Kulhydrater

Kulhydrater kan opdeles i tre hovedgrupper – monosakkarider, disakkarider og polysakkarider. Generelt for alle kulhydrater er, at de er opbygget af grundstofferne hydrogen (H), oxygen (O) og kulstof (C). De vigtigste monosakkarider er glukose, fruktose og galaktose, der alle kan optages i leveren. Di- og polysakkarider er opbygget af monosakkarider, der er bundet sammen af glykosidbindinger. Hvor der i disakkarider er to monosakkarider bundet sammen, kan der i polysakkarider være flere tusinde monosakkarider bundet sammen. Stivelse og glykogen er vigtige former for polysakkarider.

Glykolysen

Når der skal frigives energi fra det kulhydrat, vi har indtaget, starter frigivelsen i glykolysen. Glykolysen foregår i cellernes cytoplasma, og den kræver ikke ilt til at forløbe. Derfor er det den fælles indgangsport til omdannelsen af glukose. Glukosen omdannes til pyruvat i glykolysen, uanset om den skal nedbrydes aerobt i Krebs’ cyklus og respirationskæden, eller om den skal omdannes til mælkesyre eller ethanol ved gæring. Bruttoligningen for glykolysen lyder:

C6H12O6 + 2 P + 2 ADP + 2 NAD+ 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH2 + 2 H2O

I glykolysen bliver coenzymet NAD+ forbrugt, og for at glykolysen kan fortsætte, skal dette coenzym blive gendannet. Måden NAD+ gendannes på, er at NADH2 skal af med hydrogenet igen ved en oxidation. Denne proces foregår lettest under aerobe forhold, eftersom NADH2 afgiver H-atomerne til O2 i respirationskæden – på denne måde dannes meget ATP. I anaerobe forhold bliver H-atomerne i stedet leveret tilbage til pyruvaten, hvorefter der dannes mælkesyre i stedet for yderligere ATP i Krebs’ cyklus og respirationskæden. Glykolysen kan opdeles i 10 reaktioner.
Det første der sker i glykolysen er, at glukosen omdannes til glukose-6-fosfat, da der påsættes en fosfatgruppe på C-atom nr. 6. Denne proces kræver energi, da fosfatgruppen kommer fra ATP. Reaktionen katalyseres af en kinase kaldet hexokinase, der kræver Mn2+ for at fungere.
Herefter omdannes glukose-6-fosfatet til fruktose-6-fosfat ved en molekyleomlejring til en anden isomer. Enzymet, der bruges i denne proces er isomerasen fosfoglukose-isomerase.
I næste trin af reaktionen påsættes endnu en fosfatgruppe kommende fra et nyt ATP-molekyle. Fosfatgrupperne sidder på to forskellige C-atomer, derfor kaldes det dannede produkt fruktose-1,6-bifosfat. Igen er det en kinase, der katalyserer processen, denne kaldes fosfofrukto-kinase.
I denne reaktion bliver C6-molekylet spaltet af lyasen aldolase til to mindre C3-molekyler, som er isomerer af hinanden. De to dannede stoffer kaldes dihydroxyacetone-fosfat og glycerolaldehyd-3-fosfat.

Den netop dannede dihydroxyacetone-fosfat bliver her omdannet til endnu et glycerolaldehyd-3-fosfat-molekyle, da det ellers ikke ville kunne gå videre i glykolysen. Det er blot en omlejring, der sker, eftersom de to stoffer er isomerer. Igen er det en isomerase der står for omdannelsen, denne er kaldet triosefosfat-isomerase.

Hvert af glycerolaldehyd-3-fosfat-molekylerne optager en fosfatgruppe og afgiver samtidigt to H-atomer til coenzymet NAD+. De omdannes hermed til 1,3-bifosfoglycerat. Fosfatgrupperne leveres fra fosforsyre (H3PO4), der findes i cytoplasmaet. Egentlig er det også fosforsyren, der donerer det ene hydrogenatom til NAD+. Enzymet der katalyserer denne proces er en oxido-reduktase, da der sker en dehydrogenering, kaldet glyceralaldehyd-3-fosfat-dehydrogenase.

For første gang i glykolysen dannes nu ATP, da der overføres en fosfatgruppe til ADP. Der dannes to 3-fosfoglycerat og to ATP i dette trin, der katalyseres af enzymet fosfoglycerat-kinase. Da der allerede er blevet brugt to ATP i hhv. trin 1 og 3, er ATP-regnskabet indtil videre nul.

Her sker der endnu en omstrukturering af de eksisterende molekyler, hvor fosfatgrupperne flyttes fra C-atom nr. 3 til C-atom nr. 2. Isomerasen fosfoenolglycerat-mutase katalyserer denne proces, og der dannes to 2-fosfoglycerat.

Nu fraspaltes der H2O fra 2-fosfoglycerat-molekylerne, så der dannes en dobbeltbinding, hvorefter to 2-fosfoenolpyruvat dannes. Enzymet, der bruges her, er en lyase, kaldet enolase.

Fosfoenolpyruvat er ustabilt, og afgiver derfor sin fosfatgruppe til ADP, hvorved der i alt dannes 2 ATP og 2 pyruvat. Det er enzymet pyruvat-kinase, der katalyserer denne proces.

I alt dannes der fire mol ATP pr. mol glukose i glykolysen, hvoraf to mol er blevet brugt undervejs. Udover de to mol ATP, der dannes, bliver der også dannet to mol NADH2, der kan bruges i respirationskæden.

Den oxidative decarboxylering

Under aerobe forhold vil de to pyruvat-molekyler fra glykolysen blive transporteret fra cytoplasmaet og ind i mitokondriets indre rum (matrix). De bliver her forsynet med en sidegruppe i form af coenzym A (H-S-CoA), hvor der samtidigt bliver fraspaltet CO2 (decarboxylering) og hydrogen (dehydrogenering). Under denne proces bruges et enzymkompleks bestående af tre enzymer og fem forskellige coenzymer. De fraspaltede hydrogenatomer bliver optaget af hvert sit NAD+-molekyle, der reduceres til NADH. NADH bliver senere brugt i respirationskæden. Pyruvatmolekylerne fra glykolysen er derfor blevet til hvert sit acetyl-CoA-molekyle under processen oxidativ decarboxylering.

Krebs’ cyklus

De to dannede acetyl-CoA-molekyler bliver nu brugt i Krebs’ cyklus og senere i respirations-kæden. Det overordnede resultat bliver, at acetylgrupperne (som stammer fra glukose) bliver nedbrudt til CO2 og vand under dannelse af ATP.
Krebs’ cyklus består af en serie af reaktioner, der pga. nedbrydningen af acetylgrupperne i acetyl-CoA danner lidt ATP. Det dannede ATP forekommer i form af GTP. Udover den smule ATP der dannes, optager NAD+ og FAD hydrogenatomer, hvorved der også dannes nogle reducerede coenzymer. Nedbrydningen af acetylgrupperne sker ved decarboxylering, hvor CO2 bliver fraspaltet. De reducerede coenzymer (NADH2, NADH og FADH2) indgår herefter i respirationskæden, hvor de vil danne meget ATP. Krebs’ cyklus danner energimæssigt kun to mol ATP (GTP) pr. mol glukose. Dog forbruges de stoffer der indgår i Krebs’ cyklus ikke, og de kan derfor anvendes igen og igen. Som i glykolysen er det kun coenzymerne, der ikke bliver gendannet. Bruttoligningen for Krebs’ cyklus ser således ud:
2 Acetyl-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 P + 6 H2O 4 CO2 + 2 NADH2 + 4 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP + 2 CoA + 4 H+

Respirationskæden

For at glykolysen og Krebs’ cyklus kan fortsætte med at forløbe, skal respirationskæden gendanne de nødvendige coenzymer NAD+ og FAD. Dette sker ved en reaktion mellem den atmosfæriske ilt og hydrogen fra coenzymerne, hvorved der dannes vand. Der frigives meget energi ved denne reaktion (dvs. den er exoterm), hvilket også bruges til dannelse af ATP i respirationskæden. Den ilt vi optager via lungerne, bliver altså først brugt, når vi når til respirationskæden. Det der sker, er, at ilten bliver reduceret pga. reaktion med hydrogenatomerne, mens coenzymerne bliver oxideret tilbage til deres oprindelige former – NAD+ og FAD, hvorefter det hele kan starte forfra.

Den frigivne energi bliver nu brugt til at danne ATP ud fra ADP og en fri fosfatgruppe. Dette sørger en række redox-reaktioner for, hvori de reducerede coenzymer afgiver deres hydrogen-atomer til respirationskæden. Den trinvisse aflevering af hydrogenatomer til O2 medfører, at energien afgives i passende små mængder. Det der sker, er, at hydrogenkernene (protonerne) adskilles fra elektronerne, hvorefter de begge går gennem en række enzymer og elektron-transportører. I slutningen af respirationskæden finder elektronerne igen sammen med hydrogenkernerne og med O2, der tilsammen danner vand, som bl.a. afgives via udåndingsluften.

Når eletronerne vandrer gennem enzymkomplekserne, der er placeret langs den indre membran i mitokondriet, bliver der frigjort nok energi til, at H+-protonerne kan pumpes ud i mellemrummet mellem mitokondriets to membraner. Pga. elektronvandringen vil der opstå en H+-gradient (pH-forskel) over mitokondriets indre membran. Dette skaber en forskel i proton-koncentrationen mellem de to sider af membranen. Dog ledes de udpumpede protoner efterfølgende tilbage til mitokondriets matrix vha. ATP-ase-enzymer. Denne tilbageførsel bliver både drevet af koncentrationsforskellen mellem de to sider af membranen, der pga. diffusion forsøges udlignet, samt pga. de positivt ladede protoner bliver tiltrukket af det negativt ladede matrix. Denne protonstrøm tilbage gennem membranen frigiver yderligere energi, der også bruges til ATP dannelse ud fra ADP + P.

Det meste af den energi der ligger gemt i glukose, bliver altså i sidste ende omdannet til ATP-molekyler. ATP er alle levende cellers energikilde, hvilket giver et fælles træk for alt levende på jorden. ATP indeholder meget potentiel energi, eftersom de negative ladninger i fosfatgrupperne vil frastøde hinanden, hvis de kovalente bindinger brydes. Det der sker i ATP-asen er, at den danner en kovalent binding mellem det meget frastødende negativt ladede ADP og fosfatgruppen. Denne kovalente binding kan holde ATP-molekylet sammen, selvom det er ved at blive splittet ad pga. de elektriske kræfter. Den energi, der er bundet i ATP, kan nu blive brugt overalt i kroppen. Dette sker ved, at et enzym bryder den kovalente binding mellem ADP og P, hvorefter f.eks. en muskel får energi til bevægelse. Tilsvarende bruges ATP til alle energikrævende processer i kroppen.

Der dannes et antal ATP-molekyler, hver gang et glukosemolekyle respireres. Dog er det kun omkring 32% af energien fra glukosen, der opfanges i ATP-molekylerne, da resten af energien tabes som varme.

Fra et mol glukose bliver der dannet to mol ATP i glykolysen, hvor Krebs’ cyklus danner to GTP, der kan sidestilles med ATP. I Krebs’ cyklus dannes der også FADH2, der hvert omsættes til 1,5 mol ATP. Hvert mol NADH2 og NADH kan omsættes til 2,5 mol ATP. Hvert mol NADH, der er dannet i den oxidative decarboxylering giver også 2,5 mol ATP. Dog giver de mol NADH2, der er dannet under glykolysen, kun 1,5 mol ATP, idet coenzymet aktivt skal transporteres ind i mitokondriet, hvilket koster energi. Alt i alt bliver der dannet 30 mol ATP i almindelige celler og 32 ATP i hjertet og leveren, ud fra hvert mol glukose.

Mælkesyre

Mælkesyregæring bliver primært benyttet i celler, der ikke har tilstrækkelig iltforsyning – dette er for det meste i forbindelse med hårdt muskelarbejde. Hvis der ikke er tilstrækkelig iltforsyning, kan pyruvaten fra glykolysen ikke blive decarboxyleret og derfor heller ikke indgå i Krebs’ cyklus og respirationskæden. I stedet for omdannelse til meget ATP, bliver pyruvaten omdannet til laktat. Grunden til pyruvat ikke er slutproduktet under anaerobe forhold er, at glykolysen derfor ville mangle coenzymet NAD+. Glykolysen kan ikke forløbe uden NAD+. Det er derfor afgørende, at NAD+ bliver gendannet, hvilket er det, der sker under pyruvats omdannelse til laktat. Dog omdannes pyruvaten først til mælkesyre, der umiddelbart efter fraspalter en proton og bliver til laktat. Dvs. laktat er en syrerest af mælkesyre. Enzymet, der katalyserer denne proces, kaldes enten en laktat-dehydrogenase, mælkesyre-dehydrogenase eller pyruvat-hydrogenase. Glykolysen kan forsætte et stykke tid under anaerobe forhold, da hydrogen-doneren til pyruvat er det reducerede coenzym NADH2, der dannes under glykolysens reaktion nr. 6. I samme reaktion bruges NAD+, som mælkesyregæring gendanner.

Deponering af kulhydrater

Monosakkarider bliver oplagret som polysakkaridet glykogen i både leveren og musklerne. Som hovedregel kan der være en ca. fem gange højere koncentration af glykogen i leveren end i musklerne. Dog vil muskeldepoterne totalt set være større, idet en større del af kropsvægten udgøres af muskler. Glukose bliver omdannet til glykogen via en polymerisation, der bliver katalyseret af enzymet glykogensyntase. Enzymet sætter glukosemolekylet på glykogen, hvorefter glykogenmolekylet vil vokse med en monomer. Når cellerne har brug for glukose, kan glykogen spaltes igen af enzymet glykogenfosforylase. Dette enzym sætter en fosfatgruppe på glukosen, hvorefter glukosen bliver ”klippet” fra. Herved frigøres glukosen som glukose-6-fosfat, der ikke kan trænge igennem cellemembranens glukosetransportør. Derfor kan den kun bruges i cellen. I modsætning til muskelcellerne, indeholder levercellerne enzymet glukose-6-fosfatase, der kan spalte fosfatgruppen fra glukosen. Herefter kan glukosen udskilles til blodet, og blodsukker-koncentration stiger. Opbygningen og nedbrydningen af glykogen foregår uafhængigt af hinanden, hvilket betyder, at levercellerne kan styre blodsukkerkoncentrationen.

Ved et overskud af glukose i blodet, bliver cellerne i bugspytkirtlen aktiveret til at udskille hormonet insulin i blodet. Insulinet stimulerer muskel- og levercellerne til at optage glukose og oplagre det som glykogen. Når blodsukkerniveauet derimod bliver for lavt, bliver der igen spaltet glykogen fra leveren, som frigøres til blodet. Denne regulering styres bl.a. af homonerne glukagon, der aktiverer glykogenspaltningen i leveren, og adrenalin der stimulerer glykogenspaltningen i musklerne, når de arbejder. Adrenalinen bliver produceret i binyremarven. Blodsukker-koncentrationen bliver opretholdt på et konstant niveau mellem 4,4 og 6,7 mmol/l.