CarbohydrateMetabolism (Glycolysis)

1. CarbohydrateMetabolism(Glycolysis)

2.   Metabolism • الأيض : • الاستقلابأوالأيضأوعملية التمثيل الغذائي  : Metabolismهي مجموعة منالتفاعلات الكيميائية التي تحدث في الكائنات الحية علىالمواد الغذائيةالمختلفة بواسطة العواملالإنزيميةلغرض الحصول علىالطاقةأو بناء الأنسجة وينقسم التمثيل الغذائي إلى: • الهدم( Catabolism) : هي عملية تكسير المواد الغذائية الرئيسية سواء كانتكربوهيدراتأوبروتيناتأودهونخلال طرق مختلفة من التفاعلات الحيوية إلى جزيئاتبسيطة وينتج عن ذلك الحصول على الطاقة. • البناء (Anabolism): الجزيئات البسيطة الناتجة من عملية الهدم يمكن استخدامها كنواة لبناء مواد أكثر تعقيدا سواء كانت بروتينية أوأحماض نوويةمن خلال سلسلة من التفاعلات وذلك لبناء الأنسجة وتستهلك طاقة في تلك التفاعلات.

3. التمثيل الغذائي للكربوهيدرات • في الفم: يتم تحليل النشاء إلى مالتوز وسلاسل من عديدات السكريات بواسطة أنزيم اميليز اللعاب وذلك بكسر الرابطة الجلايكوسيديه α(1→4) • يتوقف عمل الأنزيم عند وصوله مع الطعام إلى المعدة نظرا لأنها شديدة الحموضة . • في المعدة: لا يوجد هضم للسكريات. • في الأمعاء: يوجد أنزيم أملييز الأمعاء الذي يكمل ما بدءه املييز اللعاب ويحطم المزيد من الروابط الجلاكوسيدية. وينتج منها خليط من السكريات الثنائية. • تفرز الأنزيمات الخاصة بهضم السكريات الثنائية مثل أنزيم اللاكتيز,السكريز, مالتييز ليكون الناتج سكريات أحادية. • لا يمكن هضم السليلوز لعدم وجود الأنزيمات المخصصة لذلك.

4. مصير الجلوكوز في الدم • يتم نقله بواسطة الدم إلى الأنسجة المختلفة في الجسم ليتم استغلاله بالطرق التالية: • أكسدة الجلوكوز لإنتاج H2O CO2 و والطاقة عن طريق Glycolysis ودورة كريبس. • تحويل الجلوكوز إلى مكونات أخرى ذات أهميه بيولوجيه مثل: • الريبوز والديوكسي رابيوز لتصنيع الأحماض النووية. • الفركتوز يدخل في تكوين السائل المنوي. • حمض الجلوكيورونيك في الكبد وهو هام للتفاعلات التي يتم فيها تحويل المواد السامة إلى مواد غير سامة. • سكريات أمينيه لصنع السكريات المخاطية. • التخزين: يتم تخزين الجلوكوز في الكبد والعضلات على هيئة جلايكوجين بواسطة عملية تسمى الجلايكوجينسيس Glycogenesis (عملية تكوين الغليكوجين) . ويتم تخزينه في الكبد والنسيج الشحمي على هيئة دهون متعادلة عن طريق عملية تسمى ليبوجنيسس Lipogenesis ( عملية تكوين الدهون ) .

5. مصير الجلوكوز في الدم • يتم نقله بواسطة الدم إلى الأنسجة المختلفة في الجسم ليتم استغلاله بالطرق التالية: • أكسدة الجلوكوز لإنتاج H2O CO2 و والطاقة عن طريق Glycolysis ودورة كريبس. • تحويل الجلوكوز إلى مكونات أخرى ذات أهميه بيولوجيه مثل: • الريبوز والديوكسي رابيوز لتصنيع الأحماض النووية. • الفركتوز يدخل في تكوين السائل المنوي. • حمض الجلوكيورونيك في الكبد وهو هام للتفاعلات التي يتم فيها تحويل المواد السامة إلى مواد غير سامة. • سكريات أمينيه لصنع السكريات المخاطية. • التخزين: يتم تخزين الجلوكوز في الكبد والعضلات على هيئة جلايكوجين بواسطة عملية تسمى الجلايكوجينسيس Glycogenesis (عملية تكوين الغليكوجين) . ويتم تخزينه في الكبد والنسيج الشحمي على هيئة دهون متعادلة عن طريق عملية تسمى ليبوجنيسس Lipogenesis ( عملية تكوين الدهون ) .

6. A Map of The Major Metabolic Pathways in A Typical Cell The Diagram was taken from “Biochemistry” by Voet & Voet (2nd edition, 1995, John Wiley & Sons, pg. 413)

7. Learning Objectives By the end of this session you should be able to: • Outline the three stages of glycolysis. • Describe the steps of glycolysis between glucose and pyruvate and recognize all the intermediates and enzymes and the cofactors that participate in the reactions. • Mention ATP-generating reactions. • Illustrate the regulation of glycolysis.

8. Major Pathways of CHO Metabolism • CHO metabolism in mammalian cells can be classified into: • Glycolysis: Oxidation of glucose to pyruvate (aerobic state) or lactate (anaerobic state) • Krebs cycle: After oxidation of pyruvate to acetyl CoA, acetyl CoA enters the Krebs cycle for the aim of production of ATP. • Hexosemonophosphate shunt:Enables cells to produce ribose-5-phosphate and NADPH. • Glycogenesis: Synthesis of glycogen from glucose, when glucose levels are high • Glycogenolysis: Degradation of glycogen to glucose when glucose in short supply. • Gluconeogenesis: Formation of glucose from noncarbohydrate sources. Glucose is the major fuel of most organisms. The major pathways of CHO metabolism either begin or end with glucose. Dr. Mohamed Z Gad

10. Cellular energetic C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +6H2O + 686 kcal ( in Lab.) ( in the cell)C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 +6H2O + 38 ATP 1 ATP + H2O → ADP+ Pi + 7.3 kcal 38 x7.3 = 278 kcal 278 /686 = 40% efficiency

11. NAD+ لشكله المتأكسد NADHلشكله المختزل

12. flavin adenine dinucleotide (FAD)

13. Glycolysis (Embden-Meyerhof Pathway)[glycolysis: from the Greek glyk-, sweet, and lysis, splitting] Glycolysis occurs in all human cells. Glycolysis is believed to be among the oldest of all the biochemical pathways. Aerobic: Glucose  Pyruvate Anaerobic: Glucose  Lactate (or ethanol & acetic acid) Glycolysis (10 reactions in 3 stages, all in cytoplasm) 1) Priming stage:D-Glucose + 2ATP  D-fructose 1,6-biphosphate + 2ADP + 2H+ 2) Splitting stage :D-Fructose 1,6-biphosphate  2 D-Glyceraldehyde 3-phosphate 3) Oxidoreduction – Phosphorylation stage: 2 D-Glyceraldehyde 3-phosphate + 4ADP + 2Pi + 2H+  2Lactate + 4ATP ----------------------------------------------------------------------------- Sum: Glucose + 2ADP + 2Pi ----- 2 Lactate + 2ATP + 2H2O (Anaerobic) Glucose + 2ADP + 2Pi + 2NAD+ ---- 2 pyruvate + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O (Aerobic) Dr. Mohamed Z Gad

14. Common Abbreviations & Alternative Names 5 January 2020 14

15. 1) Priming Stage • Glucose (and other hexoses) are phosphorylated immediately upon entry into the cell. Phosphorylation prevents transport of glucose out of the cell and increases the reactivity of oxygen in the resulting phosphate ester. • Several isoenzymes of hexokinase with different Km valuesfor glucose are located in different tissues. Brain hexokinase has a particularly low Km for glucose. • The major enzyme for phosphorylating glucose in liver is glucokinase. • Steps catalyzed by hexokinase & PFK-1 are irreversible. Dr. Mohamed Z Gad

16. Differences between Glucokinase & Hexokinase Dr. Mohamed Z Gad

17. 2) Splitting Stage • The reaction catalysed by aldolase is the reverse of aldol condensation. • Although the cleavage of F1,6BP is energetically unfavourable, rapid removal of the product drives the reaction forward. • Of the two products of the aldolase reaction, only GAP (or G3P) serves as a substrate for the next reaction in glycolysis. • To prevent the loss of the other three-carbon unit, triose phosphate isomerase catalyses the interconversion of DHAP & G3P. Because of this reaction, the original molecule of glucose has now been converted to two molecules of G3P. Dr. Mohamed Z Gad

18. 3) Oxidoreduction – Phosphorylation Stage • G-3-P dehydrogenase is a tetramer, each subunit contains 1 binding site for G3P & another for NAD+ (NAD+ is permanently bound to the enzyme). • G3P  1,3-BPG  3PG and PEP  Pyruvate are examples of “substrate–level” phosphorylation. • 3-PG  2-PG is mediated by an intermediate [2,3-BPG]. Most cells have low amounts of 2,3-BPG except in RBCs, which act as allosteric modifier of Hb-O2 binding. • PEP Pyruvate is an “irreversible reaction” due to free energy loss associated with tautomerization of the enol to the more stable keto form. Dr. Mohamed Z Gad

19. What is meant by “substrate–level phosphorylation” ? ADP is converted to ATP by the direct transfer of a phosphoryl group from a high energy compound.

20. Why glycolysis under anaerobic conditions proceed to lactate and not just stop at pyruvate formation ? The reaction of lactate dehydrogenase is essential in anaerobic glycolysis , as it is the mean for reoxidizing NADH formed in the G-3-P dehydrogenase step to re-enter into the glycolysis cycle. In aerobic glycolysis reoxidation takes place in mitochondria by the respiratory chain.

21. Overall pathway of Glycolysis & ATP Formation

22. Study Question ????? Louis Pasteur, the great 19th century French chemist and microbiologist, was the first scientist to observe the following phenomenon. “Cells that can oxidize glucose completely to CO2 and H2O utilize glucose more rapidly in the absence of O2 than in its presence”. It would appear that O2 inhibits glucose consumption. Thus, another definition for Pasteur effect is: inhibition of glucose utilization and lactate accumulation by the initiation of respiration (O2 consumption)… Can you explain why ? Louis Pasteur (1822 - 1895) The reason behind this phenomenon is that complete oxidation of glucose under aerobic conditions yield much more ATP (~38 ATP) than anaerobic glycolysis (~2ATP). Thus it is anticipated that the rate of glucose consumption will be 19-20 times faster under anaerobic condition to meet the metabolic demand in a way equivalent to aerobic conditions. Dr. Mohamed Z Gad

23. Rate of glycolysis is controlled primarily by allosteric regulation of the 3 key enzymes (irreversible steps), hexokinase, PFK-1, and pyruvate kinase. Regulation of Glycolysis • PFK-1 is the major regulatory enzyme of glycolysis.In the liver only, PFK-1 is activated by fructose-2,6-diphosphate (F-2,6-DP). • PFK-2, the enzyme that synthesize the activator F-2,6-DP, is itself a regulatory enzyme. It is inhibited by citrate & ATP and by phosphorylation. The reverse reaction is catalyzed by fructose-2,6-diphosphatase(F-2,6-DPase). • Hormones also regulate glycolysis e.g., glucagon inhibits glycolysis by repressing the synthesis of F-2,6-DP. Insulin promotes glycolysis by stimulating the synthesis of F-2,6-DP. Dr. Mohamed Z Gad

24. Study Question ????? What effects do fluoride and magnesium have on glycolysis ?

25. Comments on Glycolysis • Glycolysis is the only pathway that produce ATP in absence of O2. • The best known inhibitors of the glycolytic pathway include: Arsenate and iodoacetate: inhibit glyceraldehydes-3-phosphatedehydrogenase which has cysteine residue in the active site. Fluoride: a potent inhibitor of enolase. Thus, fluoride is usually added to blood samples to inhibit glycolysis before estimation of blood glucose. • Magnesium: required for kinase reactions by forming Mg-ATP complex. • Accumulation of lactate is responsible for muscle fatigue and cramps observed under heavy exercise (anaerobic glycolysis). • In RBCs, glycolysis is the major source of ATP since RBCs lack mitochondrial oxidation. •

26. Malate shuttle في القلب والكلية والكبد

27. في العضلات الهيكلية والدماغ

28. سلسلة نقل الالكترون Electron Transport هي سلسلة من التفاعلات التي تنتج معظم جزيئات ATP المتكونة من أكسدة الكلوكوز . 1- يمر الهيدروجين والالكترونات العالية الطاقة والمحمولة NADH , FADH2على كما في شكل (2) خلال تتابع من مساعدات الأنزيمات في الغشاء الداخلي للميتوكوندرياتسمى السيتوكرومات أو حاملات الالكترونات وتحمل الالكترونات على مستويات طاقة مختلفة وبمرور الالكترونات من جزئ لآخر من السيتوكرومات تنطلق طاقة لتكون جزيئات ATP من جزيئات ADP وتعرف بالفسفرةالتأكسدية.

29. سلسلة نقل الالكترون Electron Transport هي سلسلة من التفاعلات التي تنتج معظم جزيئات ATP المتكونة من أكسدة الكلوكوز . 1- يمر الهيدروجين والالكترونات العالية الطاقة والمحمولة على NADH FADH2خلال تتابع من مساعدات الأنزيمات في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا تسمى السيتوكرومات أو حاملات الالكترونات وتحمل الالكترونات على مستويات طاقة مختلفة وبمرور الالكترونات من جزئ لآخر من السيتوكرومات تنطلق طاقة لتكون جزيئات ATP من جزيئات ADP وتعرف بالفسفرة التأكسدية. 2- يعتبر الأكسجين هو المستقبل الأخير في سلسلة نقل الالكترونات حيث يتحد كل إلكترونين مع بروتونين مع ذرة أكسجين لتكوين الماء كما في المخطط التالي :

30. سلسلة نقل الإلكترون Electron Transport