Energiskola 1: Glukos

Biokemi

Monosackarider
Glukos är en av de tre förekommande monosackariderna (enkla sockerarter) med den kemiska beteckningen C6 H12 O6. De övriga två monosackariderna fruktos och galaktos har samma kemiska beteckning. Det som skiljer dem åt är hur de olika atomerna sitter placerade i förhållande till varandra. Glukos och galaktos har en sexkantig ring, medan fruktos har en femkantig. Dessa strukturella skillnader mellan monosackariderna avgör de olika monosackaridernas egenskaper, bland annat sötma. Glukos i sig smakar lätt sött medan galaktos knappast smakar sött alls. Fruktos har en intensiv sötma som tydligt känns när du äter honung som just innehåller en relativt stor mängd glukos. Fruktosens sötma beror alltså på att fruktos struktur stimulerar tungans receptorer för sötma starkare än vad de andra monosackariderna gör. Fruktos stimulerar dessutom hunger kraftigare än glukos, bildar kelater (saltkristaller) kraftigare och stimulerar lipogenesen i levern (omvandlingen till fett). Det är lätt att tro att frukt och bär är de största källorna till fruktos i maten vi äter, men så är det inte. Den största källan till fruktos är det vanliga vita sockret där fruktos utgör 50% av innehållet. 

Disackarider
Disackarider är två sockerarter som sitter ihop. Glukos är alltid en av dem. Glukos + glukos kallas maltos (maltsocker), glukos + fruktos kallas sackaros (vitt socker) och glukos + galaktos bildar laktos (mjölksocker). I insektsvärlden finns ytterligare en intressant disackarid som heter trehalos. Trehalos består av två enheter glukos och utgör en mycket snabb energikälla och som kan förklara att insekter kan röra sina vingar med väldigt hög hastighet. 

Maltos:

maltos


Laktos:

laktos


Sackaros:

sackaros

Oligosackarider
Oligosackarider är glukoskedjor som består av 3-9 sockerarter. 

Polysackarider
Fler än 9 sammansatta glukosenheter benämns polysackarider. 

- glykogen
Glykogen är en polysackarid där glukosmolekylerna sitter ihop på ett högst oregelbundet sätt, lite likt ett nystan. Se bilden nedan. Det betyder att enzymer som hydrolyserar glykogen (nedbrytning där vatten bildas) kan komma åt på flera ställen samtidigt och därför är nedbrytningen av glykogen till glukos snabb. Glykogen finns inte i maten vi äter, förutom möjligen i mindre mängder i animaliskt kött, men glykogen hydrolyseras däremot fort efter slakt. På bilden ser du också hur glykogen hålls ihop av ett protein i mitten. 

Glykogen

-stärkelse
Medan människroppen lagrar glukos som glykogen lagrar växterna det som stärkelse i rader bestående av hundratals eller tusentals glukosenheter. Det finns olika stärkelsetyper:

     Amylos
Amylos är en stärkelsekedja som ringlar sig i öglor där enzymer inte lika fort kan bryta ner bindningarna. Amylos är därför generellt en långsammare stärkelart än amylopektin och glykogen.

   Amylopektin
Amylopektin är en stärkelseform som antar en tät struktur, vilket innebär att enzymer lätt kommer åt alla bindningar. 

Skillnaden i struktur mellan amylos, amylopektin och glykogen:

polysaccharides-structure

-fibrer
Fibrer är långa glukoskedjor med bindningstyper som vi människor inte har några matsmältningsenzymer för. Fibrer delas ofta in i lösliga och olösliga fibrer beroende på deras löslighet i vatten. Lösliga fibrer bildar en gelliknande konsistens i mag-tarmkanalen  och fermenteras enkelt av bakterier i tarmen. Olösliga fibrer bildar inget gel, och bidrar inte i lika stor utsträckning t som näring till tarmens bakterier. 

Nedbrytning
Nedbrytning av polysackarider börjar redan i munhålan. Enzymet amylas finns i saliven och börjar bryta ner bindningarna mellan de enskilda sockerarterna även om de inte hinner så långt innan maten sväljs ner i magsäcken. Men tuggar du tillräckligt länge kan du känna att stärkelserika livsmedel blir sötare i smaken, i takt med att glukosenheterna separeras. I munhålan kan faktiskt en liten mängd glukos tas upp direkt till kroppen genom de fina blodkärlen som finns i slemhinnan. Det finns studier som visar att en idrottare kan få en viss prestationshöjande effekt av att bara gurgla runt en sockerlösning i munnen utan att svälja den. Men huruvida den effekten kommer från den lilla mängd glukos som tas upp eller av den uppväckande söta smaken i sig är inte helt klarlagt. 

I magsäcken är amylas overksamt, eftersom det hämmas av den sura magsyran och pepsin. Det sistnämnda är enzymet som bryter ner protein. Den stora nedbrytningen sker i tolvfingertarmen, tunntarmens första del. Där utsöndras amylaser i bukspottet från bukspottskörteln och polysackarider bryts ner till mindre fragment av glukosenheter (dextriner), och därefter till disackarider. Dextriner, exempelvis maltodextrin, används ibland inom livsmedelsindustrin som förtjockningsmedel eller i större mängd som snabb energikälla i återhämtningsdrycker. Den sista nedbrytningen när disackariderna delas i två halvor och bildar separata monosackarider sker av enzymer som bildas i tunntarmsväggen. Maltas bryter maltos till två glukosenheter, sukras bryter ner sackaros och laktas bryter ner laktos. Såväl sjukdomar, mediciner och malnutrition kan vara orsaken till att det sista steget i nedbrytningen blir otillräckligt. När det gäller laktos är majoriteten av alla vuxna människor på jorden inte heller genetiskt anpassade för att tillverka laktas i dessa celler, eller åtminstone inte den mängd som krävs för att hantera den västerländska kostens alla mejeriprodukter.  

Fibrer innehåller bindningar som inga enzymer i den mänskliga mag-tarmkanalen kan rå på. Dessa går rakt igenom och fermenteras av bakterierna längre ner i tarmen. Dessa bakterier bildar gaser och tre olika kortkedjade mättade fettsyror - ättiksyra, proprionsyra och smörsyra. Dessa fettsyror omsätts i tarmens egna celler, men också till en viss del i levercellerna. Därigenom tillför fibrer ett antal kcal - mellan 1,5 - 2,5 kcal per gram - men det är omöjligt att veta exakt mängd. 

Enzymer för nedbrytning av mat finns inte bara i vår mag-tarmkanal utan också i maten i sig. Men hög och snabb upphettning utarmar matens naturliga innehåll på enzymer och ställer högre krav på vår egenproduktion. Genom att vi ofta äter starkt upphettad mat har vissa personer enzymbrister och därmed en otillräcklig matsmältning. 

Upptag
Glukos tas upp in i tunntarmens epitelceller via aktiv transport med hjälp av transportproteinet SGLT1 mot en koncentrationsgradient. Aktiv transport betyder att den är energikrävande och i detta fallet sker upptaget tillsammans med natrium. Upptaget av galaktos sker också via aktiv transport medan fruktos tas upp genom fasciliterad diffusion via transportproteinet GLUT 5. Fasciliterad diffusion innebär att ett ämne transporteras över ett cellmembran längs en koncentrationsgradient (från låg till hög koncentration), men med hjälp av ett transportprotein. I detta fall alltså GLUT 5. Alla friska personer tar i princip upp allt glukos och galaktos. Upptaget av fruktos kan hos vissa människor vara begränsat om det överstiger 35-50 gram per dygn, men det beror till stor del på i vilken form fruktosen tas. Fruktos tas upp bättre tillsammans med glukos, så vanligt vitt socker tas enklare upp än när fruktos kommer ensamt. Det hastighetsbegränsande steget i upptaget av glukos är transporten över tunntarmens epitelceller. En generell riktlinje om 1 gram per minut kan gälla om glukos tas upp i rätt koncentration i dryckesform, men eftersom fruktos har en annan upptagsväg kan dessa tillsammans förse kroppen med en snabbare blodsockerhöjning. Detta faktum kan vara värdefullt vid behov av snabb energi vid hårt idrottande, men oönskat vid metabolt syndrom. . 

Omsättning
Efter att glukos tagits upp till blodbanan färdas det i portavenen till levern. En del glukos transporteras in i levern genom GLUT 2, en glukostransportör som är dubbelriktad eftersom glukos behöver färdas både in i levern och ut från levern (till skillnad från andra celler i kroppen). Det stora syftet med blodglukos är ändå att förse alla celler med energi, framför allt hjärnans celler. Galaktos och fruktos kan omvandlas till glukos genom olika ingångsvägar i glukoneogenesen (se längre ned). I stort sett är det bara leverceller som effektivt tar upp fruktos. Fruktos fungerar därför dåligt som energikälla för muskelceller såvida det inte har omvandlats till glukos först. Dessutom smiter fruktos förbi kroppens reglering av glykolysen; fruktos börjar brytas ner och ombildas till glukos alldeles oavsett om kroppen behöver energi eller inte.

Att upprätthålla blodsockerhalten är en central funktion för kroppen. Kommer det in för stora mängder glukos som leder till att blodsockret stiger över kroppens normalnivå (4 - 6 mmol/L i fasta) finns det i princip 3 utvägar.

1. Inlagring som glykogen. 

Detta kan ske i levern (ca 100 gram) och i musklerna (ca 3-400 gram), men mängden beror på muskelvolymen. En rejält kolhydratrik mat under ett antal dygn kan driva upp inlagringsförmågan till 1 000 g. Varje gram glykogen binder 2,7 gram vatten, vilket medför att den första viktnedgången man upplever efter att glykogendepåerna börjar avta, beror på vattenförluster. Teoretisk sett skulle vattenförlusten uppgå till 1,4 kg vid en total tömning av glykogen, men ett sådant räkneexempel har två felkällor: dels töms inte glykogendepåerna fullständigt i praktiken, dels så förloras även extracellulär vätska som finns runt celler generellt i hela kroppen. 

2.Anaerob/aerob förbränning genom glykolysen. 

Glykolysen äger rum i de allra flesta av kroppens celler och innebär nedbrytning av glukos till pyruvat. Processen stimuleras av 5 faktorer:

1) Högre andel kolhydrater i maten
2) Ökad insulin/glukagon-kvot
3) Ökad mängd glykogen
4) Enzymuppreglering för kolhydrater
5) Träningsintensitet

Glykolysen består av 9 steg. En (1) molekyl glukos (6 kolatomer) bildar 2 st pyruvat (3 kolatomer). För att starta glykolysen krävs 2 ATP, men i glykolysens olika steg frigörs 4 ATP, vilket ger ett netto på 2 ATP. Dessutom frigörs coenzym NADH+ (för övrigt bildat från B-vitaminet niacin) och H+ som åker till elektrontransportkedjan för vidare utvinning av ATP. Glykolysen ser ut på följande sätt.

Glycolysis2

Pyruvat transporteras in i mitokondrien och omvandlas till acetyl-CoA vid god syretillgång. Denna omvandlingen är central ur en funktionell förståelse. Den är nämligen inte reversibel så när acetyl-CoA har bildats - oavsett källa - så kan ingen omvandling till glukos sker. Alltså:

Pyruvat: kan ombildas till glukos
Acetyl-CoA: kan inte ombildas till syre

Denna grundregel är som sagt central för att förstå kroppens metabolism och vilka ämnen som kan generera vilken typ av energi. Ett exempel är fettsyror som omvandlas i betaoxidationen till acetyl-CoA, men en fettsyra kan alltså inte ombildas till pyruvat och glukos. Acetyl-CoA går in i mitokondriens citronsyracykel, en serie biokemiska reaktioner som framför allt syftar till att tillverka coenzymer som bär elektroner (NADH+ och FAD2) som i sin tur i elektrontransportkedjan över mitokondriens membran genererar ATP. 

Citronsyracykeln:

Citric_acid_cycle_with_aconitate_2.svg

Citronsyracykeln startar och slutar med oxalättiksyra. Oxalättiksyra bildas också från pyruvat och eftersom acetyl-CoA också ombildas från fettsyror kommer påståendet att "Fett brinner i kolhydratens låga", dvs att det skulle behövas kolhydrater för att förbränna fett effektivt. Men som så många gånger är sanningen inte så enkel. Det är sant att det krävs konstant tillflöde av oxalättiksyra för att driva citronsyracykeln maximalt, men denna oxalättiksyra behöver inte komma från kolhydrater i maten, det kan komma från glukos som bildats genom glukoneogenesen i levern och njuren. Glukoneogenesen är emellertid utvecklad för att garantera ett normalt blodsocker och inte maximal drift av glykolysen eller citronsyracykeln vid hårt idrottande. Bland annat av den anledningen kan man anta att en strikt lågkolhydratkost inte leder till maximal prestation vid hårt idrottande. 

Glykolysen sker i cellernas cytosol. När coenzymerna NADH+ och väteatomerna H+ åker till elektrontransportkedjan krävs syre för att de ska accepteras och kunna ombildas för ATP-utvinning. Råder syrebrist reagerar dessa istället med pyryuat och bildar laktat. Laktat är saltet av mjölksyra och det är på detta vis som mjölksyra bildas anaerobt. Laktat kan i sin tur ombildas till glukos i leverceller i en process som heter Cori-cykeln. 

3. Lipogenes

Lipogenes betyder bildning av fettsyror från glukos via acetyl-CoA. Det sker framför allt i levern, men till viss del även i andra delar av kroppen. Detta är en säkerhetsventil för kroppens hantering av för stora mängder glukos. Om glykogendepåerna är maximala och kroppen inte längre kan öka mängden glukosförbränning i förhållande till rådande energikrav, så omvandlas glukos till fettsyror för att undvika ett alltför stigande blodsocker. 

Glukoneogenes
Glukos är inget essentiellt ämne. Leverceller, och vissa celler i njuren, kan tillverka glukos utifrån i princip samtliga molekyler som kan bilda pyruvat, men de mest centrala är glycerol, laktat och aminosyror med betoning på de glukogena aminosyrorna alanin och glutamin. Glukoneogenesen är i princip att driva glykolysen baklänges, från pyruvat till glukos. Men på två ställen behövs olika enzymer beroende åt vilket håll omvandlingen sker. I glukoneogenesen behöver Fruktos-1,6-bisfostat omvandlas till Fruktos-6-fosfat och enzymer för denna omvandling finns endast i levern och i vissa celler i njuren. Det andra stället är omvandlingen av glukos-6-fosfatas till glukos. Därför kan inte glukoneogenes äga rum i kroppen flesta celler. 

Det är en ganska kostsam process att tillverka glukos. För varje molekyl glukos åtgår 8 ATP. Detta säkerställer hjärnans absoluta behov av ca 20-30 gram glukos per dygn. Även vissa celler i ögat, röda blodkroppar och vissa celler i testiklarna har ingen annan metabolism än glykolys, men de anses kunna försörja sig själva genom glukoneogenes av det laktat som bildas anaerobt i dessa celler. Lever- och njurcellers förmåga att tillverka glukos anses syfta till att enbart behöva garantera hjärnans energiförsörjning. Förutom glukos kan hjärnans celler förbränna ketoner, en energikälla som har flera fördelar.  

Glukostransportörer in i cellen
GLUT står för glukostransportör och det finns en rad olika varianter på dessa transportörer. I levern finns GLUT 2 som sköter den dubbelriktade trafiken av glukos. I muskelceller finns GLUT 4 som släpper in glukos ochsom  aktiveras av insulin. i hjärnans blod-hjärnbarriär finns GLUT 1 som reglerar inflödet av glukos till hjärnan. Hjärnans celler behöver inte insulin för glukosupptag, men insulin påverkar ändå upptaget positivt. Ca 15% skillnad i glukosupptag har man sett i hjärnans celler när man jämfört höga och låga nivåer av insulin. Insulintransporten över blod-hjärnbarriären kan också påverkas av kroniskt förhöjt insulin, vilket i sin tur leder till förändrad tillgänglighet för glukos i hjärnan. 

Avslutningsvis
Glukos är ett av kroppens mest centrala ämnen i metabolismen. För överlevnad har naturen utvecklat sofistikerade sätt att upprätthålla ett stabilt blodsocker genom att bland annat kunna tillverka glukos i fall glukos inte tillförs via maten. Glykolysen är kroppens raketmotor med snabb anaerob energiutvinning och en förutsättning för explosivitet och högintensivt arbete som vi kan utföra. 

namnteckning_transparant