background image

     

                                  

Carbohydrate Metabolism 

                              

Glucose Metabolism 

 

● Glucose is the preferred source of energy for most tissues .  

● Erythrocytes are fully reliant on glucose for energy .  

● Brain , in normal conditions , uses only glucose as ATP source and metabolize it  
    at a constant rate ; it depends on glucose in blood ; at basal metabolic rate 60%  
    of glucose oxidized is by brain .  

● Glucose metabolism include the following metabolic pathways :  

1.

  Glycolysis & Citric acid cycle    

2.

  Glycogenesis & Glycogenolysis    

3.

  Gluconeogenesis              

4.

  Pentose Phosphate Pathway  

5.

  Minor Pathways ( ex : Polyol Pathway ) 

 

● Glucose is oxidized to generate energy ( ATP ) by the pathways of Glycolysis &   
   Citric Acid Cycle . 

● When the blood glucose level is high (after meals ) the excess is converted to   
    glycogen and stored (Glycogenesis ) .The body has limited capacity for storing   
    glycogen and the remaining excess glucose is converted to fat and stored  
    ( Lipogenesis ) .   

● During fasting , when glucose level in blood decreases , the supply of  glucose  
    for the brain is maintained by Glycogenolysis ( glycogen breakdown ) and 
    Gluconeogenesis ( synthesis of glucose from non-carbohydrate sources ) .  
 
                                 

Oxidation of Glucose 

– Aerobic Oxidation of Glucose 

● Under aerobic conditions ( oxygen in plenty ) and in the tissues containing   
    mitochondria , glucose is oxidized in two stage (Glycolysis & Citric acid cycle)  
    to generate energy ( ATP ) . 
 

Glycolysis  ( 

first stage

 )  

A series of reactions by which each molecule of glucose ( 6-carbon compound ) is 
converted to two molecules of pyruvate ( 3-carbon compound ) as end product .  
It is cytosolic pathway taking place in all the cells of the body . Pyruvate is then 
transported into mitochondria where it is completely oxidized through Citric Acid 
cycle ( second stage) to CO

2

 and H

2

O .  

 

Reactions of glycolysis : 

Step 1 : phosphorylation of glucose by ATP and glucose-6-phosphate is formed . The 
               reaction is irreversible and catalyzed by Hexokinase (present in all tissues )   
               & Glucokinase ( present only in liver and pancreas ) . 
Step 2 : isomerization of glucose-6-p to fructose-6-phosphate .  
  


background image

Step 3 : phosphorylation of fructose-6-p to give F-1,6-bisphosphate by the enzyme  
               phosphofructokinase (PFK-1) . Reaction is irreversible .  PFK-1 is the rate-  
               limiting enzyme . 
Step 4 : cleavage of  F-1,6-bisphosphate into two 3-carbon compounds : 
               glyceraldehydes-3-p & dihydroxy acetone-p . These are inter-converted  
               to each other by an isomerase enzyme . 
 
Step 5 : phosphorylation and simultaneous oxidation of glyceraldehydes-3-p to 
               1,3-bisphosphoglycerate . One molecule of NADH is produced . 
 
Step 6 : transfer of high energy phosphate group (~P) from 1,3-bisphosphoglycerate   
               to ADP forming ATP ( substrate level phosphorylation) and the product  
               3-phosphoglycerate .                 
Step 7 : isomerization of 3-phosphoglycerate to give 2-phosphoglycerate . 
 
Step 8 : dehydration of 2-phosphoglycerate to form phosphoenol pyruvate (PEP) .                  
Step 9 : transfer of ~P from PEP to ADP  producing ATP and pyruvate .The enzyme  
               is pyruvate kinase (PK) and the reaction is irreversible  
 

Note :  

● NADH formed  in both stages of aerobic oxidation of glucose oxidation  
   ( glycolysis & citric acid cycle ) is oxidized back to NAD

+

 through the electron   

   transport chain and significant number of ATP molecules are generated . 
     
 

– Anaerobic Glycolysis : 

        Under anaerobic conditions ( hypoxia ; oxygen in short supply) or in the   
        absence of mitochondria , Pyruvate is reduced to lactate by the enzyme lactate   
        dehydrogenase (LDH) to regenerate NAD

+

 .This is called anaerobic glycolysis   

        in which the end product of glycolysis is lactate .  
 

 Skeletal muscle tissue is highly anaerobic tissue because : 
   

1. actively contracting skeletal muscle during intensive exercise develops hypoxic   

         conditions because the need for ATP formation exceeds the rate of oxygen   
         consumption .  
   2.  muscle LDH (M

4

)  has  a low

 

 k

m

 ( higher affinity ) for pyruvate .   

 

   3. Fast

–twitch white skeletal muscles lack myoglobin and contain very few   

        mitochondria . 

 
                          ********************* 

■ Anaerobic glycolysis is the only source of energy in erythrocytes as they lack  
    mitochondria . 
 


background image

■ Cancer cells grow more rapidly than normal cells leading to relative degree  
    of hypoxia . Cancer cells metabolize glucose by anaerobic pathway and at a   
    higher rate and so lactate accumulates causing acidic environment in the tumor .   

                                                                                                            

 

■ Cardiac muscle tissue is aerobic tissue ; LDH in heart muscles ( H

4

 ) has low   

    affinity for pyruvate and high affinity for lactate .  
    Heart muscles metabolize glucose aerobically and  have low anaerobic glycolytic   
    activity and poor survival under hypoxic  (ischemic ) conditions .  
 
                                            

Pyruvate Dehydrogenase ( PDH ) Reaction : 

● In the matrix of mitochondria , pyruvate undergo oxidative decarboxylation and   
   converted into 2-carbon high energy compound Acetyl-CoA . 
   This reaction is catalyzed by a multi-enzyme complex system called pyruvate   
   dehydrogenase complex (PDH system) which require five coenzymes ( derived from   
   five vitamins ) and also require Mg

2+

 as cofactors :  

 

                

 Thiamine pyrophosphate (TPP)   

                

 Lipoamide   

                

 Coenzyme A ( CoA-SH )   

                

 FAD , and  

                

 NAD

+

  

   
 

                               

 
 
 
 
 
 
 

● In this reaction , One molecule of NADH is formed and one molecule of CO

2

 is   

    liberated  . 

● Acetyl-CoA is then enters the citric acid cycle and completely oxidized to CO

2

 and   

   H

2

O and generate significant ATP .                                                                          

                                                                                                                                          

● Pyruvate dehydrogenase (Oxidative decarboxylation of pyruvate to acetyl-CoA ) 
   is the link between glycolysis and citric acid cycle .  

 This reaction is completely irreversible process and there is no alternate   
   reaction in the body that forms pyruvate from acetyl-CoA .  
  
                  ************************************* 

 
 


background image

 
Energy Yield ( ATP ) from Glycolysis 

 
* Number of ATP molecules generated by glycolysis per molecule of glucose under   
  aerobic conditions ( oxygen in plenty ) : 
 
Step        Enzyme                                             Source       Number of ATP gained  
                                                                                                    or used            

─────────────────────────────────────────────────── 
 1-         Hexokinase                                          ATP               Minus one ( used )  
  
 3-         Phosphofructokinase-1(PFK-1)              ATP               Minus one (used) 
 
 5-         Glyceraldehyde-3-p dehydrogenase       NADH             3 x 2 = 6 ( gained ) 
 
 6-         Phosphoglycerate Kinase                      ATP              1 x 2  = 2 ( gained ) 
 
 9-         Pyruvate Kinase                                    ATP             1 x 2  = 2 ( gained ) 
                                                                                         
                                                    
                                                                                                       ─────────────── 
                                                                                      Total = 10 

 2  =  8 ATP   

 
 
 
 
 
* Number of ATP molecules generated by glycolysis per molecule of glucose under     
   anaerobic conditions ( hypoxia ) or in the lack of mitochondria : 
 
Step          Enzyme                                  Source    Number of ATP gained or used  
 
 1-       Hexokinase                                     ATP               Minus one ( used ) 
 
 3-       Phosphofructokinase-1 (PFK-1)        ATP               Minus one ( used ) 
 
 6-       Phosphoglycerate Kinase                 ATP               1 x 2  =  2 ( gained ) 
 
 9-       Pyruvate Kinase                               ATP              1 x 2  =  2 ( gained ) 
                                                                                       
  
                                                                                                     ─────────────── 
                                                                                       Total  =  4 

 2 = 2  ATP      

  
 
                                  

**************************** 

 


background image

                                                                                                             

 

Regulation of Glycolysis 

 

Phosphofructokinase-1 ( PFK-1 ) 

is the key rate-limiting enzyme in glycolysis . 

The activity of this enzyme is controlled as follows :

 

 

 A -  PFK-1 is inhibited by : 
       1 - allosterically inhibited by high ATP level .  
       2 - feed-back inhibition by the product Citrate ( allosteric inhibition ) . 
       3 - low pH ( high H

+

 concentration ) due to increased Lactate . 

   
II -  PFK-1 activated by : 

1.

  AMP ( high levels ) . 

 

 
Advantage of having both the enzymes Hexokinase & Glucokinase in liver : 
 

1.

  Hexokinase has high affinity for glucose ( K

m

 

≈ 0.04 mM ) . Since the resting 

level for blood glucose is about 5mM , therefore hexokinase would be expected 
to be fully active for all body cells at the resting level and the liver would not be 
competing with other cells for glucose . 

                                                                                                                              

 

       On the other hand , Glucokinase has lower affinity for glucose ( K

m

 

≈ 6 mM ) ;   

        have significant activity when blood glucose levels exceed 10 mM ( such as after   
        a carbohydrate

–rich diet ) , and at that concentration liver competes with other   

        tissue for glucose and the excess glucose preferentially taken into liver where it   
        can be stored as glycogen . 
 

2.

  Hexokinase is inhibited allosterically by high levels of its product  glucose-6-p . 

But glucokinase is not inhibited by the product glucose-6-p . Therefore , liver 
can metabolize glucose preferentially over the other tissues .   

 

Clinical aspects : 
 
   *

Hexokinase deficiency   

  inherited deficiency of the enzyme hexokinase cause hemolytic anemia ; less 

ATP is generated in erythrocytes and are easily destroyed . 

 

*Pyruvate Kinase deficiency in erythrocytes    

  There is decreased production of ATP from glycolysis . Red blood cells have 

insufficient ATP for their sodium pump . The cells become dehydrated and are 
phagocytosed by cells in the spleen and a hemolytic anemia result . 


background image

  Intermediates of glycolysis including 2,3-Bisphosphoglycerate accumulate . 

Elevated levels of 2,3-BPG decreases the affinity of hemoglobin for oxygen and 
the oxygen-carrying capacity of RBC

S

 decreased . 

 
 
 

*Taruis disease   

     

●  Rare  inherited deficiency in the muscle and erythrocyte PFK isoenzyme ;    

          there is  anemia , muscle weakness and work capacity is low specially on high   

         carbohydrate diet which is improved on fasting  and starvation because the   
         muscle start metabolizing fatty acids . 
     

■ Glucose feeding to these individuals increases insulin levels and inhibits   

         lipolysis in adipose tissue so they have less fatty acids in the blood to serve  
         as fuel .  
 
    *Dietary deficiency of thiamine cause pyruvate to accumulate . Nutritionally   
     deprived alcoholics are thiamine-deficient and may develop potentially fatal   
      pyruvate and lactic acidosis .  
 
                                   ****************************************** 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 158 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل