det andet trin af den cellulære respiration.
Cellulær respiration er som en meget langsom forbrændingsreaktion: den forbrænder brændstoffer for at generere energi, idet den forbruger ilt og frigiver kuldioxid og varme i processen.
Figur 1: Metabolisk udvinding og lagring af energi fra fødevarer. Kilde: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.1 Oversigt over metaboliske reaktioner. Licens CC BY 4.0.
Hvad er glukose? Hvorfor er glykolysen vigtig?
Glukose er et kulhydrat. Kulhydrater er en type biomolekyler, der består af kulstof, brint og ilt, og som omfatter sukkerarter, stivelse og cellulose. Mere specifikt er glukose et monosakkarid, den enkleste form for sukker og den mest grundlæggende type kulhydrat.
Vi får glukose i kosten fra nedbrydningen af komplekse kulhydrater, som f.eks. stivelse, der består af flere til mange monosakkaridenheder, der er sat sammen (dvs. de er polysaccharider). Vi får også glukose fra nedbrydningen af enklere sukkerarter i kosten, såsom disakkarider (bestående af to monosakkaridenheder), som f.eks. omfatter saccharose eller laktose. Andre monosakkarider, som f.eks. fruktose eller galaktose, kan også bruges til energiproduktion, men de skal først omdannes til andre molekyler, der kan bruges i glukosestofskiftet .
Glykolyse er vigtig, fordi det er den stofskiftevej, hvorigennem glukose genererer celleenergi. Glukose er den vigtigste energikilde for alle levende organismer. I menneskekroppen er glukose det foretrukne brændstof for langt de fleste celler: det er det eneste brændstof, som røde blodlegemer kan bruge, det foretrukne brændstof, som hjernen bruger under ikke-sultforhold, og det vigtigste brændstof, som musklerne bruger under anstrengende træning.
Glukose er så vigtigt, at vores krop har flere mekanismer til at sikre, at blodsukkerniveauet holdes relativt konstant, så hjernen altid er tilstrækkeligt forsynet med glukose. Efter et måltid øger stigningen i blodsukkeret frigivelsen af bugspytkirtelhormonet insulin, som igen stimulerer optagelsen af glukose i vævene, hovedsageligt leveren og skeletmuskulaturen, og glukoseopbevaring i form af glykogen. Mellem måltiderne øger et fald i blodglukoseniveauet frigivelsen af bugspytkirtelhormonet glukagon, som igen stimulerer nedbrydningen af glykogenlagrene til glukose og frigivelsen heraf i blodet. Glykogendepoterne mobiliseres også, når glukose bruges til at støtte fysisk aktivitet.
Glukose, som er et kulhydrat, er den vigtigste energikilde for de fleste celler. Dens blodniveauer holdes relativt konstante for at sikre en stabil forsyning til hjernen.
Glukose oxideres i glykolyse for at producere ATP
Glykolyse finder sted i cellernes flydende matrix (cytosol) i en sekvens af ti reaktioner fordelt på to trin. I det første trin spaltes glukose (som har seks kulstofatomer) i to fragmenter med tre kulstofatomer i en proces, der faktisk forbruger ATP for at forberede glukose til nedbrydning. I anden fase oxideres hvert af de tre kulstoffragmenter til et molekyle kaldet pyruvat i en proces, der producerer ATP.
Elektroner, der udvindes i oxidationsreaktionerne, overføres til NAD+, et redoxmolekyle, der transporterer elektroner til den mitokondriske elektrontransportkæde (ETC) for at producere mere ATP gennem oxidativ fosforylering (OXPHOS).
Figur 2: Glykolyse. Kilde: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Glykolyse er den metaboliske vej, der nedbryder glukose for at producere ATP.
Glykolysens første fase bruger ATP
Glukose kan nemt komme ind og ud af cellerne gennem membrantransportører. En simpel strukturel ændring er imidlertid nok til at holde det inde i cellerne for at blive metaboliseret: tilføjelsen af en kemisk struktur kaldet fosforylgruppe (et fosforatom med tre tilknyttede oxygenatomer) i en reaktion kendt som fosforylering. Glykolysen begynder med at gøre netop dette: den fosforylerer glukose og fastholder det inde i cellerne.
Glukosefosforylering udføres af et enzym kaldet hexokinase, som tager en fosforylgruppe fra ATP og overfører den til glukose, hvorved der dannes glukose-6-fosfat (se trin 1 i figur 3) . Hexokinase tilhører en familie af enzymer, der kaldes kinaser (som er en klassifikation af enzymer, der fosforylerer et substrat ved hjælp af en fosforylgruppe fra ATP eller omvendt). Alle kinaseenzymer kræver magnesium til deres aktivitet. Derfor spiller magnesium en vigtig rolle i denne reaktion. Faktisk har magnesium en nøglerolle i glykolyse generelt, fordi det er en cofaktor for alle kinaser, der deltager i denne vej . En af hovedårsagerne til, at Qualia Life (tidligere kaldet Eternus) indeholder magnesium, er at støtte glykolysereaktioner.
I de næste trin i glykolysen omdannes glukose-6-fosfat til fructose-6-fosfat (trin 2, figur 3), som igen fosforyleres igen for at give fructose-1,6-bisfosfat (trin 3, figur 3). Denne anden fosforylering udføres af en anden kinase (phosphofructokinase) ved hjælp af endnu et ATP-molekyle og magnesium som cofaktor. Dette sekskulstofmolekyle spaltes derefter i to trekulstofmolekyler (trin 4, figur 3), som er forskellige, men indbyrdes omdannelige (trin 5, figur 3); glyceraldehyd-3-fosfatformen anvendes i anden fase af glykolysen .
Figur 3: Første fase af glykolysen. Kilde: OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
Det første trin af glykolysen bruger ATP til at forberede glukose til nedbrydning; det er en investering af ATP, der vil betale sig.
Glykolysens andet trin producerer ATP
Den første reaktion i det andet trin omdanner glyceraldehyd-3-fosfat til 1,3-bisfosfoglycerat (trin 6, figur 4) . Denne reaktion omfatter to koblede processer: en oxidation og en tilsætning af fosfat. Oxidationsreaktionen uddrager to elektroner fra glyceraldehyd-3-fosfat, som overføres til redoxmolekylet NAD+ (der stammer fra vitamin B3), hvorved det reduceres til NADH-formen. I det næste trin produceres 3-fosfoglycerat af en anden kinase (fosfoglyceratkinase, med magnesium som cofaktor) med samtidig produktion af ATP (trin 7, figur 4). Qualia Life understøtter disse reaktioner ved at tilføre magnesium og B3-vitamin i form af niacinamid og nikotinsyre .
I de næste to trin omdannes 3-fosfoglycerat (trin 8, figur 4) og dehydreres derefter (trin 9, figur 3) til phosphoenolpyruvat. I det sidste trin af glykolysen omdannes fosfenolpyruvat til pyruvat, og der produceres endnu et ATP-molekyle ved hjælp af pyruvatkinase med magnesium som cofaktor (trin 10, figur 4).
I andet trin dannes der to ATP-molekyler ud fra hver tre-kulstofenhed, hvilket betyder, at hvert glukosemolekyle giver fire ATP-molekyler. Da der i første fase af glykolysen anvendes to ATP-molekyler til at forberede glukose til nedbrydning, er nettoresultatet af glykolysen produktion af to ATP-molekyler pr. glukosemolekyle.
Denne mekanisme til ATP-produktion kaldes fosforylering på substratniveau. Den bruger den kemiske energi, der frigives ved omdannelse af et substrat med højere energi til et produkt med lavere energi, til at drive overførslen af en fosforylgruppe til produktion af det højenergimolekyle ATP. Fosforylering på substratniveau er en hurtigere, men mindre effektiv kilde til ATP. Den har også den omkostning, at den bruger én NAD+, som bliver til NADH. Som vi vil se i del 4 af denne serie, genereres det meste ATP ved oxidativ fosforylering, og NAD+ vil blive genvundet i løbet af dette sidste trin af celleånding.
Figur 4: Den anden halvdel af glykolysen. Kilde: OpenStax, Biology; 7.2 Glycolysis.
License CC BY 4.0.
Den anden fase af glykolysen genererer pyruvat, NADH og ATP; nettoresultatet af glykolysen er produktion af to ATP-molekyler pr. glukosemolekyle, men på bekostning af et NAD+.
Pyruvat produceret i glykolyse giver acetyl-CoA i mitokondrier
Glykolyse giver kun en brøkdel af den ATP, der kan produceres ved fuldstændig oxidation af glukose. Det skyldes, at de pyruvatmolekyler, der produceres i glykolysen, stadig kan oxideres yderligere. Det er i de følgende veje i cellens energiproduktion, citronsyrecyklusen og OXPHOS, at langt størstedelen af ATP-produktionen finder sted.
Mens glykolysen finder sted i cytosolen, finder citronsyrecyklus og OXPHOS sted i mitokondrier . Derfor transporteres pyruvat, slutproduktet af glykolysen, ind i mitokondrierne, hvor det omdannes til to kulstoffragmenter – acetyl-enheder – og kuldioxid (CO2). I denne reaktion, der udføres af en klynge af enzymer kaldet pyruvatdehydrogenase-komplekset, overføres de elektroner, der udvindes fra pyruvat, til NAD+ og reducerer det til NADH. Acetyl-enheder overføres til coenzym A (CoA, der stammer fra pantothensyre, dvs. vitamin B5) for at danne acetyl-CoA, som er det molekyle, der leverer to-kulstof-enheder til citronsyrecyklussen, hvor de vil blive yderligere oxideret. De elektroner, der udvindes fra hver acetyl-enhed, vil derefter blive brugt til at generere ATP gennem OXPHOS.
Figur 5: Pyruvatoxidation. Kilde: OpenStax, Anatomy and Physiology; 24.2 Carbohydrate Metabolism.
License CC BY 4.0.
Den mitokondrielle omdannelse af pyruvat til acetyl-CoA er bindeleddet mellem glykolysen og citronsyrecyklusen. Dette er en vigtig reaktion, der kræver flere cofaktorer: CoA (afledt af pantothensyre), NAD+ (syntetiseret fra forbindelser med vitamin B3-aktivitet eller ved at bruge L-tryptofan som substrat og vitamin B6 som cofaktor), FAD+ (flavinadenindinukleotid, afledt af vitamin B2, dvs. riboflavin), coenzymet thiaminpyrofosfat (afledt af vitamin B1, dvs. thiamin) og liponsyre .
Qualia Life understøtter disse reaktioner ved at tilføre Niacinamid og nikotinsyre (vitamin B3) , Riboflavin (vitamin B2) , Pantothensyre (vitamin B5) , Thiamin HCl (vitamin B1) , Pyridoxal-5′-Phosphat (vitamin B6) , Lipoinsyre , L-Tryptofan og Magnesium .
Pyruvat omdannes til acetyl-CoA i mitokondrier; dette trin forbinder glykolysen med citronsyrecyklussen og oxidativ fosforylering. Det koster en NAD+-enhed (som senere vil blive genvundet).
NADH produceret i glykolyse genererer ATP i mitokondrier
NAD+ er et redoxmolekyle, der transporterer elektroner til den mitokondriske elektrontransportkæde (ETC) for at producere ATP gennem OXPHOS. Ved oxidationen af hvert glukosemolekyle til acetyl-CoA anvendes fire NAD+-molekyler, som hver modtager to elektroner og bliver til NADH-formen. Da NAD+ er et centralt element i ATP-produktionen, er det vigtigt, at cellerne opretholder en pulje af NAD+ til rådighed til at modtage elektroner .
Qualia Life indeholder et sæt ingredienser, der understøtter opreguleringen af NAD+-puljen i cellerne. Disse omfatter drueproanthocyanidiner (i drueekstrakt, BioVin®) , Resveratrol (i drueekstrakt, BioVin®) , Coenzym Q10 og Lipoinsyre .
NADH transporterer elektroner til mitokondriernes elektrontransportkæde for at producere ATP gennem oxidativ fosforylering. NAD+ regenereres i processen.
Hvordan glukosemetabolisme påvirker aldring
Glukose og andre monosakkarider har evnen til at reagere med aminogrupper i proteiner, lipider og nukleinsyrer for at producere en strukturel modifikation kaldet ikke-enzymatisk glykation. Disse modificerede molekyler kaldes avancerede glycation end-products (AGE’er), og de mister deres funktion – de er beskadigede molekyler.
AGEs nedbrydes normalt af cellulære kvalitetskontrolmekanismer, men de kan ophobes i væv. AGE-produktionen øges f.eks. ved længere tids udsættelse for høje blodglukoseværdier. AGE-nedbrydningen falder med alderen som følge af det gradvise tab af metabolisk effektivitet og cellulære forsvarsmekanismer .
AGE-akkumulering er en vigtig aktør i aldring og i udviklingen af aldersrelaterede dysfunktioner. F.eks. kan proteinglykation bidrage til stivning af blodkar og til den neurodegenerative aggregering af proteiner i hjernen. Desuden kan AGE’er ud over at være beskadigede molekyler aktivere signalveje, der bidrager til vævsdysfunktion ved at øge oxidativt stress og produktionen af andre skadelige molekyler .
Derfor er effektiviteten af kulhydratmetabolismen vigtig, ikke kun for produktionen af cellenergi, men også for minimeringen af cellulære skader i forbindelse med glykation. Hvis sukkerstoffer ikke anvendes i cellernes energibaner, kan de reagere med proteiner, fedtstoffer og andre molekyler og bidrage til usund aldring. Af disse grunde er det vigtigt at støtte glukosemetabolismen for at hjælpe vores krop med at beskytte sig mod ophobning af AGE’er.
Aldersrelateret tab af effektivitet i glukosemetabolismen og cellulære forsvarsmekanismer kan føre til ophobning af skadelige avancerede glycation end-products (AGE’er).
Hvorfor det er vigtigt at støtte glukosemetabolismen/glykolyse
Support af glukosemetabolismen bidrager til at opretholde et sundt glykolytisk flow. Dette er først og fremmest afgørende, fordi glukose er den vigtigste energikilde for vores celler og væv. Et sundt kulhydratmetabolisme er vigtigt for en effektiv produktion af ATP til at drive biologiske processer.
Et effektivt glukosemetabolisme er også grundlæggende for opretholdelsen af et sundt blodsukkerniveau. Blandt andre fordele (som f.eks. sund insulinsignalering) er dette med til at mindske sandsynligheden for skadelige glykeringsreaktioner af proteiner og fedtstoffer.
Glukosemetabolisme kan understøttes ved at tilvejebringe forløbere for de cofaktorer, der deltager i glykolyse og acetyl-CoA-produktion. Som vi har set, leverer Qualia Life disse ingredienser. Qualia Life indeholder også ingredienser, der understøtter glukoseregulerende enzymer, såsom Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% ursolsyre) . Desuden indeholder Qualia LIfe også ingredienser, der understøtter cellulære kvalitetskontrolveje, der fungerer for at beskytte mod AGE’er. Disse omfatter Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract og Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% ursolsyre) .
J.M. Berg, J.L. Tymoczko, G.J. Gatto, L. Stryer, eds., 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.