introduction of carbohydrate metabolism

1. Part: Carbohydrate Metabolisms
BIOCHEMISTRY
1
How do carbohydrates
impact your health?

2. Why do we first learn carbo metabolism?
2

3. 3

4. 1. Glucose metabolism
1.1 Glycolysis (glucose degradation), TCA cycle and oxidative phosphorylation
1.2 Gluconeogenesis (glucose synthesis)
2. Glycogen metabolism (Glycogenolysis/Glycogenesis)
3. Pentose phosphate pathway (Glucose oxidation)
Carbohydrate Metabolisms:
4

5. Cell break down food molecules gradually, capturing a little bit of chemical
energy at key steps.
This enables cells to use the energy stored in the chemical bonds of foods
like glucose to produce compounds such as ATP that directly power the
activities of the cell.
6O2 + C6H12O6  6CO2 + 6H2O + Energy
Cellular respiration is the process that releases energy
from food in the presence of oxygen.
What kind of EN
5

6. Glucose เป็นศูนย์กลางของเมแทบอลิซึมในร่างกาย เนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานที่ร่างการนาใช้ง่ายที่สุดและทุกเซลล์ใน
ร่างกายใช้ Glc เป็นแหล่งพลังงานได้ และเป็นสารตั้งต้นการสังเคราะห์สารเคมีหลายชนิดในเซลล์ อีกทั้งยังเป็นแหล่ง
พลังงานเดียวที่ของสมองและสาหรับเซลล์ที่ไม่มี mitochondria (RBC) ดังนั้น ร่างกายจึงจาเป็นต้องรักษาระดับ
น้าตาลในเลือด
--แหล่งของ Glucose ในเลือด มาจาก 3 แหล่ง:
1) Diet
2) Degradation of Glycogen
3) Gluconeogenesis
Part: Carbohydrate Metabolisms
6

7. Different organs and tissues handle fuels differently
At rest, the brain uses approximately 20% of all oxygen consumed by
the body. Glucose is normally its only fuel: during starvation, however,
the brain adapts to the use of ketone bodies as an alternative energy
source.
The two pathways that provide glucose are glycogenolysis and
gluconeogenesis. When glucose concentration in the extracellular fluid
decreases, it is first replenished by degrading liver glycogen.
Part: Carbohydrate Metabolisms
7
However, when the fasting period extends, gluconeogenesis is
initiated. Gluconeogenesis takes place mostly in the liver, and the
kidneys also contribute during prolonged fast. Its main substrates
are lactate (from anaerobic glycolysis), alanine (from the amino acids
released during breakdown of muscle protein) and glycerol (from the
breakdown of triacylglycerols in the adipose tissue).

8. Muscle uses both glucose and fatty acids as energy sources. During short-
term exercise, glucose is the preferred substrate, however, at rest and during
prolonged exercise, fatty acids are the main energy source.
Part: Carbohydrate Metabolisms
8
Glucose concentration in plasma reflects
the balance between, on the one hand,
its intake (absorption from the gut) or its
endogenous production (glycogenolysis
and gluconeogenesis), and on the other,
its tissue utilization in glycolysis, pentose
phosphate pathway, tricarboxylic acid
(TCA) cycle and in glycogen synthesis

9. Transport of glucose into cells
-Glucose ไม่สามารถเข้าสู่เซลล์ได้โดยตรง จึงต้องการ glucose
transporter เรียกว่า GLUT มีหลายชนิด (GLUT1-14)
-GLUT is tissue specific. For example
GLUT2 in liver
GLUT3 in neuron
GLUT1 in erythrocyte and blood brain barrie
r
จะเกิดอะไรขึ้นถ้า GLUT4 ดื้อหรือไม่ตอบสนองต่อ INSULIN!!!!!!?
GLUT 1 - 3 are insulin-independent transporters
GLUT4 in adipose tissue and skeleton muscle
(GLUT4 activity is dependent on INSULIN)
9

10. • Insulin and the Regulation of Glucose in the Blood
Transport of glucose into cells
The Role of Insulin in the Human Body

11. 11

12. - Glycolysis (Glykys “sweet or sugar” and Lysis “splitting”) ─
degradation of one glucose to yield pyruvate
Glucose
(6-carbon compound)
Glycolysis
(Exergonic process)
Pyruvate (2x)
(3-carbon compound)
Glucose metabolism: 1. Glycolysis
Occur in Cytosol
12

13. Glycolysis is composed of 3 stages
I. Use energy: เอนไซม์Hexokinase เปลี่ยน Glucose in the
Cell เพื่อผลิต Fructose 1,6-bisphosphate
II. Cleavage: C6 Sugar ถูกตัดเป็น 2x(C3) Fragments
III. Generate energy: เกิด Oxidation ของ Aldehyde ไปเป็น Acid และ
ผลิต High energy compounds.
Glucose metabolism: 2. Glycolysis
13

14. Glucose metabolism: Glycolysis
Stage I
Stage II
Stage I = การลงทุนด้วยพลังงาน
Control point of
Glycolysis
Arsenic
14

15. Stage III = ได้พลังงาน (Pay off ATP)
Glucose metabolism: Glycolysis
Stage I
Stage II
Stage III
Substrate-level
phosphorylation
Substrate-level
phosphorylation
Control point of
Glycolysis 15

16. Glucose metabolism: Glycolysis
Hexokinase Vs Glucokinase
Hexokinase/Glucokinase
เร่งปฏิกิริยาเดียวกัน แต่พบใน tissue ต่างกัน
และถูกควบคุมการทางานต่างกัน
Hexokinase Glucokinase
-พบใน tissue ทั่วไป สามารถเร่งปฏิกิริยากับ
Hexose ทุกชนิด
-ถูกยับยั้งโดย G-6-P (Product)
-Low Km = ทางานมีประสิทธิภาพสูงแม้ภาวะที่มี
Glc ต่า
-พบใน เซลล์ตับ เป็น Glc sensor มีความสาคัญต่อการหลั่ง
Insulin ควบคุม Glc homeostasis
-จาเพาะ only Glc
-High Km = จะทางานก็ต่อเมื่อภาวะที่มี Glc ในเซลล์ตับสูง
เช่น หลังการกินอาหาร Carbo สูง
-ถูก activate โดย Glc แต่ถูกยับยั้งโดย F-6-P
-Mutation of Glucokinase ทาให้เกิดโรคเบาหวาน
(Diabete).
16

17. ATP and NADH Formation
(exergonic process)
(endergonic process)
Overall DG’o drives the glycolysis exergonically
Glucose metabolism: Glycolysis
17

18. Glucose metabolism: Glycolysis
Feeder Pathways for Glycolysis
-Sugar แต่ละตัวเข้าสู่
glycolysis ที่ตาแหน่ง
แตกต่างกัน
-Glycogen เข้าสู่
glycolysis ในรูป
Glc-1-phosphate
18

19. Glucose metabolism: Glycolysis
ภาวะ Aerobic: Pyruvate จะเข้าสู่ TCA Cycle ส่วน NADH ก็จะถูกนาไปสร้าง ATP ใน Oxidative
phosphorylation
ภาวะ Anaerobic: Pyruvate จะถูกเปลี่ยนไปเป็น Lactate โดยใช้ NADH เพื่อ recycle NAD+ กลับไป
19

20. Metabolic Fates of Pyruvate
Glucose metabolism: Glycolysis
1
2
3
4
Oxaloacetate
20

21. Metabolic Fates of Pyruvate
1. Reduction of pyruvate to lactate
(Anaerobic condition ในเซลล์ eukaryote )
-Lactate คือผลิตภัณฑ์สุดท้ายในวิถี glycolysis ในภาวะ
anaerobic ในเซลล์ eukaryote
-แต่การผลิต lactate จาก pyruvate คือ วิถีหลักใน
lens and cornea of the eye, kidney
medulla, leukocytes and red blood
cells เพราะว่า tissue เหล่านี้poorly
vascularized and/or lack mitochondria.
Glucose metabolism: Glycolysis
- NADH/NAD+ ratio (NADH production มาจากปฏิกิริยา glyceraldehyde 3-phosphate
dehydrogenase และจาก TCA cycle), ทาให้การผลิต lactate จาก pyruvateเกิดได้ดีขึ้น
-ในระหว่างการออกกาลังกายอย่างหนัก (intense exercise) จะเกิดการสะสม lactate ในกล้ามเนื้อ, causing a drop in
the intracellular pH, ทาให้กล้ามเนื้อล้า
- จากนั้น lactate ที่มีมากก็จะ diffuses into the bloodstream, และจะถูกใช้โดย
1. liver เพื่อผลิต glucose โดยวิถี gluconeogenesis หรือ 2. ที่หัวใจก็จะใช้ lactate เป็นแหล่งพลังงาน โดยผ่าน TCA
cycle.
Lactate formation in muscle: In exercising skeletal muscle
21

22. Metabolic Fates of Pyruvate
Glucose metabolism: Glycolysis
2. Reduction of pyruvate to Ethanol (Anaerobic Microorganism)
-The conversion of pyruvate to ethanol occurs by the two reactions.
-The decarboxylation of pyruvate by pyruvate decarboxylase occurs in yeast
and certain other microorganisms, but not in humans.
3. Oxidative decarboxylation of pyruvate to Acetyl CoA
-is an important pathway in tissues with a high oxidative capacity, เช่น กล้ามเนื้อหัวใจ
- Pyruvate dehydrogenase irreversibly converts pyruvate, into acetyl CoA, a major
fuel for the TCA cycle. 22

23. Metabolic Fates of Pyruvate
Glucose metabolism: Glycolysis
4. Carboxylation of pyruvate to oxaloacetate
-This reaction is important because เป็น pathway ที่ช่วยสร้าง the citric acid cycle
intermediates, and ช่วยสร้างตัวกลางสาหรับวิถี gluconeogenesis.
23

24. 24

25. 25

26. Glucose metabolism:
1.2 การสร้าง Acetyl CoA
Pyruvate
dehydrogenase
(PDH)
Glucose
Pyruvate
Glycolysis
Pyruvate
Cytosol
Mitochrondia
-Pyruvate จะต้องถูก transport เข้าสู่
mitochondrion ก่อนเข้าสู่ the TCA
cycle
-ซึ่งจะมีตัว transporter จาเพาะสาหรับขนส่ง
pyruvate ผ่าน
inner mitochondrial membrane
- เมื่อเข้าสู่ matrix ของ mitochondria,
pyruvate จะถูกเปลี่ยนเป็น acetyl CoA
โดยเอนไซม์ pyruvate
dehydrogenase
ซึ่งเป็น multienzyme complex
26

27. -- Thiamin deficiency = PDH complex is
inactive = brain cells ไม่สามารถผลิต ATP (via the
TCA cycle) ได้อย่างพอเพียง
- เรียกว่าโรค กลุ่มอาการเวอร์นิคเค-คอร์ซาคอฟ (Wernicke-
Korsakoff Syndrome) เกิดจาก thiamine
deficiency อาจจะพบในคนที่ติดเหล้า
Glucose metabolism: 1.2 การสร้าง Acetyl CoA
การขาด Thiamin ส่งผลต่อระบบประสาทส่วนกลางอย่างไร?
PDH complex
Pyruvate Acetyl CoA
- Thiamin is a PDH co-enzyme
arsenic
PDH complex
Pyruvate Acetyl CoA
Lactic acid Brain Acidosis
27

28. Glucose metabolism: 1.2 การสร้าง Acetyl CoA
- When it binds to lipoic acid, the PDH complex is inactive, pyruvate (and
consequently lactate) accumulates. affects the brain, causing neurologic
disturbances and death.
PDH complex
Pyruvate Acetyl CoA
arsenic
PDH complex
Pyruvate Acetyl CoA
Lactic acid Brain Acidosis
ทาไมสารหนู ทาให้คนตายได้
และพิษของสารหนูเกิดขึ้นได้อย่างไร?
Mechanism of arsenic poisoning:
- Arsenic can interfere with glycolysis at
the glyceraldehyde 3-phosphate step,
thereby decreasing ATP production.
-Arsenic poisoning can inhibition of
PDH enzyme complex by binding to
lipoic acid which is a one of coenzyme
of PHD.
28

29. -The TCA cycle (Krebs
cycle or the citric acid
cycle) มีบทบาทสาคัญหลายอย่างใน
metabolism
-เกิดใน mitochondria
1.3 Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle)
1. เป็นวิถีสุดท้ายในการเกิดออกซิเดชันของ carbohydrates, amino acids, และ fatty acids, โดย
การเปลี่ยน carbon skeletons ของสารเหล่านี้เป็น CO2
29

30. 2. The TCA cycle เป็นแหล่ง intermediates สาหรับใช้ใน
การสังเคราะห์สาร เช่น สาร intermediates Oxaloacetate
ที่มาจาก amino acids สามารถนาไปสังเคราะห์ glucose โดยวิถี
Gluconeogenesis
1.3 Tricarboxylic acid cycle (TCA cycle)
30

31. TCA cycle and Energy Produced
3. ในกระบวนการเกิดออกซิเดชันของ
สารต่างๆ ผ่านวิถี TCA cycle จะ
ทาให้ได้ NADH, FADH ซึ่ง
สามารถนาไปผลิตสารพลังงานสูง หรือ
ATP ในกระบวนการ oxidative
phosphorylation
31

32. 1.4 Oxidative Phosphorylation
-NADH and FADH2 เกิดการ oxidation โดยการส่ง e- ผ่าน “e-
transport chain” เพื่อผลิตเป็นสารพลังงานสูง ATP (เปลี่ยน ADP to
ATP)
-เกิดที่ “inner membrane of mitochondria”
-e-transport chain ประกอบด้วย:
(1) โปรตีนตัวพา e- ที่มีโคเอนไซม์ เช่น NAD+, FMN, Co enzyme Q,
Cytochrom b c a a3 (Fe2+/Fe3+)
(2) เอนไซม์ ATP synthase
https://www.youtube.com/watch?v=39HTpUG1MwQ
How Mitochondria Create Energy
32

33. 1.4 Oxidative Phosphorylation
NADH
NAD+
TCA cycle
NADH เข้าที่ complex I (3 ATP/NADH)
FADH2 เข้าที่ complex II (2 ATP/NADH)
มาจาก Glycolysis
and TCA cycle
33

34. 1.4 Oxidative Phosphorylation
การส่ง e- ผ่าน “e- transport chain” ทาให้เกิดการสร้าง ATP ได้อย่างไร?????
-การส่ง e- ผ่าน “e- transport chain” ทาให้เกิดการ “ปั๊มโปรตรอน (H+)” จาก matrix
ผ่าน inner membrane ของ mitochondria เข้าสู่ intermembrane space ทาให้เกิด “proton
gradient” ซึ่งนาไปสู่การกระตุ้นการทางานของ ATP synthase ให้สังเคราะห์ ATP
-Complex II ไม่มีการปั๊มโปรตรอน (H+)
34

35. Oxidative Phosphorylation
Cyanide ทาให้สิ่งมีชีวิตตายได้อย่างไร
กินมันสาปะหลังดิบ ทาให้ตายได้ เพราะมี Cyanide !!!!
https://www.youtube.com/watch?v=fBXSJGxfnbU
Electron flow in cytochrome c oxidase
can be blocked by hydrogen
sulphide(H2S), cyanide(CN-),and
carbon monoxide(CO).
Inhibition of the electron transport chain
also inhibits ATP synthesis because the
proton-motive force can no longer be
generated.
35

36. Gluconeogenesis
36

37. - (Gluco “glucose”, Neo “new”, Genesis
“origination”)
- new formation of sugar by converting
pyruvate (and other 3- or 4-cabon
compounds) to glucose
Glucose
(6-carbon compound)
Gluconeogenesis
(Endergonic process,
but essential)
Pyruvate
(3-carbon compounds)
Blood glucose
Glucose metabolism: 2. Gluconeogenesis
• บางเนื้อเยื่อ เช่น สมอง เม็ดเลือดแดง เนื้อเยื่อไตชั้นใน (kidney medulla), lens and cornea of eye,
testes and exercising muscle ต้องการแหล่งพลังงานในรูปของ Glc
• ในกรณีที่ไม่ได้รับอาหารประเภท carbohydrate; glycogen จะสามารถเป็นแหล่ง support Glc ได้เพียง
10-18 hr เท่านั้น แล้วถ้าหาก prolonged fast แหล่ง Glc จะได้มาจากไหน??
Gluconeogenesis
37

38. Gluconeogenesis: Substrate for gluconeogenesis
38

39. 2. Gluconeogenesis
--Gluconeogenesis ไม่ได้เกิดจากปฏิกิริยา
reverse ของวิถี Glycolysis
--แต่ต้องการบางปฏิกิริยาเฉพาะ เรียกว่า
“Bypass” reactions (1, 2, 3 and 4 reactions)
--Substrate for Gluconeogenesis
-Lactate
-Glycerol
-Intermediates of glycolysis and TCA cycle
-α-keto acids obtained from the
transamination of glucogenic amino acids
39

40. 1st and 2nd
bypass
3rd bypass
4th bypass
Gluconeogenesis: Bypass reactions
***Note that:
Kinase/ phosphorylase = add phosphate
group
Phosphatase = remove phosphate group
40

41. Gluconeogenesis: Energy requirement
Overall Equation for Gluconeogenesis
Release of free glucose from liver and
kidney into blood
xPyruvate + yATP +zGTP +xNADH +xH+ +yH2O
aGlucose +bADP +cGDP +dPi +eNAD+
2Pyruvate + 4ATP +2GTP +2NADH +2H+ +4H2O
Glucose +4ADP +2GDP +6Pi +2NAD+
41

42. 1st and 2nd Bypasses: conversion of pyruvate → PEP by PC and PEPCK
Pyruvate OAA PEP
PC PEPCK
Decarboxylation
&
Phosphorylation
Carboxylation
Gluconeogenesis
42

43. Alternative conversion of Pyruvate → PEP
between two compartments
Anaerobic condition
Gluconeogenesis
Pyruvate OAA PEP
PC PEPCK
2.
2.
1.
1.
Pyruvate OAA
PC
Malate
PEP
cyMD
miMD
43

44. Fructose 1,6-bisphosphate + H2O
FBPase-1
Fructose 6-phosphate
FBPase-1 = Fructose 1,6-bisphosphatase
Hydrolysis
Gluconeogenesis
3rd Bypass: conversion of F1,6 BiP → F6P by FBPase-1
4th Bypass: conversion of G6P → G by G6Pase
Glucose 6-phosphate + H2O G6Pase
Glucose
G6Pase = Glucose 6-phosphatase
Hydrolysis
44

45. Gluconeogenesis: Substrate for gluconeogenesis
I. Lactate from anaerobic Glycolysis
Coli cycle
--Lactate is released into the blood by
exercising skeletal muscle, and by cells that
lack mitochondria, such as red blood cells.
--In the Cori cycle, bloodborne glucose is
converted by exercising muscle to lactate,
which diffuses into the blood.
--This lactate is taken up by the liver and
reconverted to glucose, which is released back
into the circulation.
45

46. Amino acids can be used as a fuel after
conversion to glucose
• Amino acids normally serve as substrates for synthesis of body’s
proteins. However, in certain situations they become energy
substrates.
• During a prolonged fast or periods of metabolic stress induced by
illness or injury, body proteins are degraded, and the released
amino acids are converted into glucose in the course of
gluconeogenesis.
• When an excessive amount of amino acids is taken as food, they
are converted to carbohydrates and are either stored or metabolized
II. Intermediates of glycolysis and TCA cycle = Amino acid (α-keto
acids obtained from the transamination of glucogenic amino acids)
Gluconeogenesis: Substrate for gluconeogenesis
46

47. II. Intermediates of glycolysis and TCA cycle = Amino acid (α-keto
acids obtained from the transamination of glucogenic amino acids)
--Amino acids ที่ได้จากการ
hydrolysis ของ tissue proteins
เป็ นแหล่งของ glucose during a
fast.
--α-Keto acids (เช่น α-keto-
Glutarate) ได้จากmetabolism
ของกรดอะมิโนชนิด glucogenic
aa.
--โดย α-ketoacids จะเข้าสู่ TCA
cycle และเปลี่ยนเป็ น OAA ซึ่งเป็ น
สารตั้งต้นสาคัญในวิถี
Gluconeogenesis
PEP
OAA
Gluconeogenesis: Substrate for gluconeogenesis
47

48. III. Glycerol -การ hydrolysis triglyceride ในเนื้อเยื่อไขมันใน
mammals จะได้ glycerol and fatty acid
-Glycerol จะถูกส่งไปยัง ตับผ่านทางเส้นเลือด
- เฉพาะ glycerol เท่านั้นที่สามารถเข้าสู่วิถี
Gluconeogenesis เพื่อผลิต Glc ส่วน fatty
acids จะใช้ไปผลิตพลังงานโดยเข้าสู่TCA หรือ เปลี่ยนเป็น
Ketone body
-In Liver:
Glycerol Glycerol phosphate
glycerol kinase*
Dihydroxy acetone
phosphate
glycerol phosphate
dehydrogenase
Gluconeogenesis
* ไม่มีในเนื้อเยื่อไขมัน
Gluconeogenesis: Substrate for gluconeogenesis
48

49. ภาวะ hypoglycemia และเกิดภาวะ fatty liver และตับแข็ง ในพวก
alcoholism
49

50. -ในผู้ที่ดื่มสุรา เอธานอลจะถูก
เปลี่ยนเป็น acetaldehyde and
acetate ซึ่งทาให้เกิดการ
สังเคราะห์ NADH
-ทาให้ระดับ NADH ในตับสูงขึ้น
- NADH ในตับสูงขึ้น การสังเคราะห์กลูโคสในวิถี gluconeogenesis ลดลง เพราะ pyruvate ซึ่ง
เป็นตัวกลางในวิถี gluconeogenesis ถูกเปลี่ยนไปเป็น lactate and malate แทนกลูโคส
(ลูกศรสีฟ้า) ทาให้เกิดภาวะ “hypoglycemia” ส่วน lactate and malate ที่เพิ่มขึ้นทาให้เกิด
ภาวะ “lactic acidosis”
-ภาวะที่ระดับ NADH ทาให้ การสลายกรดไขมันลดลง (beta oxidation) เกิดการสังคราะห์ และ
สะสม triglyceride เพิ่มขึ้น เกิดเป็น “fatty liver”
ทาไมผู้ที่ติดสุราจึงเกิดภาวะ hypoglycemia และเกิดภาวะ fatty liver และตับแข็ง
50

51. https://themedicalbiochemistrypage.org/ethanol-metabolism.php
51

52. 52
น้าตาล (HFCS) ภัยร้ายใกล้ตัว by
หมอแอมป์
What happens to your body
and brain when you eat too
much sugar
What Does Sugar Actually
Do To Your Body?
16.46 min

53. 53
WHY Sugar is as Bad as Alcohol
(Fructose, The Liver Toxin)
Fructose
overconsumption
may contribute to
diverse
cardiometabolic
risk factors
including steatosis,
increased glucose
production,
hypertriglyceridemi
a, increased
adiposity, and
hypertension.
https://www.researchgate.net/figure/Consequences-of-fructose-overconsumption-Fructose-

54. Glycogen
(Glycogenolysis/Glycogenesis)
The importances of Glycogen:
เป็ นแหล่งพลังงาน ซึ่งสามารถนามาใช้ โดยสามารถเปลี่ยนเป็ น Glucose ได้ง่าย
แต่กรณีของ gluconeogenesis ต้องผ่านหลาย reactions
--เมื่อร่างกายได้รับสารอาหารจาพวก Carb: Glycogen จะถูกสร้างจาก Glucose
สะสมไว้
--เมื่อร่างกายไม่ได้รับสารอาหารจาพวก Carb: Glycogen จะถูกสลายเป็ น
Glucose ปล่อยสู่กระแสเลือดได้อย่างรวดเร็ว
54

55. Glycogen Metabolism
แหล่งสะสมหลักของ Glycogen
55
-Liver glycogen = maintain the
blood glucose
-Muscle glycogen = serve as a
fuel for the ATP during muscle
contraction

56. Glycogen Metabolism
Glycogen Metabolisms:
1. Glycogenesis (glycogen synthesis)
2. Glycogenolysis (glycogen degradation)
Glycogenolysis
Glycogenesis
56

57. - Glycogen is a polymer of glucose.
Glycogen Metabolism: Glycogenesis
(Glycogen + Genesis)
1. Glycogenesis :
- ต้องการพลังงานในการสร้าง คือ ATP (for the
phosphorylation of glucose) และ uridine
triphosphate (UTP).
- The process occurs in the cytosol.
57

58. องค์ประกอบของการสังเคราะห์Glycogen:
1. UDP-glucose pyrophosphorylase ─ สาหรับเป็ น monomer
2. Glycogenin ─ initiating glucose linkages
3. Glycogen synthase ─ ทาหน้าที่เชื่อม monomer ต่อเป็ นสาย glycogen chain
Glycogen Metabolism: Glycogenesis
1. สังเคราะห์UDP-glucose pyrophosphorylase สาหรับเป็ น monomer
58

59. Glycogen Metabolism: Glycogenesis
1.
2.
3.
59

60. Branch synthesis
- glycogen-branching enzyme or transglycosylase
Glycogen Metabolism: Glycogenesis
60

61. 1. Glycogen phosphorylase ─ add phosphate group
2. Debranching enzymes ─ linearize the glycogen chain by
2.1 Transferase activity ─ transfer glucose residues
2.2 Glucosidase activity ─ remove a branching glucose
3. Phosphoglucomutase ─ shift a phosphate group to another
position
2. Glycogenolysis : Degradation of Glycogen
Glycogen Metabolism: Glycogenolysis
(Glycogen + Lysis)
61

62. Glycogen Metabolism: Glycogenolysis
Glucose 6-phosphate
Phosphogluco
mutase
Glucose
glucose 6-phosphatase
(G6Pase)
Liver
Blood Glucose
Muscle
Glycolysis
Different fates of Glc in Liver and Muscle
Muscle & adipose tissue lack G6Pase,
no contribution for free glucose
+Pi
Red muscle: CO2 and H2O (pyruvate dehydrogenase)
White muscle: Lactate (lactate dehydrogenase)
62

63. Glycogen Metabolism: Regulation of glycogen
synthesis and degradation
การควบคุมการสังเคราะห์และการสลายไกลโคเจนโดยฮอร ์โมน
ฮอร์โมนกลูคากอน เอพิเนฟริน (ตอบสนองความกลัว ต่อสู้ หลบหนี) และอินซูลิน
63

64. 3. Pentose Phosphate Pathway (PPP)
(glucose oxidation)
PPP มีความสาคัญอย่างไร???
--เป็ น pathway หลักที่ผลิต NADPH สารับใช้ในกิจกรรมต่างๆ ของร่างกาย
ที่ต้องใช้ NADPH เช่น liver ต่อมน้านมที่ต้องผลิตน้านม เนื้อเยื่อไขมันที่ต้อง
ผลิต fatty acid, testes and ovary ที่ต้องผลิต steroid hormones, เม็ด
เลือดแดง
--เป็ น pathway หลักที่ผลิต ribose 5-phosphate สารับการสังเคราะห์
nucleotides
--หรือเรียกว่า “hexose monophosphate pathway”
--เกิดใน cytosol
64

65. NADPH : An energy shuttle for biosynthesis
• Energy powers: the assembly of building into complex
molecules of carbohydrate, fat, and protein.
• NADPH, an energy-carrying molecule similar to NADH,
delivers much of the energy these biosynthetic reactions
require.
• Although both molecules are energy carriers, their
metabolic roles are vastly different. Whereas the energy
carries by NADH primarily produces ATP, nearly all the
energy carried by NADPH drives biosynthesis.
• When a reaction transforms NADPH into NADP+,
NADPH release its cargo of two energetic electrons.

66. • Key concept ATP is the energy currency of the body. Your body extracts
energy from food to produce ATP.
• NADH and FADH2 Are hydrogen and electron carriers that shuttle
energy to ATP production sites. NAPH is also and electron carrier, but it
shuttles energy for anabolic processes.

67. Pentose Phosphate Pathway (PPP)
--ประกอบด้วย 1) irreversible oxidative reactions
2) series of reversible sugar-phosphate interconversions
67

68. Pentose Phosphate Pathway (PPP)
G-6-P CO2 + 2 NADPH + Ribulose-5 P
Glucose
F-6-P
G-6-P 6-P Gluconolactone
Glucose 6-phosphate
dehydrogenase (G6PD)
NADP+ NADPH
Glycolysis
NADP+ NADPH +
CO2
Ribulose-5-P
6-phosphoglucono-
lactone hydrolase
1) irreversible oxidative reactions
2) series of reversible sugar-
phosphate interconversions
-การเปลี่ยนแปลง G-6-P ไปเป็ น intermediate ต่างๆ ในวิถี PPP ทาให้เราได้
2NADPH โดยที่ได้ G-6-P กลับคืนมาเหมือนเดิม
-G6PD เป็ น key enzyme ในการควบคุมวิถี PPP:
NADPH/NADP+ สูง = G6PD Less Active
NADPH/NADP+ ต่า = G6PD More Active 68

69. Defect in G6PD
- A way to kill a malarial parasite
NADPH จาก PPP มีความสาคัญอย่างไร???
I. Reduction of hydrogenperoxide
-- ทาให้เกิด chemical damage to
DNA, proteins, and unsaturated
lipids, and can lead to cell death.
-- ROS เกี่ยวข้องกับการเกิดโรค
หลายชนิด เช่น reperfusion injury,
cancer, inflammatory disease,
and aging
ROS
ROS
Reactive oxygen species
(ROS):
GSSG = oxidative glutathione
GSH = reductive glutathione
ซึ่งสามารถทาปฎิกริยากับ H2O2
69

70. NADPH จาก PPP มีความสาคัญอย่างไร???
II. กาจัดสารพิษโดยการทางานของเอนไซม์Cytochrome P450 monooxygenase
ในตับ
The overall reaction catalyzed by a cytochrome P450 enzyme:
R-H + O2 + NADPH + H+ → R-OH + H2O + NADP+
R = steroid, drug or other chemical
--การทางานของเอนไซม์Cytochrome P450 monooxygenase
ต้องการ NADPH เป็ น Co-factor
70

71. III. กระบวนการทาลายเชื้อโรคของ white blood cells หลังจาก Phagocytosis
NADPH จาก PPP มีความสาคัญอย่างไร???
71

72. Regulation of Glycolysis
The storage of nutriens
• glucose transport into muscle
and adipose tissue
• glucose storage as glycogen
(liver, muscle)
• conversion of glucose to TG
(liver) and their storage
(adipose tissue)
• protein synthesis (liver, muscle)
• inhibition of fuel mobilization
72

73. Hormonal control of glucose homeostasis. (A) Plasma glucose concentration reflects the balance between the
hypoglycemic (glucose-lowering) action of insulin and the hyperglycemic (glucose increasing) action of the anti-
insulin hormones. (B) Daily patterns of insulin and glucagon secretion, and corresponding plasma glucose
concentrations. Plasma glucose concentration is maintained within a narrow range throughout the day. To obtain
glucose concentrations in mg/dL, multiply the value in mmol/L by 18.
73

74. Glucose homeostasis:
 maintenance of blood glucose levels near 80 to 100 mg/dL (4,4-5,6 mmol/l)
 insulin and glucagon (regulate fuel mobilization and storage)
Hypoglycemia prevention:
1. release of glucose from the large glycogen stores in the liver (glycogenolysis)
2. synthesis of glucose from lactate, glycerol, and amino acids in liver (gluconeogenesis)
3. release of fatty acids from adipose tissue (lipolysis)
Hyperglycemia prevention:
1. conversion of glucose to glycogen (glycogen synthesis)
2. conversion of glucose to triacylglycerols in liver and adipose tissue (lipogenesis)
74

75. A. Key regulatory enzymes:
are those enzymes that catalyze the irreversible steps of glycolysis that
include three steps as follows,
1-Phosphofructokinase:
It is an allosteric enzyme stimulated by high levels of fructose-6- phosphate, fructose-
2,6-diphosphate (in liver), ADP and AMP, Pi, and ammonia.
It is inhibited allosterically by ATP, low pH and citrate.
2-Hexokinase:
Accumulation of glucose-6-phosphate and inhibition of phosphofructokinase results in
accumulation of fructose-6-phosphate and glucose-6-phosphate that allosterically inhibit
hexokinase.
3-Pyruvate kinase:
It is inhibited also by excess ATP, fatty acids, and acetyl-CoA
and is stimulated by fructose-1,6-diphosphate, ADP and AMP
It is regulated by cAMP-dependent phosphorylation-dephosphorylation mechanism
75

76. B. Hormonal regulation:
1. Insulin:
Stimulates synthesis of glucokinase, phosphofructokinase and pyruvate kinase,
so it stimulates glycolysis. It also induces glucose transporters to provide cells
with glucose for glycolysis.
2-Adrenaline and glucagon are
inhibitory by inhibiting pyruvate kinase.
Pathways regulated by the release of:
 glucagon (in response to a lowering of blood glucose levels)
 insulin (in response to an elevation of blood glucose levels)
76

77. Production of blood
glucose
Glycogenolysis
 2 hours after a meal
 the primary source of blood glucose
during the first few hours of fasting
Gluconeogenesis
 after consumption of the liver glycogen
 lactate (muscle, erythrocytes), amino
acids (muscle), glycerol (adipose tissue)
77

78. Sources of blood glucose in fed, fasting, and
starved states:
Stage of fasting Glucose
(mg/dL)
Normal level 80-100
Fasting (12 h) 80
Starvation (3 d) 70
Starvation (5-6
wk)
65
78

79. 79

80. Errors in Digestion and Metabolism
Genetic defects
– Galactosemia
• Enzyme responsible for metabolizing galactose to
glucose is missing
• All sources of lactose must be eliminated from diet
• Untreated, can cause brain and liver damage
• Screening and treatment can enable normal life
80

81. Errors in Digestion and Metabolism
Genetic defects
- Glycogen storage diseases (GSD)
• Group of rare genetic defects
• Absence of enzymes required for synthesis or
breakdown of glycogen
• Form of disease depends on enzyme missing
81

82. 82

83. References:
• John W Baynes and Marek H Dominiczak, Fourth edition 2014, Medical
biochemsirtry, Chapter 21 : Glucose Homeostasis and Fuel Metabolism: Diabetes
Mellitus.
• Miller, Kenneth R., and Joseph S. Levine.,( 2010), Chapter 9 : Cellular respiration
and fermentation, Miller & Levine Biology, 9th Edition, Boston, 1034 pages.
• Richard A. Harvey and Denise R. Ferrier, (2011) Lippincott’s, Illustrated Reviews;
Biochemistry, 5th. Lippincott Williams & Wilkins, a Wolters Kluwer business.
• Nelson, D.L. & Cox, M.M. (2005), Lehninger Principles of Biochemistry (4th ed.). New
York: Worth Publishers.
• Berg, J.M. Tymoczko, J., Stryer, L., Biochemistry, 4th edition, 1995 or 5th edition,
2002
• ชัยสิทธิ์สิทธิเวช,(2557),บทที่ 10 carbohydrate metabolism, ชีวเคมีทางการแพทย์.
83

84. THE END
84