Ce este glicoliza? Unde are loc glicoliza, definiția și etapele căii glicolizei.
Obiective cheie de învățare
- Învățați despre căile de descompunere și oxidare a glucozei
- Descoperiți cum contribuie metabolismul glucozei la producția de energie celulară
- Învățați cum metabolismul glucozei este asociat cu procesul de îmbătrânire
- Descoperiți cum poate fi susținut metabolismul glucozei
Ce este glicoliza?
Glicoliza este calea metabolică care descompune glucoza din carbohidrați pentru a produce energie celulară sub formă de ATP. Glicoliza generează ATP în mod direct, ca produs al reacțiilor chimice ale căii, și indirect, folosind energia generată de electronii extrași din legăturile chimice ale glucozei. Acești electroni sunt transportați de molecula NAD către lanțul mitocondrial de transport al electronilor, unde sunt utilizați pentru a alimenta producerea de ATP prin fosforilare oxidativă (OXPHOS).
În acest articol, vom analiza mai în detaliu aceste procese. Dar, înainte de a face acest lucru, este important să trecem în revistă câteva concepte care ne vor ajuta să înțelegem ce este glicoliza și rolul pe care îl joacă în metabolismul celular.
Glicoliza este o cale a metabolismului celular
Metabolismul este ansamblul de reacții chimice care susțin viața. Printre acestea se numără cele care ne permit să obținem energie din alimente și să folosim această energie pentru a sintetiza moleculele necesare pentru activitatea celulară. Metabolismul se împarte în două tipuri de procese: 1) catabolismul, setul de căi de degradare care descompun moleculele mari în molecule mai mici, eliberând energia stocată în legăturile chimice; și 2) anabolismul, setul de căi constructive de biosinteză care construiesc molecule mari din molecule mai mici și stochează energia celulară în legăturile lor chimice. Aceasta înseamnă că descompunerea alimentelor pentru a obține energie are loc prin reacții catabolice, în timp ce sinteza moleculelor celulare complexe din unități mai simple are loc prin reacții anabolice .
Energia conținută în alimente nu este disponibilă imediat pentru a fi utilizată de celule și trebuie transformată prin reacții metabolice într-o formă de energie pe care celulele o pot utiliza. Această formă este o moleculă numită adenozin trifosfat (ATP), „moneda energetică a celulei” comună tuturor sistemelor biologice. ATP este utilizat pentru tot felul de funcții biologice în toate tipurile de celule și țesuturi, inclusiv, de exemplu, pentru a alimenta contracția musculară sau pentru a susține activitatea neuronală.
Metabolismul este suma proceselor interconectate care necesită și consumă energie și care susțin viața.
Setul de reacții metabolice prin care energia este extrasă din nutrienți pentru a genera ATP se numește respirație celulară. În procesul de respirație, oxigenul (O2) este consumat și se produce dioxid de carbon (CO2), apă (H2O) și căldură. Energia este extrasă din nutrienți printr-un tip de reacții chimice numite reacții redox (de la reducere – obținerea de electroni + oxidare – pierderea de electroni). În reacțiile redox, electronii (particulele încărcate electric care orbitează în jurul nucleelor atomilor) sunt transferați de la o moleculă (care este oxidată) la alta (care este redusă). Prin urmare, spunem că, în respirația celulară, nutrienții sunt oxidați pentru a genera energie celulară sub formă de ATP.
Glucoza, obținută din descompunerea carbohidraților, și acizii grași, obținuți din descompunerea trigliceridelor (grăsimi), sunt principalii combustibili pe care celulele îi folosesc pentru a genera ATP; aminoacizii obținuți din descompunerea proteinelor sunt, de asemenea, utilizați, dar într-o măsură mai mică.
Respirația celulară are loc în trei etape majore. În prima, moleculele de combustibil sunt oxidate pentru a produce fragmente cu două atomi de carbon sub forma grupei acetil din acetil-coenzima A (acetil-CoA). În a doua etapă, grupările acetil sunt oxidate în mitocondrii în ciclul acidului citric, electronii fiind transferați la purtătorii de electroni nicotinamidă adenină dinucleotidă (NAD), care este dependentă de vitamina B3, și flavin adenină dinucleotidă (FAD), care este dependentă de vitamina B2. În cea de-a treia etapă a respirației, electronii sunt transferați la oxigen prin intermediul lanțului de transport al electronilor (ETC) din mitocondrii, iar energia lor este utilizată pentru a alimenta producerea de ATP printr-un proces numit fosforilare oxidativă (OXPHOS) .
Glicoliza face parte din prima etapă a respirației celulare: este calea care oxidează glucoza. Glicoliza generează molecula piruvat, care este apoi transformată în acetil-CoA pentru a fi utilizată în cea de-a doua etapă a respirației celulare.
Respirația celulară este ca o reacție de combustie foarte lentă: arde combustibili pentru a genera energie, consumând oxigen și eliberând dioxid de carbon și căldură în acest proces.
Figura 1: Extragerea și stocarea metabolică a energiei din alimente. Sursa: OpenStax, Anatomie și fiziologie; 24.1 Prezentare generală a reacțiilor metabolice. Licență CC BY 4.0.
Ce este glucoza? De ce este importantă glicoliza?
Glucoza este un carbohidrat. Carbohidrații sunt un tip de biomolecule alcătuite din carbon, hidrogen și oxigen care includ zaharuri, amidon și celuloză. Mai precis, glucoza este o monosacaridă, cea mai simplă formă de zahăr și cel mai de bază tip de carbohidrat .
Glucoza alimentară o obținem din descompunerea carbohidraților complecși, cum ar fi amidonul, alcătuit din mai multe sau mai multe unități de monosacaride unite între ele (adică sunt polizaharide). De asemenea, obținem glucoză din descompunerea unor zaharuri alimentare mai simple, cum ar fi dizaharidele (alcătuite din două unități de monosaharide), care includ zaharoza sau lactoza, de exemplu. Alte monosaharide, cum ar fi fructoza sau galactoza, pot fi, de asemenea, utilizate pentru producerea de energie, dar trebuie mai întâi să fie transformate în alte molecule care pot fi utilizate în căile metabolice ale glucozei .
Glicoliza este importantă deoarece este calea metabolică prin care glucoza generează energie celulară. Glucoza este cea mai importantă sursă de energie pentru toate organismele vii. În corpul uman, glucoza este combustibilul preferat pentru marea majoritate a celulelor: este singurul combustibil pe care îl pot folosi celulele roșii din sânge, combustibilul preferat folosit de creier în condiții de non-înfometare și principalul combustibil folosit de mușchi în timpul exercițiilor fizice intense.
Glucoza este atât de importantă încât organismul nostru dispune de mai multe mecanisme pentru a se asigura că nivelurile de zahăr din sânge sunt menținute relativ constante, astfel încât creierul să fie întotdeauna aprovizionat în mod adecvat cu glucoză. După o masă, creșterea glicemiei crește eliberarea de insulină, hormonul pancreatic, care, la rândul său, stimulează absorbția glucozei de către țesuturi, în principal de către ficat și mușchii scheletici, și stocarea glucozei sub formă de glicogen. Între mese, o scădere a nivelului de glucoză din sânge crește eliberarea hormonului pancreatic glucagon, care, la rândul său, stimulează descompunerea depozitelor de glicogen în glucoză și eliberarea acesteia în sânge. Depozitele de glicogen sunt, de asemenea, mobilizate atunci când glucoza este utilizată pentru a susține activitatea fizică.
Glucoza, care este un carbohidrat, este cea mai importantă sursă de energie pentru majoritatea celulelor. Nivelurile sale din sânge sunt menținute relativ constante pentru a asigura o aprovizionare constantă a creierului.
Glucoza este oxidată în glicoliză pentru a produce ATP
Glicoliza are loc în matricea fluidă a celulelor (citosolul) într-o secvență de zece reacții împărțite în două etape. În prima etapă, glucoza (care are șase atomi de carbon) este scindată în două fragmente cu trei atomi de carbon într-un proces care consumă de fapt ATP pentru a pregăti glucoza pentru degradare. În a doua etapă, fiecare fragment cu trei atomi de carbon este oxidat într-o moleculă numită piruvat, într-un proces care produce ATP.
Electronii extrași în reacțiile de oxidare sunt transferați la NAD+, o moleculă redox care transportă electronii către lanțul mitocondrial de transport al electronilor (ETC) pentru a produce mai mult ATP prin fosforilare oxidativă (OXPHOS).
Figura 2: Glicoliza. Sursa: OpenStax, Anatomie și fiziologie; 24.2 Metabolismul glucidelor.
Licență CC BY 4.0.
Glicoliza este calea metabolică care descompune glucoza pentru a produce ATP.
Prima etapă a glicolizei folosește ATP
Glucoza poate intra și ieși cu ușurință din celule prin intermediul transportatorilor membranari. Cu toate acestea, o simplă modificare structurală este suficientă pentru a o menține în interiorul celulelor pentru a fi metabolizată: adăugarea unei structuri chimice numite gruparea fosforil (un atom de fosfor cu trei atomi de oxigen atașați) într-o reacție cunoscută sub numele de fosforilare. Glicoliza începe prin a face exact acest lucru: fosforilează glucoza și o reține în interiorul celulelor.
Fosforilarea glucozei este efectuată de o enzimă numită hexokinază, care preia o grupare fosforil din ATP și o transferă la glucoză, producând glucoză 6-fosfat (vezi etapa 1 din figura 3) . Hexokinaza aparține unei familii de enzime numite kinaze (care reprezintă clasificarea enzimelor care fosforilează un substrat folosind o grupare fosforil din ATP sau invers). Toate enzimele kinaze au nevoie de magneziu pentru activitatea lor. Prin urmare, magneziul joacă un rol important în această reacție. De fapt, magneziul are un rol cheie în glicoliză în general, deoarece este un cofactor pentru toate kinazele care participă la această cale . Unul dintre principalele motive pentru care Qualia Life (denumit anterior Eternus) conține magneziu este acela de a susține reacțiile de glicoliză.
În următoarele etape ale glicolizei, glucoza 6-fosfat este transformată în fructoză 6-fosfat (etapa 2, figura 3), care la rândul său este fosforilată din nou pentru a produce fructoză 1,6-bisfosfat (etapa 3, figura 3). Această a doua fosforilare este efectuată de o altă kinază (fosfofructokinaza) folosind o altă moleculă de ATP și magneziu ca și cofactor. Această moleculă cu șase atomi de carbon este apoi scindată în două molecule cu trei atomi de carbon (etapa 4, figura 3), care sunt diferite, dar interconvertibile (etapa 5, figura 3); forma de gliceraldehidă-3-fosfat este utilizată în a doua etapă a glicolizei .
Figura 3: Prima etapă a glicolizei. Sursa: OpenStax, Biologie; 7.2 Glicoliza.
Licență CC BY 4.0.
Prima etapă a glicolizei utilizează ATP pentru a pregăti glucoza pentru degradare; este o investiție de ATP care va da roade.
A doua etapă a glicolizei produce ATP
Prima reacție a celei de-a doua etape transformă gliceraldehida 3-fosfat în 1,3-bisfosfoglicerat (etapa 6, figura 4) . Această reacție include două procese cuplate: o oxidare și o adăugare de fosfat. Reacția de oxidare extrage doi electroni din gliceraldehida 3-fosfat, care sunt transferați la molecula redox NAD+ (derivată din vitamina B3), reducând-o la forma NADH. În etapa următoare, 3-fosfogliceratul este produs de o altă kinază (fosfoglicerat kinaza, cu magneziu ca și cofactor), cu producerea concomitentă de ATP (etapa 7, figura 4). Qualia Life susține aceste reacții prin aportul de magneziu și vitamina B3 sub formă de niacinamidă și acid nicotinic .
În următoarele două etape, 3-fosfogliceratul este rearanjat (etapa 8, figura 4) și apoi deshidratat (etapa 9, figura 3) pentru a forma fosfoenolpiruvat. În etapa finală a glicolizei, fosfoenolpiruvatul este transformat în piruvat și o altă moleculă de ATP este produsă de piruvat kinaza folosind magneziu ca și cofactor (etapa 10, figura 4).
În a doua etapă, se generează două molecule de ATP din fiecare unitate de trei atomi de carbon, ceea ce înseamnă că fiecare moleculă de glucoză produce patru molecule de ATP. Având în vedere că prima etapă a glicolizei utilizează două molecule de ATP pentru a pregăti glucoza pentru descompunere, rezultatul net al glicolizei este producerea a două molecule de ATP pentru fiecare moleculă de glucoză .
Acest mecanism de producere a ATP se numește fosforilare la nivelul substratului. Acesta utilizează energia chimică eliberată prin transformarea unui substrat cu energie mai mare într-un produs cu energie mai mică pentru a alimenta transferul unei grupări fosforil pentru a produce molecula cu energie mare ATP. Fosforilarea la nivelul substratului este o sursă mai rapidă, dar mai puțin eficientă de ATP. De asemenea, vine cu costul utilizării unui NAD+, care devine NADH. După cum vom vedea în partea a 4-a a acestei serii, cea mai mare parte a ATP este generată prin fosforilare oxidativă, iar NAD+ va fi recuperat în timpul acestei etape finale a respirației celulare.
Figura 4: A doua jumătate a glicolizei. Sursă: Sursa: OpenStax, Biologie; 7.2 Glicoliza.
Licență CC BY 4.0.
A doua etapă a glicolizei generează piruvat, NADH și ATP; rezultatul net al glicolizei este producerea a două molecule de ATP per moleculă de glucoză, dar cu un cost de un NAD+.
Piruvatul produs în glicoliză produce acetil-CoA în mitocondrii
Glicoliza produce doar o fracțiune din ATP care poate fi produsă prin oxidarea completă a glucozei. Acest lucru se datorează faptului că moleculele de piruvat produse în glicoliză pot fi încă oxidate în continuare. În următoarele căi de generare a energiei celulare, ciclul acidului citric și OXPHOS, are loc marea majoritate a producției de ATP.
În timp ce glicoliza are loc în citosol, ciclul acidului citric și OXPHOS au loc în mitocondrii . Prin urmare, piruvatul, produsul final al glicolizei, este transportat în mitocondrii unde este transformat în fragmente cu două unități de carbon – unități acetil – și dioxid de carbon (CO2). În această reacție, realizată de un grup de enzime numit complexul piruvat dehidrogenază, electronii extrași din piruvat sunt transferați la NAD+, reducându-l la NADH. Unitățile de acetil sunt transferate la coenzima A (CoA, derivată din acidul pantotenic, adică vitamina B5) pentru a forma acetil-CoA, molecula care alimentează unitățile cu două atomi de carbon către ciclul acidului citric, unde vor fi oxidate în continuare. Electronii extrași din fiecare unitate de acetil vor fi apoi utilizați pentru a genera ATP prin OXPHOS.
Figura 5: Oxidarea piruvatului. Sursa: OpenStax, Anatomie și fiziologie; 24.2 Metabolismul glucidelor.
Licență CC BY 4.0.
Conversia mitocondrială a piruvatului în acetil-CoA este legătura dintre glicoliză și ciclul acidului citric. Aceasta este o reacție importantă care necesită mai mulți cofactori: CoA (derivat din acidul pantotenic), NAD+ (sintetizat din compuși cu activitate de vitamina B3 sau prin utilizarea L-triptofanului ca substrat și a vitaminei B6 ca și cofactor), FAD+ (flavin adenină dinucleotidă, derivată din vitamina B2, adică riboflavina), coenzima tiamină pirofosfat (derivată din vitamina B1, adică tiamina) și acidul lipoic .
Qualia Life susține aceste reacții prin furnizarea de niacinamidă și acid nicotinic (vitamina B3) , riboflavină (vitamina B2) , acid pantotenic (vitamina B5) , tiamină HCl (vitamina B1) , piridoxal-5′-fosfat (vitamina B6) , acid lipoic , L-triptofan și magneziu .
Piruvatul este transformat în acetil-CoA în mitocondrii; această etapă leagă glicoliza de ciclul acidului citric și de fosforilarea oxidativă. Ea vine cu un cost de o unitate de NAD+ (care va fi recuperată ulterior).
NADH produs în glicoliză generează ATP în mitocondrii
NAD+ este o moleculă redox care transportă electroni către lanțul mitocondrial de transport al electronilor (ETC) pentru a produce ATP prin OXPHOS. În oxidarea fiecărei molecule de glucoză în acetil-CoA, sunt utilizate patru molecule de NAD+, fiecare primind doi electroni și devenind forma NADH. Deoarece NAD+ este un element central în producția de ATP, este important ca celulele să mențină o rezervă de NAD+ disponibilă pentru a primi electroni .
Qualia Life conține un set de ingrediente care susțin creșterea rezervei de NAD+ în celule. Printre acestea se numără Proantocianidinele din struguri (în extractul de struguri, BioVin®) , Resveratrolul (în extractul de struguri, BioVin®) , Coenzima Q10 și acidul lipoic .
NADH transportă electroni către lanțul mitocondrial de transport al electronilor pentru a produce ATP prin fosforilare oxidativă. NAD+ este regenerat în acest proces.
Cum influențează metabolismul glucozei asupra îmbătrânirii
Glucoza și alte monosacaride au capacitatea de a reacționa cu grupele amino din proteine, lipide și acizi nucleici pentru a produce o modificare structurală numită glicare neenzimatică. Aceste molecule modificate se numesc produși finali de glicare avansată (AGE) și își pierd funcția – sunt molecule deteriorate.
AGEs sunt de obicei degradați de mecanismele de control al calității celulare, dar se pot acumula în țesuturi. Producția de AGE crește atunci când există o expunere prelungită la niveluri ridicate de glucoză în sânge, de exemplu. Degradarea AGE scade odată cu îmbătrânirea din cauza pierderii progresive a eficienței metabolice și a mecanismelor de apărare celulară .
Acumularea de AGE este un actor major în îmbătrânire și în dezvoltarea disfuncțiilor legate de vârstă. De exemplu, glicarea proteinelor poate contribui la rigidizarea vaselor de sânge și la agregarea neurodegenerativă a proteinelor din creier. Mai mult, pe lângă faptul că sunt molecule deteriorate, AGE pot activa căi de semnalizare care contribuie la disfuncția tisulară prin creșterea stresului oxidativ și a producției de alte molecule dăunătoare .
Prin urmare, eficiența metabolismului carbohidraților este importantă nu numai pentru producerea de energie celulară, ci și pentru minimizarea leziunilor celulare asociate cu glicarea. Dacă zaharurile nu sunt utilizate în căile energetice celulare, ele pot reacționa cu proteinele, grăsimile și alte molecule și pot contribui la îmbătrânirea nesănătoasă. Din aceste motive, este important să susținem căile metabolice ale glucozei pentru a ajuta organismul nostru să se protejeze împotriva acumulării de AGE.
Pierderea legată de vârstă a eficienței metabolismului glucozei și a mecanismelor de apărare celulară poate duce la acumularea de produși finali de glicație avansată (AGE) dăunători.
De ce este importantă susținerea metabolismului glucozei/glicolizei
Susținerea metabolismului glucozei contribuie la menținerea unui flux glicolitic sănătos. Acest lucru este crucial, în primul rând, deoarece glucoza este cea mai importantă sursă de energie pentru celulele și țesuturile noastre. Un metabolism sănătos al carbohidraților este important pentru o producție eficientă de ATP pentru a alimenta procesele biologice.
Un metabolism eficient al glucozei este, de asemenea, fundamental pentru menținerea unor niveluri sănătoase de zahăr în sânge. Printre alte beneficii (cum ar fi semnalizarea sănătoasă a insulinei, de exemplu), acest lucru ajută la scăderea probabilității reacțiilor dăunătoare de glicare a proteinelor și grăsimilor.
Metabolismul glucozei poate fi susținut prin furnizarea de precursori pentru cofactorii care participă la glicoliză și la producerea de acetil-CoA. După cum am văzut, Qualia Life furnizează aceste ingrediente. Qualia Life furnizează, de asemenea, ingrediente care susțin enzimele de reglare a glucozei, cum ar fi extractul de frunze de Rosmarinus officinalis (50% acid ursolic) . Mai mult, Qualia LIfe conține, de asemenea, ingrediente care susțin căile de control al calității celulare care funcționează pentru a proteja împotriva AGEs. Printre acestea se numără Sirtmax® Kaempferia parviflora Root Extract și Rosmarinus officinalis Leaf Extract (50% acid ursolic) .
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, în: G.D. Aurbach (Ed.), Vitamins & Hormones, Academic Press, 1991, pp. 165-228.
D.A. Bender, în: G.D. Aurbach (Ed.), Vitamins & Hormones, Academic Press, 1991, pp. 165-228: Nutritional Biochemistry of the Vitamins, Cambridge University Press, 2003, pp. 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.