Koolhydraten zijn een belangrijke brandstof voor het lichaam. Koolhydraten leveren ongeveer 17kJ (4kCal) per gram. Glucose kan zowel anaeroob in de glycolyse energie (ATP) produceren als aeroob in de citroenzuurcyclus (Krebscyclus) en electronentransportsysteem. Glucose kan in met name de lever en de spieren in de vorm van glycogeen worden opgeslagen (glycogenese). Een ruim overschot aan glucose wordt omgezet in vet (lipogenese). Bij een tekort aan glucose wordt glycogeen tot glucose afgebroken (glycogenolyse). Ook kan bij een tekort aan glucose in de lever uit lactaat, glycerol en glucogene aminozuren glucose worden gevormd (gluconeogenese).
Glycogenese: de vorming van glycogeen uit glucose
Wanneer er in het lichaam meer glucose aanwezig is, dan op dat moment nodig is, wordt het glucose als glycogeen opgeslagen in de lever en de spieren. Glycogeen is een polymeer (groot molecuul) van glucose (aan elkaar gekoppelde glucosemoleculen). Insuline speelt een belangrijke rol bij de vorming van glycogeen. Insuline zorgt er namelijk voor dat glucose door de cel wordt opgenomen. Insuline zorgt er namelijk voor dat de Glucosetransporter-4 (GLUT-4) naar het celmembraan gaat. GLUT-4 transporteert glucose vanuit het bloed de cel in. Daarnaast stimuleert insuline glucokinase in de levercellen en hexokinase in de andere cellen om uit glucose, glucose-6-fosfaat te maken, wat uiteindelijk omgezet wordt in glucose-1-fosfaat. Tenslotte stimuleert insuline glycogeensynthase. Glycogeensynthase is een enzym wat glucose-1-fosfaat aan elkaar koppelt tot glycogeen. Glycogeensynthase wordt ook gestimuleerd door de aanwezigheid van glucose-6-fosfaat. Glycogenese is een anabool proces en kost dus ook energie (ATP). Voor elk glucosemolecuul wat aan glycogeen gekoppeld wordt, moet 1 ATP ingezet worden.
Glycogenolyse: afbraak van glycogeen tot glucose
Glycogenolyse is een tegenovergesteld proces van de glycogenese. In de glycogenolyse wordt glycogeen afgebroken tot glucosemoleculen. Glycogeenfosforylase is een belangrijk enzym in de afbraak van glycogeen tot glucosemoleculen. Glycogeenfosforylase splitst 1 glucose van de glycogeenpolymeer af. Glycogeenfosforylase wordt gestimuleerd door de hormonen glucagon en adrenaline (epinefrine). Wanneer de bloedglucose te laag dreigt te worden, maakt de alvleesklier glucagon aan. Glucagon stimuleert glycogeenfosforylase, glycogeen wordt afgebroken tot glucose en het glucose wordt afgegeven aan het bloed. Glycogeenfosforylase wordt geremd door insuline.
Glycolyse: afbraak van glucose tot lactaat of pyruvaat (pyrodruivenzuur)
De glycolyse is een stofwisselingsproces waarin glucose wordt afgebroken tot pyruvaat en waarbij per glucosemolecuul 2 ATP vrijkomt. De glycolyse is echter niet alleen een stofwisselingsproces wat wordt ingezet om ATP te produceren. De glycolyse levert ook intermediaire stofwisselingsproducten ten behoeve van andere stofwisselingsprocessen. Zo levert de glycolyse glycerol wat nodig is voor de lipogenese. De glycolyse vindt plaats in het cytoplasma van de cel. De glycolyse bestaat uit 10 enzymatische reacties. De glycolyse bestaat per glucosemolecuul uit een reeks reacties waarbij in totaal 2 ATP wordt gebruikt en uit een reeks reacties waarbij in totaal 4 ATP vrijkomt. Netto ontstaan er dus 2 ATP. Ook ontstaan er per glucosemolecuul 2 NADH. Uit 1 NADH kan 2,5 ATP gevormd worden
Er zijn drie enzymen die de snelheid van de glycolyse reguleren. Deze enzymen zijn hexokinase (glucokinase in de lever), fosfofructokinase en pyruvaatkinase.
Hexokinase zet glucose wat opgenomen door de cel om in glucose-6-fosfaat. Bij een overmaat glucose-6-fosfaat wordt hexokinase geremd. Wanneer bijvoorbeeld de glycogeenvoorraad vol zit, hoopt glucose-6-fosfaat zich op in de glycolyse en wordt verdere glucose-opname van de cel geremd. In de lever komt glucokinase naast hexokinase voor. Glucokinase wordt niet door de ophoping van glucose-6-fosfaat geremd. Hierdoor ontstaat er uiteindelijk veel acetylCoA waar de lever vet van maakt. Fosfofructokinase speelt een kleine rol in de regulatie van de glycolyse.
Pyruvaatkinase zet fosfoenolpyruvaat om in pyruvaat. De werking van pyruvaatkinase wordt gestimuleerd door de aanwezigheid van fructose-1.6-difosfaat (een tussenproduct van de glycolyse), fosfoenolpyruvaat. ATP, citraat en alanine remmen pyruvaatkinase.
De rol van PyruvaatDeHydrogenase (PDH) in de koolhydraatstofwisseling
PDH is een onderdeel van PyruvaatDehydrogenaseComplex (PDC). PDC is een sleutelcomplex tussen de glycolyse en de citroenzuurcyclus. PDC zet pyruvaat om in acetylCoA. Met acetylCoA start de citroenzuurcyclus.
Wanneer er een tekort aan energie en dus weinig ATP, NADH (hieruit wordt 2,5 ATP gemaakt), acetylCoA aanwezig zijn en veel pyruvaat, ADP en NAD aanwezig zijn, wordt PDC gestimuleerd.
Wanneer er een overschot aan energie en dus veel ATP, NADH (hieruit wordt 2,5 ATP gemaakt), acetylCoA aanwezig zijn en weinig pyruvaat, ADP en NAD aanwezig zijn, wordt PDC geremd. Bij de vorming van acetylCoA ontstaat er 1NADH. Het acetylCoA wat gevormd wordt uit pyruvaat kan verder afgebroken worden in de citroenzuurcyclus, of er kunnen vetzuren uit gevormd worden.
Citroenzuurcyclus (Krebscyclus): afbraak van acetylCoA tot oxaalazijnzuur
De citroenzuurcylcus begint met acetylCoA en eindigt met oxaalazijnzuur en vindt plaats in de mitochondriën van de cel. De citroenzuurcyclus is echter een cyclus, wat dus impliceert dat de cyclus eigenlijk geen duidelijk begin, of einde heeft.
Uit het de citroenzuurcyclus binnenstromende acetylCoA en het uiteindelijke gevormde oxaalazijnzuur ontstaat weer citraat (citoenzuur; de naamgever van de cyclus). De citroenzuurcyclus bestaat uit 10 enzymatische reacties.
In de citroenzuurcyclus worden energierijke verbindingen gevormd. Zo ontstaan er in de citroenzuurcyclus 3 NADH, 1 FADH en 1 GTP. GTP is een stof die vergelijkbaar is met ATP. NADH en FADH worden in het electronentransportsysteem gebruikt om ATP uit te vormen.
Electronentransportsysteem (oxidatieve fosforylering): vorming van ATP uit NADH en FADH
De oxidatieve fosforylering vindt plaats in de mitochondriën van de cel. In de oxidatieve fosforylering worden de energierijke verbindingen van NADH en FADH gebruikt om uit ADP en P weer ATP te maken. Hiervoor wordt in de oxidatieve fosforylering het waterstof (H van NADH en FADH) gekoppeld aan zuurstof (O2) hierbij ontstaat veel energie en water (H2O). uit 1 NADH kunnen 2,5 ATP en uit 1 FADH kan 1,5 ATP gevormd worden. In de oxidatieve fosforylering wordt dus zuurstof gekoppeld aan waterstof, waarbij veel energie vrijkomt die gebruikt wordt om ATP te vormen.
Bij de volledige afbraak van 1 glucosemolecuul worden er 32 ATP’s gevormd. Voorheen dacht men dat er bij de volledige afbraak van 1 glucosemolecuul 38 ATP’s werden gevormd. Dit is echter onjuist. Bij de vorming van ATP uit NADH en FADH werd gedacht dat hier respectievelijk 3 en 2 ATP’s uit gevormd werden. Er lekt echter altijd wat energie uit de oxidatieve fosforylering weg, waardoor er 2,5 en 1,5 ATP’s uit respectievelijk NADH en FADH gevormd worden.
Lipogenese: vetvorming uit glucose
Wanneer de cel geen behoefte heeft aan energie en de glycogeenvoorraden vol zitten, wordt er uit glucose vet gevormd. Vetten (triglyceriden) bestaan uit glycerol en vetzuren. Het glycerol wordt in een van de enzymatische reacties van de glycolyse gevormd. Vetzuren worden gemaakt door acetylCoA-moleculen aan elkaar te koppelen. De gevormde vetzuren worden vervolgens aan glycerol gekoppeld. De lipogenese vindt plaats in het cytoplasma van de cel.
Gluconeogenese; nieuwvorming van glucose
Gluconeogenese is de nieuwvorming van glucose uit niet-koolhydraten. Gluconeogenese wordt gestimuleerd door het hormoon cortisol en vindt plaats in de lever. Bij de gluconeogenese kunnen lactaat, glycerol en glucogene aminozuren worden omgezet in glucose. Gluconeogenese vindt plaats wanneer er een tekort aan glucose is, of juist wanneer er een overmaat aan lactaat, glycerol en glucogene aminozuren is.
Bronnen:
JE. Hall, 2013, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2012, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2012, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings
